Tuulivoimatekniikka Erkki Haapanen Versio 1 02 20 05

Tuulivoimatekniikka Erkki Haapanen Versio 1. 02 20. 05. 2004 Erkki Haapanen

TUULIVOIMALAN MÄÄRITELMÄ • • Tuulivoimala muuttaa tuulen liikeenergian mekaaniseksi tai sähköenergiaksi Tuulipuistoksi kutsutaan aluetta, jolla on useita toisiinsa liitettyjä tuulivoimaloita, ja jotka kytkeytyvät yhtenä kokonaisuutena sähköverkkooon Erkki Haapanen

TUULIVOIMALAN KOKO • Tuulivoimalan kokoa voidaan kuvata – – – • nimellisteholla pyyhkäisypintaalalla tai potkurin halkaisijalla vuosituotolla napakorkeudella painolla Koon merkitys – tuotto on suoraan verrannollinen pyyhkäisypintaalaan – tuotto paranee napakorkeuden kasvaessa • Tuulivoimalan koon kasvu vv. 1980 2002 – – – nimellisteho vuosituotto pyyhkäisypintaala korkeus paino Erkki Haapanen

TUULIVOIMALOIDEN LUOKITTELUPERUSTEET Tuulivoimalat voidaan luokitella hyvin monella tavalla. Luokitteluperusteena voi olla voimalan käyttötarkoitus, toimintaperiaate, erilaiset rakenneratkaisut jne. Seuraavassa on esimerkkejä erilaisista luokittelutavoista • • • . Käyttötarkoitus Rakenne Lapaluku Toimintaperiaate Tehon säätö ja rajoitustapa Erkki Haapanen

Tuulivoimalan koon kasvu Erkki Haapanen

Käyttötarkoituksen mukainen luokittelu, • Käyttötarkoituksen mukaan – Sähkön tuotanto • Energian tuotanto voimaverkkoon • Talouskohtainen energian tuotanto • Akkujen lataus – Veden pumppaus • Talous ja käyttövesi • Kastelujärjestelmät • Maaalueiden kuivaus – Viljan jauhaminen – Lankkujen sahaus Erkki Haapanen

Rakennetyypin mukainen luokitus • Vaaka-akseliset – etutuulipotkuri – takatuulipotkuri • Pystyakseliset – Savonius – Darreius – Kuppiroottori Erkki Haapanen

Pystyroottoreita Savoniusroottori Käyttö: Veden pumppaus Lähde: Gourièré, D. Wind Power Plants, Theory and Design Pergamon Press Gmb. H, Frankfurt 1982 Persialainen viljamylly Käytetty n. 600 - 900 luvuilla viljan jauhamieseen Lähde: Robert Gasch. Windkraftanlagen, B. G. Teubner, Stuttgart Darreiusroottori Käyttö sähkön tuotanto Lähde: Robert Gasch. Windkraftanlagen, B. G. Teubner, Stuttgart Erkki Haapanen Windside-roottori Käyttö: Akkujen lataus Lähde: Valmistajan esite

Vaaka-akselisia tuulivoimaloita Oasis 3 Valmistaja Wind. Tech, USA Käyttö: Veden pumppaus Akkujen latauksessa käytettävä pienvoimala Erkki Haapanen Viljan jauhannassa käytetty myllytyyppi

Lapaluvun mukainen luokitus • Monilapaiset (6 tai useampi) – • Nelilapainen – • Viljan jauhaminen Kolme yksi lapaa – • Käyttö kaivopumppuina Käyttö energian tuotannossa Miksi kolme lapaa? – – – Potkuri on pyörähdyssymmetrisensti tasapainossa Massahitausvoimat ovat tasapainossa kaikkien akseleiden suhteen Visuaalisesti miellyttävän näköinen Vähemmän kuin kolme lapaa aiheuttaa tuuleen käännettäessä koneistoa rasittavaa tärinää, joka johtuu massahitausvoimien eroista vaaka ja pystyakselin suhteen. Tuuleen käännettäessä kaksi tai yksilapaisessa potkurissa kääntö sujuu kevyesti, kun lapa on pystyssä, mutta estyy lähes kokonaan, kun lapa on vaakaasennossa. Tämä on samanlainen ilmiö kuin piruetissa, jossa esiintyjä pyörii hyvin nopeasti, kun kädet ovat vartalossa kiinni tai pyörintäakselilla mutta pyöriminen lähes pysähtyy, kun hän levittää kätensä. Enemmän kuin kolme lapaa maksaa enemmän kuin kolme mutta ei anna enempää tuottoa. Erkki Haapanen

Toimintaperiaatteen mukainen luokitus • Pyörittävä momentti syntyy – lavan nostovoiman ansiosta kuten lentokoneen siivessä – Osittain nostovoiman ja vastuksen avulla • Savonius, Windside ja Jaspira – siipien välisestä vastuserosta (Kuppiroottori) Erkki Haapanen

Vastuserolla toimivat voimalat • Tässä tyypissä tuulivoimalan turbiini muodostuu pyörivästä kehästä, jonka akseli on tuulta vastaan kohtisuoraan. Kehällä on kuppeja, siipiä pusseja tai muita laitteita, joiden tarkoituksena on vastustaa mahdollisimman tehokkaasti tuulta pyörimiskehän toisella sivulla ja palata alkuasentoon tuulen yläpuolelle mahdollisimman huomaamattomasti ja vähän vastusta aiheuttaen. Turbiinin siipeen kohdistuva voima perustuu siiven vastukseen tuulen ohittaessa sen ja voima suuntautuu myötätuuleen. Turbiinin siiven vastuskerroin on suuri silloin, kun siipi kulkee myötätuuleen ja pieni siiven palatessa vastatuuleen. Tuuli kohtaa turbiinin pinnan jyrkässä kulmassa ja synnyttää voiman, joka on sitä suurempi mitä isompi nopeusero turbiinin pinnan ja tuulen välillä vallitsee. Tästä johtuu, että turbiinin pyörimisliikkeen kehänopeus jää aina pienemmäksi kuin tuulen nopeus, sillä tuulen nopeutta vastaavalla kehänopeudella ei enää synny turbiinia käyttävää voimaa ja pyöritysmomenttia. Turbiinin palaava, tuulta vasten pyörivä siipi puolestaan aiheuttaa vastusta, joka johtuu suuresta suhteellisesta ilmanopeudesta vaikka vastuskerroin olisikin pieni. Tämän tyypin turbiinit pyörivät pienellä nopeudella sekä ovat teholtaan hyvin heikkoja. Ihannetapauksessa palaavan siipielementin vastus olisi nolla ja tuulen mukana kulkevan taas mahdollisimman suuri. Tämä voimalatyyppi on innoittanut kautta historian keksijöitä ja kokeilijoita. Toimivia ratkaisuja tunnetaan jo tuhansien vuosien takaa ja aina vain uusia ehdotuksia tuntuu löytyvän. Toimintaperiaatteen huonona puolena on se, että hyötysuhde on parhaimmillaankin vain pari prosenttia, joka verrattuna muihin kuvattaviin malleihin jää todella mitättömäksi. Mielenkiintoisen tapauksen tässä ryhmässä muodostaa ns. kuppianemometri, jota käytetään hyvin yleisesti tuulen nopeuden mittauksessa. • Kuppianemometri: • Näitä on ilmestynyt tienvarsien tiesääasemille jokaisen ihmeteltäviksi. Kuppianemometriä käytetään, koska se soveltuu hyvin ilman nopeuden mittaukseen sillä äkillisetkään tuulen suunnanmuutokset eivät vaikuta sen näyttöön. Nopeusmittauksessa pyritään hyvin pieneen akselikitkaan, joten anemometri ei tuota tehoa vaan pyörii mahdollisimman vapaasti seuraten herkästi tuulen nopeuden muutoksia. Vapaasti pyöriessä pyörimisnopeus seuraa kohtalaisen tarkasti tuulen nopeutta myös vaihtelevissa tuulissa. Erkki Haapanen

Aerodynaamisesti toimivat turbiinit Turbiinin siipeen kohdistuva voima syntyy ohi virtaavan ilman aiheuttamasta nostovoimasta, joka on kohtisuoraan virtausta vastaan. Voima on sitä suurempi, mitä nopeammin ilma virtaa siiven ohitse. Usein siiven oma pyörimisliike lisää suhteellista nopeutta ilmavirtaan nähden. Tällaiset turbiinit pyörivät usein paljon suuremmalla kehänopeudella kuin vapaan ilman nopeus. Siipi toimii lentokoneen siiven tai purjeen tavoin Savonius-turbiini • Savonius-turbiini on suomalaisen Savoniuksen 1930 -luvulla kehittämä ja patentoima pystyakselinen tuuliturbiini, jolla on kohtuullinen hyötysuhde ja hyvä vääntömomentti alhaisilla kierroksilla. Se on riippumaton tuulen suunnan vaihtumisesta, mutta käynnistys- ja pyöritysmomentti riippuvat turbiinin asennosta tuulen suhteen ja käynti nykii kierroksen aikana sillä siiven eri asennoissa pyöritysmomentti vaihtelee. Nykimisen vähentämiseksi rakennetaan usein kaksi turbiinia päällekkäin, keskenään 90 asteen kulmaan. Savonius-turbiinissa esiintyy myös varsin voimakkaana poikittaisvoima, joka rasittaa turbiinia ja rakenteita. Suurten voimalaitosten kohdalla Savonius-turbiinin massiivinen koko muodostuu ongelmaksi, sillä sen paino tuotettua energiaa kohden nousee suureksi ja epätaloudelliseksi. Parhaimmillaan Savonius on siellä. missä tarvitaan kohtuullisen pientä tehoa ja pyörimisnopeutta kuten veden pumppauksessa. Yksinkertaisuutensa vuoksi se soveltuu hyvin itserakentajille. Savonius-turbiinin suojaus myrskytilanteessa on tärkeää sillä turbiinin suuri pinta-ala aiheuttaa varsin suuria kuormituksia. Kovilla myrskyillä rakenteen kestävyys voi olla uhattuna sillä epätasainen kuormitus aiheuttaa rakenteeseen värähtelyjä sekä väsytystä. Tuulen nopeuden kasvaessa turbiinin tehokerroin pienenee ja loiventaa vääntömomentin kasvua, mikä vähentää generaattorin ylikuormitttumisvaaraa. Windside-turbiini "Tuuliruuvi" • Windside-turbiini on Savonius-turbiinin kehitelmä, jossa on poistettu Savoniuksessa esiintynyt käynnistysmomentin riippuvuus tuulen suunnasta ja käynnin epätasaisuuteen liittyneet ongelmat kiertämällä turbiinia ruuvin tavoin. Turbiini on suomalaisen Windside Oy: n patentoima. Windside Oy on kehittänyt myös generaattorin, joka käytettynä yhdessä WSturbiinin kanssa ei tarvitse erillistä ylennysvaihdetta. Tällä yhdistelmällä saadaan sähköä myös hyvin pienillä tuulen nopeuksilla, mikä on tärkeää varsinkin akkukäytössä. Keveitä tuulia esiintyy varsin paljon ympäri vuotta ja herkän laitteiston pienikin virrantuotto on akun kestävyyden kannalta edullisempaa kuin olla kokonaan ilman virtaa. Akun lataustilaa voidaan pitää tällä tavoin yllä. Luonnollisesti akusta ei riitä virtaa normaaliin käyttöön pitkinä tuulettomina jaksoina mutta mikäli järjestelmä kykenee antamaan edes sen verran virtaa, että se korvaa akun itsepurkautumisen, niin akusto on aina käyttövalmiina ja latautuneena esimerkiksi viikonloppua varten kesämökillä. Myrskytilanteessa WS-turbiini rasittuu vähemmmän kuin Savonius-turbiini, koska siihen ei kohdistu värähtelyjä aiheuttavia sysäyksiä kuten Savoniuksessa. . Lisäksi rakenne kestää muotonsa ansiosta suuriakin kuormituksia. . Erkki Haapanen

Potkurikäyttöiset tuulivoimalat Potkurikäyttöistä voimalaa kutsutaan myös vaaka-akseli-tyypiksi. Potkurin merkittävin etu on, että se peittää omaan pintaalaansa verrattuna suuren alan, ja kykenee tuottamaan rakennepainoonsa nähden huomattavan paljon tehoa. Potkuri pyörii useimmiten pienehköllä nopeudella ja siksi generaattorin ja potkurin väliin tarvitaan useimmiten ylennysvaihde. Mitä suurempi potkuri on sitä pienempi on pyörimisnopeus, sillä potkurin kärkinopeus halutaan rajoittaa lähinnä melusyistä alle melurajan, 70 m/s. Potkurin akseli tulee suunnata aina vasten tuulta, jotta se tuottaisi mahdollisimman paljon tehoa. Suuntaus perustuu joko tuuliviiriperiaatteeseen tai tuulen vallitsevan suunnan mittaamiseen ja sähkö- tai hydraulimoottorilla tapahtuvaan suuntaamiseen. Potkuria käännettäessä kohti tuulta esiintyy koriolisvoima, joka pyrkii kiertämään potkurin akselia joko ylös tai alas päin riippuen käännön suunnasta. Tämä voima aiheuttaa etenkin kaksilapaista potkuria käännettäessä voimakasta tärinää, joka rasittaa potkuria ja sen akselia. Kolme- ja useampilapaisissa potkureissa koriolisvoimasta johtuvat hitausvoimat ovat tasapainossa akselin suhteen eikä tällaista tärinää esiinny. Tästä syystä käytetäänkin paljon kolmilapaisia potkureita. Kolmilapaisuus ei kuitenkaan estä koriolisvoimien vaikuttamasta erikseen jokaiseen lapaan mutta kolmilapaisuus tasaa akseliin kohdistuvia kuormia. • Hyötysuhteeltaan potkurikäyttöinen voimala on saatavissa varsin tehokkaaksi. Tämä edellyttää tietysti potkurin ominaisuuksien valintaa siten, että se toimii optimaalisesti. Teoreettisesti potkurikäyttöisellä voimalalla on kuitenkin parhaat mahdollisuudet päästä lähimmäksi ihanteellista arvoa. Potkurikäyttöisen voimalan suojaamiseksi myrskytilanteilta on tehtävä riittävän varmatoimiset suojamekanismit. Periaatteena pitäisi olla vähintään kolme toisistaan riippumatonta, automaattisesti, ilman ulkopuolista apua toimivaa järjestelmää, jotka kykenevät sekä rajoittamaan potkurin tuottamaa pyöritysmomenttia että pysäyttämään potkurin tuulen nopeuden ylittäessä sallitun raja-arvon Erkki Haapanen

Darreius-turbiini on pystyakselin ympäri pyörivä "taikinavatkaimen" näköinen laite, jonka toimintaperiaate poikkeaa muista siinä, että se ei käynnisty ilman ulkopuolista apua vaan tarvitsee alkupyörityksen, jonka on annettava vähintäin kolme kertaa tuulen nopeutta suurempi kehänopeus. Tähän käytetään joko sähkömoottoria tai esimerkiksi Savoniusturbiinia, joka on kytketty samalle akselille. Turbiinin etuna on suuri pyörimisnopeus, joka helpottaa generaattorivaihteiston rakentamista. Toinen kiistaton etu on se, että koneisto voidaan rakentaa turbiinin akselin alapäähän lähelle maan pintaa. Darreius-turbiinia ei enää juurikaan käytetä kaupallisissa sovellutuksissa eikä se sovellu harrastajille paitsi todellisille Pelottomille, jotka haluavat saada mahdottomankin toimimaan. Turbiinilla päästään ihanteellisissa olosuhteissa potkuria vastaaviin hyötysuhteisiin, joissain tapauksissa jopa parempaan. Käytännössä ei ole kuitenkaan päästy lähellekään potkurin kokonaishyötysuhdetta. Suurimpina ongelmina Darreius-roottoreilla on ollut mekaaninen kestävyys sillä turbiinin pyörimisen aikana siihen vaikuttavat voimat aiheuttavat erittäin kovan väsytyskuormituksen. Erkki Haapanen

Tehon rajoitus/säätötavan mukainen luokitus • Sakkausrajoitettu – Kiinteä lapakulma ja pyörimisnopeus – Myrskypysäytys tapahtuu erillisen kärkijarrun avulla • Sakkaussäätö – Kiinteä pyörimisnopeus, muuttuva lapakulma = aktiivisakkaus – Myrskypysäytys tapahtuu erillisen kärkijarrun avulla tai lapakulmaa kääntämällä • Lapakulman säätö – Toimii sekä kiinteällä että muuttuvalla pyörimisnopeudella – Käytetään optimoimaan tehoa toimittaessa alle nimellistuulen nopeuden sekä rajoittamaan tehoa, kun tuulen nopeus on suurempi kuin nimellistuulen nopeus ja pysäyttämään, kun tuulen nopeus ylittää myrskyrajan. • Muuttuva pyörimisnopeus – Käytetään optimoimaan tehoa toimittaessa alle nimellistuulen nopeuden. Käytetään yleensä yhdessä lapakulmasäädön kanssa, jolloin saadaan paras mahdollinen hyötysuhde koko toimintaalueella. – Ei voida juurikaan käyttää sakkausrajoitetussa voimalassa. Erkki Haapanen

Lapakulmansäätö Lapakulmasäädön Erkki Haapanen toiminta

Aktiivisakkaus Aktiivisakkauksen Lepuutus jättöreuna kohti tuulta Erkki Haapanen toiminta

Miten tuulivoimalaa säädetään Tehon rajoitus • Tuulen nopeuden kasvaessa on tarvetta rajoittaa teho koneiston suurimpaan sallimaan arvoon. Tähän käytetään erilaisia tehonsäätötapoja, jotka toimivat aerodynaamisesti joko vähentämällä lavan kantovoimaa (lapakulman säätö) tai lisäämällä lavan vastusta (sakkaussäätö). Tuulivoimalan myrskypysäytys • Tuulivoimalalle joudutaan asettamaan turvallisuussyistä suurin sallittu tuulennopeus, jonka jälkeen voimala on pysäytettävä. Pysäytykseen käytetään aerodynaamista jarrutusta, joko erillistä jarrua tai kääntämällä lapaa kohti tuulta siten, ettei pyörittävää momenttia enää synny. Säätö- ja pysäytysjärjestelmät saattavat olla samoja tai erillisiä riippuen tuulivoimalan tyypistä. Erkki Haapanen

Myrskysuojauksen toteutusperiaate • • Pysäytys kärkijarrulla – Sakkausrajoitettujen voimaloiden pysäyttämiseksi tarvitaan tehokas aerodynaaminen jarru. Yleisin malli on kokonaan kääntyvä kärkiosa, joka kääntyy poikittain tuuleen silloin, kun voimala halutaan pysäyttää. Kärkijarrun pituus on vain alle 10% lavan pituudesta. Silti yksikin jarru riittää pysäyttämään koko voimalan. Jokaisen lavan kärjessä oleva jarru takaa pysähtymisen vaikka yksi tai jopa kaksi jarrua jäisi toimimatta. Tämä on katsottu tarpeelliseksi sen vuoksi, että myrskytilanteessa mahdollinen toimimattomuus saisi aikaan katastrofin ja johtaisi pahimmillaan koko voimalan hajoamiseeen. Kärkijarrun ohjaus ja avautuminen perustuu usein keskipakovoimaan. Jarrujen liike on sidottu toisiinsa jarrukaapeleilla, joiden tehtävänä on varmistaa, että jarruvaikutus kohdistuu tasaisena kaikkiin lapoihin. Luotettavuutensa vuoksi kärkijarrusta on tullut yleisin käytetty ratkaisu kiinteälapaisiin voimaloihin. Voimalan pysäytys tapahtuu aerodynaamisella jarrulla – Kärkijarrun lisäksi aerodynaamisia jarruja ovat esimerkiksi • Lavan kärkeen saranoitu vastuslevy, joka normaalisti on piilossa, mutta avautuu esimerkiksi keskipakovoiman laukaisemana. Vastuslevy aiheuttaa voimakkaan kohinan auetessaan. Järjestelmä on arka jäätymiselle ja likaantumiselle. Sitä käytetään jossain määrin pienissä tuulivoimaloissa. • Spoileri on lavan salon tuntumaan rakennettu levy, joka nousee ylös jarrutettaessa. Usein levyn vaikutusta voidaan lisätä tekemällä rakenne sellaiseksi, että spoilerin alta avautuu rako, josta tuulen puoleinen ilma pääsee lavan läpi alipaineen puolelle. Rako vähentää tehokkaasti lavan nostovoimaa ja spoileri lisää vastusta. Spoileri on erittäin tehokas, mutta erittäin arka jäätymiselle eikä sitä juuri käytetä tuulivoimaloissa. Tuulesta pois kääntö – Voimala pysäytetään kääntämällä potkurin kehä kokonaan pois tuulesta. Tätä tapaa käytetään vain pienissä voimaloissa, joiden potkurin halkaisija on alle 10 m. Hyrrävoimat kasvavat liian suuriksi, kun lavan pituus ja paino kasvavat. Tästä seuraa käännön hidastuminen eikä tehon rajoitus ehtisi toimia puuskatilanteessa. Tämä on oivallinen ratkaisu kiinteälapaisille pienvoimaloille. Lapakulmasäädöllä, lepuutus – Voimalassa, jossa on lapakulman säätö, myrskypysäytys toimii kuten normaali säätö. Lapakulman kääntöä kohti tuulta jatketaan, kunnes lavan etureuna on kohtisuorassa tuulta vastaan ja voimala pysähtyy. Pysähtymisen jälkeiseen lukitukseen käytetään mekaanista jarrua – – Levy- tai rumpujarru • Mekaanisella jarrulla voidaan vain auttaa aerodynaamisen jarrun toimintaa ja silloinkin jarrutuksen loppuosalla varmistamaan. että lapa pysähtyy kokonaan. tappi reikään varmistus esimerkiksi huollon ajaksi on varmistus sille, ettei voimala pääse vahingossa pyörähtämään, kun sille tehdään huoltoa tai muuten työskennellään voimalan koneiston kanssa. Tappi on syytä muistaa ottaa reiästä pois ennen käynnistysyritystä. Erkki Haapanen

Kolmilapainen vaaka-akselinen etutuulipotkuri On yleisin energiantuotannossa käytetty tyyppi ja taloudellisesti edullisin – Sillä on suuri pyyhkäisypinta-ala, suurimmillaan lähes hehtaari ja tuotto on suoraan verrannollinen pyyhkäisypinta-alaan. – Potkurin pinta-ala suhteessa pyyhkäisypinta-alaan on pieni (parikolme prosenttia) eli suuren pinta-alan käyttöön tarvitaan minimaalinen määrä materiaalia. – Sillä on erinomainen hyötysuhde verrattuna muihin ratkaisuihin – Rakenteellisesti kevein ja luotettavin pitkäaikaisessa käytössä Erkki Haapanen

TUULIVOIMALAN SUORITUSARVOT • • • Tuulivoimalan tehon kaava Ihanteellinen tuulivoimala Tehokertoimen riippuvuus kärkinopeussuhteesta , L Tehokertoimen merkitys Tehokäyrä Tunnusluvut Erkki Haapanen

Tuulivoimalan tehon kaava Tuulivoimalasta saadaan paras teho, kun se pyörii nopeasti eli kärkinopeussuhde on korkea. Tästä syystä energian tuotannossa käytetyissä voimaloissa on hyvin kapeat lavat ja mahdollisimman korkea kärkinopeus. P ρ v = = = Teho [W] Ilman tiheys [kg/m 3] tuulen nopeus [m/s] vapaassa virtauksessa tuulen nopeus hidastuu ennen potkuria ja vielä sen jälkeenkin sitä enemmän, mitä enemmän tuulesta otetaan energiaa A = potkurin pyyhkäisypintaala [m²] CP = tehokerroin, joka riippuu tuulivoimalatyypista ja kärkinopeudesta L = kärkinopeussuhde eli potkurin kärjen kehänopeuden suhde tuulen nopeuteen vapaassa virtauksessa Erkki Haapanen

Ihanteellinen tuulivoimala • • Ihanteellinen tuulivoimala hidastaa tuulen nopeuden kahteen kolmasosaan sen vapaasta nopeudesta Tehokerroin on tällöin CP = 16/27 = 0, 593, jota kutsutaan myös Betz’in tehokertoimeksi Tätä ei ole käytännössä mahdollista saavuttaa, koska se edellyttäisi virtauksen kitkatonta hidastumista ilman kiertymää. Eli ei olemassa edes teoriassa tällaista mekanismia, joka toteuttaisi tämän ehdon. Kärkinopeussuhde ei vaikuta ideaalivoimalan tehokertoimeen Erkki Haapanen

Tehokertoimen riippuvuus kärkinopeussuhteesta , L Tehokertoimen avulla voidaan verrata erilaisten voimaloiden hyötysuhdetta Erkki Haapanen

Prandtlin&Glauertin tehokerroin Edellisessä kuvassa “Glauert” esittää ns. Prandtlin&Glauertin tehokerrointa, joka • Huomioi virtauksen kiertymisen potkurin vaikutuksesta, mikä vastaa paremmin todellisuutta kuin Betzin tehokerroin. • P&G: n tehokerroin paranee kärkinopeussuhteen kasvaessa ja lähestyy Betzin tehokerrointa, kun kärkinopeussuhde kasvaa hyvin suureksi • Todellisten voimaloiden vertailu tapahtuu parhaiten vertaamalla niiden tehokerrointa Prandtlin&Glauertin tehokertoimeen, joka on paras teoreettisesti saavutettavissa oleva tehokerroin. Erkki Haapanen

Tehokertoimen merkitys • • • Tehokerroin osoittaa, kuinka ison osan tuulen energiasta tuulivoimala kykenee ottamaan talteen Koska teoreettisesti korkein mahdollinen tehokerroin on Betzin 16/27, on mielekästä käyttää tätä lähtökohtana ja arvioida, kuinka lähelle tätä päästään. Tehokertoimen avulla voidaan verrata erilaisten voimaloiden hyötysuhdetta Tehokerroin riippuu mm. – Kärkinopeussuhteesta – Ilman tiheydestä – Voimalan säätötavasta, sakkaus vai lapakulmasäätö – Pyörimisnopeudesta, kiinteä vai muuttuva – Tehoa rajoitettaessa tehokerroin laskee voimakkaasti Hyvän energiantuotannossa käytetyn tuulivoimalan tehokerroin on noin 0, 4 paikkeilla, kun voimala toimii optimitilanteessa Erkki Haapanen

Sakkaus- ja lapakulmasäädetyn voimalan tehokäyrät • • Tehokäyrä osoittaa tuulivoimalan tuottaman tehon riippuvuuden tuulen nopeudesta tai pyörimisnopeudesta Tehokäyrä riippuu voimalan ominaisuuksista – – • • Pyörimisnopeudesta Ilman tiheydestä Lapojen sileydestä tai karheudesta Ilman puuskaisuudesta Vaaka-akselilla on tuulen nopeus Pystyakselilla on tällä tuulen nopeudella saatavilla oleva teho Kuvassa on yksi lapakulmasäädetyn voimalan tehokäyrä (Vestas V 47) ja kaksi sakkausrajoitetun voimalan tehokäyrää (Bonus ja NEG-Micon) Erkki Haapanen

Kiinteä- ja muuttuvanopeuksisen voimalan tehokäyrä Kiinteällä pyörimisnopeudella toimivat • NEG-Micon 2000 -500/72 (2000 k. W) • Nordex N 80 (1300 k. W) • Bonus 1. 3 MW Muuttuvalla pyörimisnopeudella toimii • Vestas V 80 -2 MW Erkki Haapanen

Ilman tiheyden vaikutus tehokäyrään Lapakulmasäätöisen voimalan maksimiteho rajoitetaan aina sallittuun ylärajaan mikäli tuuli on riittävän voimakas. Ilman tiheyden kasvu lisää tehoa. Sakkausrajoitetun potkurin maksimitehoon vaikuttaa mm. ilman tiheys. Säätö on tehtävä vuodenajan mukaan tai tyydyttävä ilman tiheyden mukaan vaihtelevaan maksimitehoon. Lapojen likaantuminen, jään, kuuran tai hyönteisten johdosta laskee tehokäyrää. Erkki Haapanen

Lapakulman vaikutus tehokäyrään Lapakulman avulla voidaan: • valita optimaalinen tuotto Ellei teho ylitä suurinta sallittua, etsitään kullakin tuulella parhaan tehon antava lapakulma • rajoittaa maksimitehoa Jos teho pyrkii ylittämään suurimman sallitun, valitaan sellainen lapakulma, joka tuottaa tasan sallitun tehon Viereisessä kuvassa on esitettynä saman voimalan tehokäyrät, kun käytetään kiinteää lapakulmaa koko sallitun tuulen alueella. • Alin käyrä -4° osoittaa, miten sakkaus toimii jo 10 m/s tuulella ja rajoittaa tehon 600 k. W: iin • 6° käyrä antaa parhaaksi tehoksi 1600 k. W noin 18 m/s tuulella • Optimi teho on kullakin tuulen nopeudella ylimmäisenä oleva käyrä. Kuvasta nähdään, että lapakulmaa täytyy muuttaa tuulen nopeuden mukaan, mikäli haluaa parasta tehoa voimalastaa. Erkki Haapanen 4. 10. 2000 Slide 31 Erkki Haapanen

Tuulivoimalan työntövoiman kaava Erkki Haapanen

Aerodynamiikaa • • Peruskäsitteitä – Profiili • Virtaviiva • Nopeusjakauma • Painejakauma • Bernoullin laki • Nimitykset ja merkinnät – Nostovoiman syntyminen • Nostovoiman suuruuteen vaikuttavat tekijät • Vastus • Sakkausilmiö • Rajakerros – Polaari Potkurigeometria – Profiili – Leveysjakauma – Nousu – Kärkihäviöt Erkki Haapanen

Virtaviivat • • Virtaviivat osoittavat ilmapartikkeleiden lii-keradan virtauksessa Virtaviivojen läpi ei tapahdu virtausta Viivojen välin kaventuessa virtausnopeus kasvaa Patopisteessä virtaviivat jakaantuvat ylä- ja alapinnalle Patopiste Erkki Haapanen

Paineen lajit • Staattinen paine – On vapaan ilman paine, jonka virtauksen mukana liikkuva paineanturi mittaa • Patopaine – On patopisteessä vallitseva paine • Kineettinen paine = ½ r V² – Ilman liike-energiaa kuvaava suure – Tärkeä suure aerodynamiikassa Erkki Haapanen

Bernoullin laki P 1 + ½ r V 1² = P 2 + ½ r V 2² • • Pitkin virtaputkea kineettisen ja staattisen paineen summa on vakio eli nopeuden kasvaessa staattinen paine pienenee Vastaa samaa kuin mekaniikassa korkeusja liike-energian summa on vakio. q = Kineettinen paine P = Staattinen paine Erkki Haapanen

Profiilin päämitat • Jänne = profiilin leveys • Paksuus = % jänteestä • Kaarevuus = % jänteestä Erkki Haapanen Tuulitaito Erkki Haapanen 24. 9. 2001 Slide 37

Profiilin muodon määrittävät Etureuna Alipainepuoli Jättöreuna Keskilinja Tuulitaito Erkki Haapanen 24. 9. 2001 Slide 38 Erkki Haapanen Profiilin pinta painepuoli, tuulen puoli

Profiilin osien nimityksiä Etureunanpyöristyssäde Paksuimman kohdan etäisyys etureunasta Jättöreunan paksuus Paksuus Maksimikaarevuuden etäisyys etureunasta Tuulitaito Erkki Haapanen 24. 9. 2001 Slide 39 Maksimi kaarevuus Erkki Haapanen

Paine- ja virtaus profiilin ympärillä L D Lähde: Risto Peltonen Erkki Haapanen

Virtaviivat optimiliitosuhteella Patovirtaviiva Vihreät raidat osoittavat virtauksen etenemän Erkki Haapanen

Profiilin asento virtauksessa Vapaan virtauksen suunta on tuulen ja pyörimisnopeuden vektorisumma Kohtauskulma • • • Profiilin asennon referenssi on jänteen asema ja kulma vapaan virtauksen suhteen Virtausreferenssinä on vapaan virtauksen suunta, jonka kanssa profiili muodostaa kohtauskulman a Voimat ja momentit keskitetään aerodynaamiseen keskiöön AC Nostovoima, L määritellään voimaksi, joka on kohtisuoraan vapaata virtausta vastaan Vastus, D on virtauksen suuntainen Momentti, M on positiivinen, kun virtaus pyrkii kasvattamaan kohtauskulmaa. Tavanomaisilla profiileilla on pyrkimys pienentää kohtauskulmaa, mistä syystä momentti on negatiivinen ja siksi momenttikerroin on negatiivinen. AC Jänne Erkki Haapanen

Profiilin tehtävä tuulivoimalassa • Muuttaa ilmavirran energia lapaan vaikuttaviksi voimiksi, joita ovat: – Nosto- ja vastusvoima sekä momentti • Bernoullin lakia noudattaen – staattisen ja kineettisen paineen summa on vakio – Eli nopeuden kasvu vähentää painetta ja päinvastoin • Syntyvät voimat pyörittävät potkuria ja pyörimisliike käyttää: – Generaattoria joko vaihteen välityksellä tai ilman – Pumppua tai muuta voimalaitetta Erkki Haapanen

Aerodynaamiset kertoimet • • Kertoimien avulla laskelmat ja koetulokset voidaan esittää yleispätevinä paljaina lukuina Kerroin muodostetaan käyttämällä apuna ominaismittoja kuten: – vapaan virtauksen nopeutta, m/s – siiven keskileveyttä tai pinta-alaa, m ja m² – kineettistä painetta, N/m² eli Pa • Ominaismitoilla kerrotaan tai jaetaan esitettävä suure siten, että laatu kumoutuu Erkki Haapanen

Kertoimien laskentakaavat L CL D CD M CM q c S r V Erkki Haapanen = nostovoima, N = nostovoimakerroin = vastusvoima, N = vastuskerroin = momentti, Nm = momenttikerroin = kineettinen paine, Pa = siiven leveys, m = siipipinta-ala, m² = ilman tiheys, kg/m² = vapaan ilman nopeus m/s

Nostovoiman synty • • Nostovoima syntyy siiven painaessa ilmaa alas päin Virtaus aiheuttaa siipeen paineen, joka riippuu Bernoullin lain mukaan virtausnopeudesta Siipeen vaikuttava paine ja kitkavoima aiheuttavat siihen nostovoiman ja vastuksen Samat voimat synnyttävät myös siipeä kiertävän momentin Vapaan virtauksen suunta Erkki Haapanen Alas taittunut virtaus

Sylinterin nostovoiman synty Kitkaton virtaus L=0 D=0 L=0 Kitkallinen virtaus D¹ 0 Sylinteri ei pyöri Kitkallinen virtaus Kitkaton virtaus Sylinteri pyörii Erkki Haapanen

NACA 2412 virtauksessa Alfa 10° L D • Virtaviivat kääntyvät ylös jo paljon ennen profiilia ja jatkavat vanavirtauksessa alaspäin • Nostovoiman suunta on kohtisuoraan vapaata virtausta vastaan • Vastuksen suunta on sama kuin vapaan virtauksen suunta • Voimaresultantti on nostovoiman ja vastuksen vektorisumma • Etureunan patopiste on tällä kohtauskulmalla jo selvästi etureunan alapuolella. Vertaa tätä sylinterikuvaan. Taempi patopiste on siirtynyt jättöreunaan ja pysyy siellä kunnes kohtauskulma on kasvanut liian suureksi, jolloin siipi sakkaa ja patopiste siirtyy jättöreunasta yläpinnalle ja virtaus irtoaa. Erkki Haapanen

NACA 2412 virtauksessa Alfa 15° L D • Siipi on osasakkaustilassa, jättöreunan yläpuolella on jo virtauksen irtoaminen. • Siiven takana on voimakasta pyörteilyä • Etumainen patopiste on selvästi siirtynyt taakse päin Erkki Haapanen tapahtunut osittainen

Nostovoiman suuruuteen vaikuttaa • Virtausnopeus • • • Kohtauskulma, a Ilman tiheys, r Profiilin muoto ja pinnanlaatu Lavan muoto ja kierto Ilman viskositeetti Erkki Haapanen

Profiilista ja sen merkityksestä • Profiilin ominaisuuksista riippuvat mm. – – • siiven käyttäytyminen erikoistilanteissa erityisesti sakkauskäyttäytyminen siiven kantokyky merkittävä osa siiven kokonaisvastuksesta Profiilin tärkeät ominaisuudet – Virtausnopeuden jakauma profiilin ympärillä – Painejakauma, joka on edellisen seuraus (Bernoulli) – Rajakerros Erkki Haapanen

Profiilin suunnittelu tai valinta • alkaa tehtävän kartoituksella. – kartoitetaan profiilin toiminnalle asetetut ääriolosuhteet – kustannuksiin vaikuttavat tekijät • kartoituksen perusteella valitaan suunnittelun toimintapiste – käytettävä Reynoldsin lukualue, joka riippuu pyörimisnopeudesta, keskipisteestä lasketusta etäisyydestä ja lavan leveydestä – halutuista ominaisuuksista kuten nostovoimakertoimesta jna. CL(a), CL_MAX, CL/CD jne – Toivottu nopeusjakauma profiilin ympärillä • Nopeusjakaumasta saadaan painejakauma • Suunnittelun tuloksena CL(a), CD(a) ja CM(a) Erkki Haapanen

Nopeusjakauma profiilin ympärillä Suuri nopeus Sirkulaatio Pieni nopeus • Virtausnopeus: – on suurempi profiilin kaarevalla yläpinnalla kuin alapinnalla – nopeuserosta käytetään nimitystä sirkulaatio Erkki Haapanen

Nopeusjakauma suunnittelupisteessä • Profiilin suunnittelu alkaa nopeusjakauman valinnasta laitteen toiminnan kannalta kes-keisimpien valinta -kriteerien perusteella. • Kun haluttu nopeusjakauma on valittu, etsitään laskemalla pinnanmuoto, joka synnyttää tavoitteeksi asetetun nopeusjakauman. Tämä vaatii raskasta matematiikkaa, mutta nykyaikaiset tietokoneet selviytyvät tehtävästä nopeasti. q = virtausnopeus pitkin pintaa rajakerroksen yläpuolella Vo = vapaan virtauksen nopeus Nopeusjakaumasta lasketaan myös Bernoullin lain avulla painejakauma, nostovoima ja vastus. Erkki Haapanen

Painejakauma • Paine-erot aiheuttavat: – Yläpinnalla alipaineen – Alapinnalla ylipaineen • • Erkki Haapanen Erotuksesta syntyy nostovoima CP = Painekerroin kuvaa painesuhdetta paikallisen ja vapaan ilman paineen välillä

Painejakauma vektorein esitettynä Tr a = 0° Tuulivoimalan optimaalinen painejakauma antaa hyvän liitosuhteen L/D, joka saavutetaan, kun painejakauma on tasainen ja transitiopiste, Tr mahdollisimman kaukana. Kuvassa on painejakauma kolmella eri kohtauskulmalla, a = 0°, 6° ja 10° Pinnasta ulospäin suuntautunut vektori (vihreä) on alipainetta ja pintaan osoittava vektori ylipainetta (Punainen) Tr Tr a = 6° Tr a = 10° Tr Erkki Haapanen

Nostovoimakerroin, CL Nostovoimakerroin riippuu kohtauskulmasta, a ja esitetään usein graafisesti CL(a)-käyränä Sakkaus alkaa Kuvassa on erään tuulivoimalaprofiilin CL(a)käyräparvi Re-luvun muuttuessa välillä 250 000. . . 4 000 Profiili on sileä, N = 9 Re-luku kasvattaa CLMAX-arvoa Erkki Haapanen CLMAX

Vastuskerroin, CD Vastuskerroin CD(a) esitetään myös kohtauskulman funktiona. Laminaariprofiileilla esiintyy ns. laminaarikuoppa, eli pienen vastuksen alue Vastus kasvaa voimakkaasti kohtauskulman kasvaessa yli 7°. Reynoldsin luvun kasvu pienentää vastuskerrointa Laminaarikuoppa Erkki Haapanen

Polaari • • • Polaarin vaaka-akselina on vastuskerroin ja pystyakselina nostovoimakerroin Polaari kuvaa erityisen hyvin profiilin tehokkuutta ja on erinomainen työkalu valittaessa parasta profiilia tuulivoimalaan Liitosuhde on CL / CD – – • Origosta polaarikäyrälle piirretty tangentti antaa parhaan liitosuhteen Kyseistä pistettä vastaava CL on profiilin lavan suunnittelussa käytettävä CL, mikäli Re -luku vastaa suunnittelutilannetta Polaarin avulla on helppo vertailla eri profiilien ominaisuuksia samalla Reynoldsin luvulla tai Reynoldsin luvun vaikutusta profiilin ominaisuuksiin. Erkki Haapanen

Rajakerros on profiilin pinnan välittömässä läheisyydessä oleva hyvin ohut kerros, jossa ilman nopeus on pienentynyt pinnan vaikutuksesta. Pinnan karheus ja muodon epäpuhtaudet lisäävät rajakerroksen paksuutta. Rajakerros laahautuu profiilin mukana ja tämä vaatii energiaa. Mitä paksumpi rajakerros sitä suurempi on energiahäviö eli vastus. Erkki Haapanen

Laminaarinen ja turbulenttinen rajakerros Laminaarivirtauksessa virtaviivat ovat ehjiä ja sileitä Suomalainen nimitys ”silovirtaus” on hyvin kuvaava Erkki Haapanen Turbulenttisessa virtauksessa virtaviivat ovat epämääräisiä ja katkeilevat ja eri virtauskerrokset sekoittuvat toisiinsa

Laminaarinen rajakerros • • Etureunasta alkaen virtaus on laminaarinen, kunnes saavutetaan kriittinen Re-luku Pinnan karheus ja aaltomaisuus lyhentävät laminaarista aluetta Laminaarisen rajakerroksen kitkavastus on paljon pienempi kuin turbulenttisen ja siksi sitä pyritään pidentämään mahdollisimman kauaksi etureunasta Laminaariprofiiliksi kutsutaan sellaista, jolla laminaarisuus säilyy pienillä kohtauskulmilla yli 45% jänteestä Erkki Haapanen

Miten säilytetään laminaarisuus? • • Pidetään profiilin alipainepuolen etureuna puhtaana ja tasaisena Jos niitataan, käytetään uppokantaniittejä etureunan alueella Korjataan painaumat ja vauriot tällä alueella Epätasaisuudet ja karheus etureunapyöristyksen alueella saattaa laskea nostovoimakerrointa jopa 10 % ja nostaa vastusta kymmeniä prosentteja Erkki Haapanen

Sakkauksen eteneminen Ylimmässä kuvassa virtaus on kiinni pinnassa. Siipi ei ole vielä sakannut. Keskimmäisessä kuvassa virtaus lavan yläpinnalla on osittain irronnut ja lapa on osasakkaustilassa. Alimmassa kuvassa sakkaus on jo edennyt lähelle etureunaa. Lapa on sakannut lähes täydellisesti. Nostovoima on laskenut selvästi ja vastus kasvanut voimakkaasti. Erkki Haapanen

Sakkausilmiö • Sakkaustilassa virtaus irtoaa lavan pinnasta – Irtoaminen alkaa useimmiten jättöreunasta ja etenee kohtauskulman kasvaessa kohti etureunaa. Mikäli eteneminen tapahtuu laajalla kohtauskulma-alueella ja on palautuva, sakkaus on rauhallinen. – Irtoaminen voi alkaa myös etureunasta, jolloin sakkaus saattaa olla hyvinkin raju • • Sakanneessa alueessa pintavirtauksen suunta on vastatuuleen ja erittäin pyörteinen Sakkaustilan hallittavuus riippuu lavan geometriasta ja profiilin muodosta, jotka vaikuttavat lavan sakkauskäyttäytymiseen Erkki Haapanen

Profiilin toimivuuden arviointi Painejakauman sekä rajakerroksen paksuuden ja nopeusjakauman avulla voidaan nähdä miten profiili toimii eri kohtauskulmilla. Kuvassa kohtauskulma on 12° ja profiili on osasakkaustilassa eli virtaus irtoaa noin puolessa välin profiilin yläpinnasta. Alapuolella oleva virtauksesta osa kääntyy jättöreunan ympäri ja virtaa yläpinnalla akanvirtana eteenpäin. Irronneessa virtauksessa on runsaasti pyörteitä. sakkauspiste Laminaarikuplan muodostus Erkki Haapanen Virtaus on irronnut Pinnassa akanvirta

Profiilin muodon vaikutus • Profiilin tärkeimmät vaikuttavat osatekijät – leveys, kaikkien mittojen referenssi – paksuus, vaikuttaa nostovoimakäyrän kaltevuuteen • mitä paksumpi profiili, sitä loivempi CL(a)-käyrä sekä juoheampi sakkauskäyttäytyminen – keskilinjan kaarevuuden lisääminen nostaa nostovoimakäyrää ja kasvattaa vääntömomenttia – S-kaarevuus lisää nostovoimaa ilman momentin lisää – maksimipaksuuden paikan siirtyessä kohti etureunaa profiilista tulee juohea sakkaaja, mutta kitkavastus kasvaa – etureunan pyöristyssäteen kasvu rauhoittaa sakkausta mutta lisää kitkavastusta Erkki Haapanen

Miksi erilaisia profiileja tarvitaan? ? ? • Tuulivoimalan profiililta edellytetään – Tyvessä: • rakennepaksuus jopa 30%, ja aivan tyvessä on liityttävä pyöreään putkeen • juoheata ja johdomukaista sakkauskäyttäytymistä • hyvää liitosuhdetta ja usein suurta CLmax(a)- arvoa – Kärjessä: • hyvää liitosuhdetta • hiljaista käyntiääntä • ominaisuuksien olisi säilyttävä myös, kun lapa kuluu ja likaantuu – Keskiosassa: • Kuten kärjessä, mutta lisäksi suurehkoa CLmax(a)- arvoa • Sakkaussäätöisessä lisäksi juoheata sakkauskäyttäytymistä Erkki Haapanen

Lavan kärjen muoto ja kärkipyörre Kärjen muoto vaikuttaa teholliseen halkaisijaan ja kärkihäviöihin sekä potkurista syntyvään käyntiääneen Erkki Haapanen

Hörner-kärki • Hörner-kärjen avulla siiven tehollinen pituus kasvaa • Indusoitu vastus pienee • On yksinkertainen rakentaa Erkki Haapanen

Kitkavastus • Kitkavastus syntyy rajakerroksessa, jossa – – • ilma tempautuu virtauksen mukaan tähän tarvittava voima on vastus Vastuksen suuruuteen vaikuttavat – – – ”märkäpinta-ala”, joka on ilmavirtauksen kanssa tekemisissä oleva pinta-ala virtausnopeus Reynoldsin luku • V = virtausnopeus • L = etäisyys etureunasta tarkastelupisteeseen • n = väliaineen (ilman) kinemaattinen viskositeetti pinnan karheus virtauksen luonne, laminaarinen tai turbulenttinen Erkki Haapanen

Suoran levyn kitkavastus Erkki Haapanen Lähde: Schaums outline Series, Theory and problems of Fluid Mechanics and Hydraulics

Pyörregeneraattorit Erkki Haapanen

Tuulivoimalan aerodynamiikkaa • Ideaali voimala = Betzin voimala – Betzin tehokaava ja sen perustelu • Prandtlin&Glauertin voimala (P&G) – P&G: n tehokaava ja sen perustelu Erkki Haapanen

Työntövoimakerroin FT = ½ ρ V² A CT FT = työntövoima, jolla potkurin kehään vaikuttava paine painaa potkurin akselia myötätuuleen CT-kerroin = työntövoimakerroin, joka määrittelee aksiaalisen voiman FT , jolla potkuri työntää mastoa taakse päin A = potkurin pyyhkäisypinta-ala Työntövoima, jolla potkuri painaa mastoa vaikuttaa mm. perustuksen mitoitusvaatimuksiin. Mitä suurempi voima sitä suurempi perustuslaatta tarvitaan, jotta voimala pysyisi pystyssä. Erkki Haapanen 4. 10. 2000 Slide 75 Erkki Haapanen

Aksiaalinen työntövoima torniin alle 800 k. W voimaloissa Erkki Haapanen 4. 10. 2000 Slide 76 Erkki Haapanen

Työntövoimakertoimet 1. 3 - 2. 0 MW voimaloille Erkki Haapanen 4. 10. 2000 Slide 77 Erkki Haapanen

Aksiaalinen työntövoima torniin 1. 3 - 2 MW voimaloissa Erkki Haapanen 4. 10. 2000 Slide 78 Erkki Haapanen

Tuulivoimalan vaikutus ilmavirtaan T = työntövoima Tuulivoimalan vaikutuksesta virtaus hidastuu ja virtaviivat leviävät laajemmalle alalle Virtausnopeus alkaa hidastua jo hieman ennen potkurin kehää. Hidastuminen jatkuu potkurin kehän jälkeenkin. Potkurikehä edustaa painesysäystä virtauksessa. Paine alkaa nousta jo hieman ennen potkuria. Potkurin kehän vaikutuksesta paine putoaa äkillisesti ja alkaa vähitellen nousta kohti vapaan ilman painetta. Erkki Haapanen 4. 10. 2000 Slide 79 Erkki Haapanen