Tuulivoimatekniikka Erkki Haapanen Versio

Esitys aiheesta: "Tuulivoimatekniikka Erkki Haapanen Versio"— Esityksen transkriptio:

1 Tuulivoimatekniikka Erkki Haapanen Versio 1.02 20.05.2004

2 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

3 TUULIVOIMALAN KOKO Tuulivoimalan kokoa voidaan kuvata Koon merkitys
nimellisteholla pyyhkäisypintaalalla tai potkurin halkaisijalla vuosituotolla napakorkeudella painolla Koon merkitys tuotto on suoraan verrannollinen pyyhkäisypintaalaan tuotto paranee napakorkeuden kasvaessa Tuulivoimalan koon kasvu vv nimellisteho vuosituotto pyyhkäisypintaala korkeus paino Nimellisteho on tuulivoimalalle määritelty suurin teho Vaakaakselisen tuulivoimala: Pyyhkäisypintaala on potkurin kärjen piirtämän ympyrän pintaala Napakorkeus on potkurin akselin korkeus maan pinnasta Pystyroottorin (Windside, Savonius, Dareius jne): Pyyhkäisypintaala on pyörivän roottorin suurin tuulta vastaan kohtisuora pintaala Napakorkeus on roottorin pyyhkäisypintaalan keskipisteen korkeus maan pinnasta Voimalan vuosituotto on voimalan vuodessa tuottama energia. Yksikkönä käytetään esim. kWh/a, MWh/a tai GWh/a Voimalan kokonaispaino voidaan jakaa edelleen Koneiston ja potkurin paino Maston tai tornin paino Perustusten paino Erkki Haapanen

4 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

5 Tuulivoimalan koon kasvu
Tuulivoimaloiden koko on kasvanut moninkertaiseksi viimeisen 20 vuoden aikana. Kun vuonna 1981 tuulivoimalan potkurin halkaisina oli 15 m, se on kasvanut vuoteen 2004 mennessä 6,7 kertaiseksi. Tornin korkeuttakin on kasvatettu 22 metristä sataan meteriin. Teho on kasvanut 55 kilowatista 3000 kilowattiin. Koska hyötysuhde on kasvanut parantuneen aerodynamiikan ansiosta ja tuulisuus parantunut korkeamman tornin ansiosta, vuosituotto on liki sata kertaistunut tänä aikana. Erkki Haapanen

6 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 Sähköenergian tuotanto Sähkömoottori tuottaa energiaa sitä paremmin mitä nopeammin se pyörii. Tästä syystä sähköntuotannossa käytetään yleisimmin kolmilapaista vaakaakselista etutuulipotkuria, jonka pyörimisnopeus on yleensä valittu niin suureksi kuin se on mahdollista. Pyörimisnopeutta rajoittavina tekijöinä ovat mm. kärkinopeus, melu jne. Mitä nopeammin potkuri pyörii sitä kapeampi se voi olla. Näiden voimaloiden lavat ovatkin tästä syystä hyvin pitkiä ja hoikkia. Akkujen lataus Tuulella pyöritetään yleensä pienehköä sähkögeneraattoria, jonka tuottama virta tarvittaessa tasasuunnataan ja syötetään akkuun Veden pumppaus alavilta pelloilta ja marskimailta Tässä tarkoituksessa veden nostokorkeus on hyvin alhainen mutta virtausmäärä voi vaihdella suurestikin. Tyypillisiä tähän tarkoitukseen käytettyjä voimaloita ovat Hollannista tutut nelilapaiset tuulimyllyt. Talous ja käyttöveden pumppaus Veden pumppauksessa tarvitaan yleensä suurta vääntömomenttia, joka saavutetaan, kun potkurin tai roottorin lavan pintaala on suuri. Pyörimisnopeuden ei tarvitse nousta kovin korkeaksi. Tyypillisiä pumppaukseen käytettyjä voimaloita ovat ns, VillinLännen tuulimyllyt, joissa potkurin lavat peittävät lähes koko kehän. Lapojen lukumäärä suuri. Kastelujärjestelmät Alavilla mailla voidaan käyttää tuulivoimaloita peltojen ja puutarhojen kasteluun. Vesi nostetaan käyttökorkeuteen tuulivoimalalla. Viljan jauhaminen Vuosisatojen ajan on viljaa jauhettu tuulimyllyillä. Syksy on ollut useilla paikkakunnilla perinteisesti tuulista aikaa, joten tuulimylly on toiminut juuri oikeaan aikaan vuodesta. Lankkujen sahaus Tähän on käytetty samankaltaisia myllyjä kuin viljan jauhannassa. . Erkki Haapanen

7 Rakennetyypin mukainen luokitus
Vaaka-akseliset etutuulipotkuri takatuulipotkuri Pystyakseliset Savonius Darreius Kuppiroottori Vaakaakselisen voimalan potkuri on käännettävä kohti tuulta, jotta voimala toimisi. Tuuleen suuntaus tapahtuu joko moottorikäyttösesti tai käyttämällä pyrstöä tai poikittaista kääntöpotkuria, joka toimii tuulen tullessa sivusta. Vaakaakselinen etutuulipotkuri: Potkurin akseli on lähes vaakatasossa ja potkuri on mastosta katsottuna tuulen puolella. Tämä on yleisin käytetty tyyppi. Vaakaakselinen takatuulipotkuri: Potkurin akseli on lähes vaakatasossa ja potkuri on mastosta katsottuna tuulen alapuolella. Tämä tyyppi oli varsin yleinen, koska potkuria tuuleen kääntävä suuntauskoneisto tai peräsin voitiin jättää pois, kun lavat toimivat tuuliviirin tavoin ja ohjasivat voimalan aina oikeaan suuntaan. Tyyppi menetti vähitellen suosionsa, koska maston taakse syntyvät pyörteet aiheuttivat ongelmia osuessaa potkuriin. Ongelmista mainittakoon melu ja tärinä. Pystyakselinen voimala toimii samalla lailla kaikilla tuulen suunnilla eikä se tarvitse erillistä tuuleen suuntausta. Erkki Haapanen

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

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

10 Lapaluvun mukainen luokitus
Monilapaiset (6 tai useampi) Käyttö kaivopumppuina Nelilapainen Viljan jauhaminen Kolme yksi lapaa 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. Voimalan lapaluku määräytyy ensi sijaisesti kärkinopeussuhteen kautta. Kärkinopeussuhde yhdessä lavan nostovoimakertoimen kanssa määrittelevät lapojen yhteen lasketun leveyden suhteen koko pyörähdyspinta-alaan eli pyyhäisypintaalaan. Hitaasti pyörivässä voimalassa lapojen yhteinen leveys on suuri ja nopeasti pyörivässä pieni. Esimerkiksi kaivomyllyssä suhde saattaa olla jopa yksi eli koko pyörähdyspinta-ala täytetään siivistöllä. Mielekäs määrä lapoja voisi tällöin olla esimerkiksi 9, 12, 16 jne. Nopeilla potkureilla, joita käytetään erityisesti sähkön tuotannossa saadaan lapojen täyttösuhteeksi vain muutamia prosentteja pyörähdyspinta-alasta. Tällöin voitaisiin käyttää periaatteessa vain yhtä lapaa, mutta edullisin kokonaisratkaisu on kuitenkin kolme lapaa. Erkki Haapanen

11 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

12 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

13 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 WS-turbiinin 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

14 Potkurikäyttöiset tuulivoimalat
Potkurikäyttöistä voimalaa kutsutaan myös vaaka-akseli-tyypiksi. Potkurin merkittävin etu on, että se peittää omaan pinta-alaansa 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

15 Darreius-turbiini 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 Savonius-turbiinia, joka on kytketty samalle akselille. Turbiinin etuna on suuri pyörimisnopeus, joka helpottaa generaattori-vaihteiston 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 Pelle 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

16 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. Sakkausrajoitus: Tuulivoimalan pyörimisnopeus pidetään vakiona. Tuulen nopeuden kasvaessa lapa sakkaa, mikä rajoittaa suurinta tehoa. Tuulesta pois käännnössä aiheutetaan myös lavan sakkaus: Toimii sekä kiinteällä että muuttuvalla pyörimisnopeudella. Tuulivoimalan potkuri käännetään pois tuulesta, kun tuulen nopeus kasvaa voimakkaaksi. Tuulen voima painaa potkuria sitä enemmän, mitä kovempaa tuulee. Jos koneisto on laakeroitu siten, että tämä voima saa koneiston kallistumaan taakse päin, potkurin lapa tulee epäedulliseen asemaan tuulen suhteen ja generaattoria pyörittävä momentti pienenee. Kääntö voidaan tehdä myös tuulesta sivuun. Jousilla ja nivelöinnin paikalla säädetään kuinka aikaisin tehon rajoitus alkaa. Tehon säätötapa: Aktiivinen sakkaussäätö Tuulivoimalan pyörimisnopeus pidetään vakiona . Sakkauksen alkamista voidaan ohjata kääntämällä lapakulmaa tuulesta pois sitä enemmän mitä kovemmin tuulee. Tämän järjestelmän avulla voidaan säätää tehokäyrän muotoa sakkauttamalla lapa halutulla hetkellä. Lapakulmansäätö Tehon optimointi sekä rajoitus tehdään kääntämällä lapakulma tilannetta vastaavaksi. Tämä on aerodynaamisesti oikein tapa ohjata ja säätää tehoa. Vaatii kehittyneen ohjausjärjestelmän toimiakseen. Toimii sekä kiinteällä että muuttuvalla pyörimisnopeudella. Muuttuva pyörimisnopeus Tämän käyttö yleistyy yhdessä lapakulmasäädön kanssa kovaa vauhtia, koska tällä tavalla saavutetaan paras hyötysuhde. Tuulivoimalan paras hyötysuhde saavutetaan tietyllä kärkinopeussuhteella, joka riippuu voimalan rakenteesta. Käytettäessä muuttuvaa pyörimisnopeutta voidaan toimia parhaalla hyötysuhteella koko tehokäyrän nousevalla osalla, jolla voimala toimii suurimman osan ajasta. 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. Tuulesta pois kääntö Voimala pysäytetään kääntämällä potkurin kehä kokonaan pois tuulesta. Lapakulmasäädöllä, lepuutus Lapakulman kääntöä kohti tuulta jatketaan, kunnes lavan etureuna on suoraan kohti tuulta ja voimala pysähtyy. Erkki Haapanen

17 Lapakulmasäädön toiminta
Lapakulmansäätö Lapakulmasäädön toiminta Lapakulmasäädetyssä voimalassa lavan etureuna on kohti tuulta,kun lapa on lepuutettuna eli pysäytetyssä asennossa. Lepuutusasennossa lapakulma on 90°. Käynnistyessä lapa käännetään 45° kulmaan, kunnes potkuri pyörii kunnolla. Tämän jälkeen käännetään lapaa edelleen pienemmälle kulmalle. Jos tuuli on kyvin kevyt, niin paras kulma on noin – 3°. Tuulen voimistuessa kulmaa muutetaan positiiviseen suuntaan ja ennen myrskyrajaa kulma on noin 25°. Jos potkuri halutaan pysäyttää jatketaan kulman kasvattamista eli käännetään potkuria lisää kohti tuulta muutaman asteen, jolloin noin 30° kohdalla ei enää synny nostovoimaa ja voimala hidastuu jatkettaessa lapakulman kääntämistä edelleen kohti lepuutusasentoa, voimala pysähtyy kokonaan. Hätäpysäytyksessä lapakulma käännetään hyvin nopeasti lepuutusasentoon, jolloin potkuri pysähtyy kuin seinään. Erkki Haapanen

18 Aktiivisakkauksen toiminta
Aktiivisakkaus Aktiivisakkauksen toiminta Lepuutus jättöreuna kohti tuulta Aktiivisakkaavan voimalan lepuutusasento on täysin päinvastainen kuin lapakulmasäädettävän sillä tuulta kohti onkin lavan jättöreuna. Käynnistettäessä on ensin käännettävä potkuri normaaliin käyntiasentoon. Alle nimellistuulen nopeuden aktiivisakkaavan voimalan lapakulman säätölogiikka voi periaatteessa olla samanlainen kuin lapakulmasäädetyn, mutta viimeistään nimellisteholla suunta muuttuu päinvastaiseksi. Kun lapakulmasäädössä käännetään potkurin etureunaa kohti tuultä, sakkaussäädettävässä kääntösuunta on poispäin tuulesta eli kohtauskulmaa lisätään, kunnes saavutetaan haluttu sakkausteho. Kun kääntämistä edelleen lisätään voidaan voimala pysäyttää samalla lailla kuin lapakulmasäädöllä. Lepuutusta varten kääntöä on kuitenkin jatkettava kunnes jättöreuna on täydellisesti tuulta päin. Erkki Haapanen

19 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

20 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

21 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

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

23 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 = Teho [W] ρ = Ilman tiheys [kg/m3] v = 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

24 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 ole olemassa edes teoriassa tällaista mekanismia, joka toteuttaisi tämän ehdon. Kärkinopeussuhde ei vaikuta ideaalivoimalan tehokertoimeen Erkki Haapanen

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

26 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

27 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

28 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 V47) ja kaksi sakkausrajoitetun voimalan tehokäyrää (Bonus ja NEG-Micon) Tehokäyrä on yksi keskeisimpiä voimaloiden vertailussa käytettyjä instrumentteja. Tehokäyrä ei yksin kuitenkaan kerro koko totuutta. Lisäksi tarvitaan sijoituspaikan tuulisuustiedot, jotta pystytään määrittelemään vuodessa saatavilla oleva energia. Vuosituotto olisi taloudellisesti merkittävin vertailuperuste, mutta sen arviointi on hyvin työlästä ja edellyttää yleensä laajoja laskelmia. Erkki Haapanen

29 Kiinteä- ja muuttuvanopeuksisen voimalan tehokäyrä
Kiinteällä pyörimisnopeudella toimivat NEG-Micon /72 (2000 kW) Nordex N80 (1300kW) Bonus 1.3 MW Muuttuvalla pyörimisnopeudella toimii Vestas V80-2MW Erkki Haapanen

30 Ilman tiheyden vaikutus tehokäyrään
Vasemmassa kuvassa nähdään ilman tiheyden vaikutus lapakulmasäätöisen voimalan tehokäyrään. Maksimitehon rajoitus toimii lapakulman avulla ja on siksi tasainen. Oikeassa kuvassa on lapakulmasäädetyn voimalan tehokäyrä. Koska lapakulma on kiinteä, ilman tiheyden muutokset vaikuttavat koko tehokäyrän alueella. Koneistolle asetetut vaatimukset riippuvat maksimitehosta, vaikka se esiintyisi harvoinkin. 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

31 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 kW:iin 6° käyrä antaa parhaaksi tehoksi 1600 kW noin 18m/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. Lapakulman säädöllä on mahdollista hake kulloistakin tuulen nopeutta vastaava tehoasetus. Kuvasta näkyy, että lapakulmaa on säädettävä koko ajan, mikäli halutaan optimaalinen teho. Erkki Haapanen Erkki Haapanen Slide 31

32 Tuulivoimalan työntövoiman kaava
Työntövoima kohdistuu tuulivoimalan akseliin ja painaa sitä taakse päin. Erkki Haapanen

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

34 Virtaviivat Patopiste
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

35 Paineen lajit Staattinen paine Patopaine Kineettinen paine = ½ r V²
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

36 P1 + ½ r V1² = P2 + ½ r V2² Bernoullin laki q = Kineettinen paine
Pitkin virtaputkea kineettisen ja staattisen paineen summa on vakio eli nopeuden kasvaessa staattinen paine pienenee Vastaa samaa kuin mekaniikassa korkeus- ja liike-energian summa on vakio. q = Kineettinen paine P = Staattinen paine Erkki Haapanen

37 Profiilin päämitat Jänne = profiilin leveys Paksuus = % jänteestä
Kaarevuus = % jänteestä Profiiliksi kutsutaan siiven tai tuulivoimalan potkurin poikkileikkauksen muotoa. Profiilin leveyttä kutsutaan jänteeksi. Kaikki profiilin mitat suhteutetaan jänteeseen ja ilmoitetaan joko prosenttina jänteestä tai jänteen osina. Tuulivoimalan potkuri on yleensä tyvestä leveä ja paksu mutta kärjestä kapea ja ohut. Keskijänne on lavan keskimääräinen leveys. Tuulitaito Erkki Haapanen Slide 37 Erkki Haapanen

38 Profiilin muodon määrittävät
Etureuna Alipainepuoli Jättöreuna Profiilin etureuna on yleensä pyöreä ja jättöreuna terävästi kapeneva. Profiilin keskilinja on kaareva, kun profiilille halutaan paljon nostovoimaa. Profiilin pinta painepuoli, tuulen puoli Keskilinja Tuulitaito Erkki Haapanen Slide 38 Erkki Haapanen

39 Profiilin osien nimityksiä
Paksuimman kohdan etäisyys etureunasta Jättöreunan paksuus Etureunan- pyöristyssäde Paksuus Kuvassa on osoitettu profiilin eri osien nimityksiä vastaavat mitat tai asemat. Maksimikaarevuuden etäisyys etureunasta Maksimi kaarevuus Tuulitaito Erkki Haapanen Slide 39 Erkki Haapanen

40 Paine- ja virtaus profiilin ympärillä
D Kuvassa on esitetty virtaviivat ja painejakauma kahdelle profiilille. Virtausta vastaan kohtisuoraan syntyy nostovoima, L ja virtauksen suuntaan vaikuttaa vastus, D. Cp osoittaa suhteellisen paineen verrattuna vapaan ilman paineeseen profiilin ympärillä. Punainen väri on vahvasti ylipaineen puolella ja sininen alipainetta. Ylemmässä kuvassa nostovoima on hyvin heikko, kun alemmassa on selvästi nostovoimaa. Alemman kuva virtaviivat osoittavat, miten virtaus kaartuu profiilin painamana alaspäin silloin, kun syntyy nostovoimaa. Painejakaumasta nähdään, että profiilin yläpinnalla on lähes vakio alipaine, mutta etu- ja jättöreunan alla on ylipainetta. Lähde: Risto Peltonen. A numerical method for anaysis and desgn of airfoils in subsonic flow. TKK Sarja-A Report A-20 Lähde: Risto Peltonen Erkki Haapanen

41 Virtaviivat optimiliitosuhteella
Patovirtaviiva Tässä kuvassa on osoitettu virtaviivat sekä virtauksen eteneminen. Värilliset raidat edustavat ilmapartikkeleiden sijaintia virtauksen liikkuessa siiven ohi. Punainen pystyviiva vasemmalla merkkaa ylä- ja alapuolelta vastaavat pisteet ennen siipeä. Virtauksen edettyä siiven taakse yläpuolinen ilma on edennyt paljon kauemmaksi kuin alapuolinen. Numerot ylä- ja alapuolella osoittavat raidan kulloistakin sijaintia. Kuvasta nähdään, miten yläpuolella olevat raidat venyvät eli ilma liikkuu nopeammin yläpuolella kuin alapuolella. Bernoullin lain mukaisesti tämä nopeusero saa aikaan nostovoiman. Aerodynamiikkaan liittyvässä matematiikassa tätä nopeuseroa kutsutaan sirkulaatioksi. Vihreät raidat osoittavat virtauksen etenemän Erkki Haapanen

42 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

43 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

44 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

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

46 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 Alas taittunut virtaus Erkki Haapanen

47 Sylinterin nostovoiman synty
Kitkallinen virtaus L = 0 D ¹ 0 L = 0 D = 0 Kitkaton virtaus Sylinteri ei pyöri Kuvissa tarkastellaan virtausta sylinterin ympärillä. Molempien kuvien yläosassa näkyvät virtaviivat, jotka osoittavat virtauksen kulkua sylinterin ympärillä. Kuvien vasemmalla puolella on kitkaton virtaus ja oikealla puolella kitkallinen. Ylemmässä kuvassa sylinteri ei pyöri mutta alemmassa kuvassa se pyörii myötäpäivään eli päinvastoin kuin ajoneuvon pyörä pyörisi, jos se liikkuisi tuulta vastaan. Kummankin kuvan alaosassa on esitetty sylinteriin vaikuttava painejakauma sekä syntyvät voimat. Pyörimättömään sylinteriin kitkaton virtaus ei synnytä nostovoimaa eikä vastusta. Painejakauma on symmetrinen. kitkallinen virtaus synnyttää vastusta mutta ei nostovoimaa. Painejakauma on symmetrinen vaaka-akselin suhteen mutta pystyakselin suhteen sylinterin patopisteen puolella on ylipaine ja jättöreunan puolella alipaine, josta paine-erosta syntyy vastus. Pyörivällä sylinterillä Kitkaton virtaus synnyttää nostovoimaa mutta ei vastusta. Painejakauma on symmetrinen pystyakselin suhteen, mutta ei vaaka-akselin suhteen. Pyörivän sylinterin patopiste siirtyy alapuolelle sitä enemmän, mitä nopeammin sylinteri pyörii. Tätä pyörimistä, joka on ylä- ja alapinnan virtausnopeuksien välinen ero kutsutaan sirkulaatioksi. Kitkallinen virtaus synnyttää sekä nostovoimaa että vastusta. Kitkallinen virtaus Kitkaton virtaus Sylinteri pyörii Erkki Haapanen

48 NACA 2412 virtauksessa Alfa 10°
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

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

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

51 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

52 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

53 Nopeusjakauma profiilin ympärillä
Suuri nopeus Kuvassa on esitetty virtausnopeuden jakauma profiilin ympärillä. Kuvan pystyakseli osoittaa paikallisen nopeuden suhdetta vapaan virtauksen nopeuteen. Vapaassa virtauksessa suhde = 1. Yläpinnalla, jossa on suurempi nopeus, suhde on suurempi kuin yksi. Patopisteessä nopeus on nolla. Sirkulaation voimakkuus on ylä- ja alapinnan välinen nopeusero. Sirkulaation suunta on piirretty paksulla punaisella nuolell kuvaan. Sirkulaatio Pieni nopeus Virtausnopeus: on suurempi profiilin kaarevalla yläpinnalla kuin alapinnalla nopeuserosta käytetään nimitystä sirkulaatio Erkki Haapanen

54 Nopeusjakauma suunnittelupisteessä
Profiilin suunnittelu alkaa nopeusjakauman valinnasta laitteen toi-minnan kannalta kes-keisimpien valinta-kriteerien perusteella. Kun haluttu nopeusjakauma on valittu, etsitään laskemalla pinnanmuoto, joka synnyttää tavoitteeksi asetetun nopeus-jakauman. 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

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

56 Painejakauma vektorein esitettynä
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 a = 0° Tr Tr a = 10° a = 6° Tr Tr Erkki Haapanen

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

58 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

59 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

60 Rajakerros 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

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

62 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

63 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

64 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

65 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

66 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. sakkaus- piste Laminaari- kuplan muodostus Virtaus on irronnut Erkki Haapanen Pinnassa akanvirta

67 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

68 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

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

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

71 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

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

73 Pyörregeneraattorit Erkki Haapanen
Pyörregeneraattorin (Vortex-generaattori) avulla muutetaan profiilin nostovoimakerrointa. Sen avulla saadaan virtaus pysymään paremmin kiinni siivessä. Vortex-generaattori voi olla noin pari senttiä korkeita kulmaprofiilin paloja, jotka on asennettu lavan yläpinnalle auramaisesti, vuoroin vasemmalle ja oikealle vinoon. Ne saavat aikaan paikallisen pyörteen, kaksi vierekkäistä keskenään vastakkaisen. Pyörteet lisäävät ilmavirran nopeutta lavan pinnassa ja estävät virtauksen irtoamisen. Myöhemmin virtauksessa molemmat pyörteet kohtaavat toisensa ja erikätisinä ne kumoavat toisensa eli summa on nolla. Pyörregeneraattorin avulla voidaan parantaa esimerkiksi sakkausrajoitetun potkurin ominaisuuksia ja saada sakkausrajoitus toimimaan halutulla teholla. Erkki Haapanen

74 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

75 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 Erkki Haapanen Slide 75

76 Aksiaalinen työntövoima torniin alle 800 kW voimaloissa
CT-kertoimien avulla saadaan lasketuksi torniin vaikuttava työntövoima. Kuviosta näkyy selvästi, miten lapakulmasäätö helpottaa kuormitusta, koska lavat kääntyvät sitä enemmän tuulen suuntaisiksi, mitä enemmän tuulee. Tällöin lavan nostovoima suuntautuu siten, että se auttaa akselin pyörittämistä ja pienempikin nostovoima riittää antamaan tarvittavan akselimomentin. Tämä on omiaan vähentämään rakenteisiin kohdistuvia kuormituksia. Erkki Haapanen Erkki Haapanen Slide 76

77 Työntövoimakertoimet 1.3 - 2.0 MW voimaloille
Edellisten voimaloiden työntövoimakertoimet. Erityisesti on pantava merkille Vestas V MW voimalan vakio CT-kerroin kunnes nimellistuulen nopeus on saavutettu ja sen jälkeinen voimakas lasku. Erkki Haapanen Erkki Haapanen Slide 77

78 Aksiaalinen työntövoima torniin 1.3 - 2 MW voimaloissa
V80-2MW voimalan CT-kertoimen nopea lasku nimellistuulta suuremmilla nopeuksilla säästää koneistoa ja tornia. Erkki Haapanen Erkki Haapanen Slide 78

79 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. Tuulivoimalan potkuri hidastaa virtausta, joka laajenee potkurin takana. Virtauksen hidastuminen tapahtuu vähitellen päinvastoin kuin paineen nousu, joka tapahtuu potkuritasossa hyppäyksen omaisesti. Keskimmäinen kuva osoittaa nopeuden laskua ja alempi painesysäystä. Erkki Haapanen Erkki Haapanen Slide 79