Windturbine-aerodynamica

In windturbine-aerodynamica wordt de stroming bij en de krachten op een windturbine bestudeerd. Moderne windturbines hebben 2 of 3 smalle wieken of vleugels. Amerikaanse windmolens, met veel meer wieken, lijken meer geschikt om de kracht van de wind op te vangen maar schijn bedriegt: door de helft van de wieken er uit te knippen deden ze het juist beter, wat te verklaren is door de stroming en de windkrachten te berekenen.

Deze “Amerikaanse windmolen” in Friesland staat uit de wind gedraaid door middel van de windvaan.

Moderne windturbine in de Noordzee (Thornton Bank)

Betz limiet

De stromingsenergie wordt door een windmolen niet volledig omgezet in nuttig vermogen. De luchtstroom wordt bij de molen opgestuwd en stroomt er gedeeltelijk omheen. Als de molen weinig wind doorlaat kan ook weinig energie gewonnen worden. Te veel wind doorlaten is ook niet optimaal. Stel dat de windsnelheid vóór de molen v is en er achter av, met 0<a<1. Uit behoudswetten volgt dan dat van de energiestroom een deel

C_p = (1-a²)(1+a)/2

gewonnen kan worden. C_p is maximaal 16/27, dat is 59%, als a=1/3, de Wet van Betz. In het draaivlak van de molen is de windsnelheid 2v/3. Iets meer wind doorlaten is niet erg; voor a=1/2 is C_p=9/16, dat is 56%. De molen hoeft er dus niet "amerikaans" uit te zien.

Liftkracht

Beschouw nu van een turbinevleugel met lengte R een stuk ter lengte dr op afstand r van de turbineas; 0<r<R. De breedte van de vleugel, de koorde k is een functie van r. De hoeksnelheid van de vleugel is ω rad/s (1 radiaal=180/π graden, het toerental is 30ω/π omwentelingen per minuut). De luchtstroom langs het stuk heeft een snelheid ωr in het draaivlak en 2v/3 loodrecht daarop. Het vleugelstuk ondervindt een liftkracht afhankelijk van de hoek die het maakt met het draaivlak. Bij een bepaalde hoek β is de lift 0; als de hoek nog α groter is is de liftkracht

dK = παρω²r²kdr newton

volgens de theorie van dun vleugelprofiel. ρ is de soortelijke massa van lucht. De lifthoek α heeft een optimale waarde bij 0,2-0,3 rad, voor grotere waarden neemt de lift sterk af (overtrek).

Vleugelvorm

Liftkracht op vleugel

De kracht dK heeft een component dK(2v/3ωr) in de draairichting. Deze aandrijvende kracht vermenigvuldigd met de draaisnelheid ωr levert een vermogen dP=(2v/3)dK watt. Dit vermogen dP, vermenigvuldigd met het aantal vleugels N, moet gelijk zijn aan het vermogensverlies van de windstroom door een ringvormig oppervlak 2πrdr dat door het draaiende stuk beschreven wordt:

NdP = (2/3)Nvπαρω²r²kdr = (16/27)(1/2)ρv³2πrdr

dus

Nk = 8v² / 9αω²r

De formules voor de koorde k en de torsiehoek β

β+α = 2v / 3ωr

als functie van de straal r bepalen de vleugelvorm. In de berekening is verondersteld dat de vleugeltipsnelheid veel groter is dan de windsnelheid, dus λ = ωR/v >> 1. Dan is Nk << 2πr voor de vleugel behalve dichtbij de as. Daar worden de de koorde en de torsiehoek kleiner gemaakt dan de formule aangeeft. Met een paar smalle vleugels en een hoge tipsnelheid, bv. λ=8, kan dus de kracht van de wind optimaal benut worden.

Overtrek

Als de windsnelheid verandert moet het toerental meegaan zodat v/ω gelijk blijft. Dan verandert er niets in bovenstaande theorie. In de praktijk kan dat niet steeds. Variabel toerental combineert niet makkelijk met de vaste 50 Hz frequentie van de opgewekte elektriciteit. In elk geval moet het toerental bij een bepaalde windsnelheid v_g begrensd worden zodat de turbine niet op hol slaat.

De klassieke Deense windturbine, rond 1980, had een constant toerental omdat die via een versnellingsbak met vaste toerentalverhouding een synchrone draaistroommotor aandreef, direct netgekoppeld. Dat was aerodynamisch niet optimaal. Moderne windturbines hebben wel een variabel toerental voor v<v_g. Bij de Deense turbine werd het vermogen bij hoge windsnelheid v>v_g begrensd door overtrek. Dit is een eenvoudig en betrouwbaar middel tegen overbelasting dat nog steeds toegepast wordt in minder geavanceerde windturbines. Zie ook Windturbinevermogen.

Bronnen, noten en/of referenties

Bronnen, noten en/of referenties