Tuulivoimatekniikka

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

3
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

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

5
Tuulivoimalan koon kasvu
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

7
Rakennetyypin mukainen luokitus

• Vaaka-akseliset
• etutuulipotkuri
• takatuulipotkuri
• Pystyakseliset
• Savonius
• Darreius
• Kuppiroottori

8
Pystyroottoreita
Savoniusroottori Käyttö Veden pumppaus Lähde
Gourièré, D. Wind Power Plants, Theory and
Design Pergamon Press GmbH, Frankfurt 1982
Persialainen viljamylly Käytetty n. 600 - 900
luvuilla viljan jauhamieseen Lähde Robert
Gasch. Windkraftanlagen, B.G. Teubner, Stuttgart
Windside-roottori Käyttö Akkujen lataus Lähde
Valmistajan esite
Darreiusroottori Käyttö sähkön tuotanto LähdeRobe
rt Gasch. Windkraftanlagen, B.G. Teubner,
Stuttgart
9
Vaaka-akselisia tuulivoimaloita
Oasis 3 Valmistaja WindTech, USA Käyttö Veden
pumppaus
Viljan jauhannassa käytetty myllytyyppi
Akkujen latauksessa käytettävä pienvoimala
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.

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)

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.

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 Oyn 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..

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 tuuliviiriperiaattee
  seen 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

15
Darreius-turbiini

• 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.

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.

17
Lapakulmasäädön toiminta
Lapakulmansäätö
18
Aktiivisakkauksen toiminta
Aktiivisakkaus
Lepuutus jättöreuna kohti tuulta
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.

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.

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

22
TUULIVOIMALAN SUORITUSARVOT

• Tuulivoimalan tehon kaava
• Ihanteellinen tuulivoimala
• Tehokertoimen riippuvuus kärkinopeussuhteesta , L
• Tehokertoimen merkitys
• Tehokäyrä
• Tunnusluvut

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
• ? 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

24
Ihanteellinen tuulivoimala

• Ihanteellinen tuulivoimala hidastaa tuulen
  nopeuden kahteen kolmasosaan sen vapaasta
  nopeudesta
• Tehokerroin on tällöin CP 16/27 0,593, jota
  kutsutaan myös Betzin 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

25
Tehokertoimen riippuvuus kärkinopeussuhteesta , L
Tehokertoimen avulla voidaan verrata erilaisten
voimaloiden hyötysuhdetta
26
PrandtlinGlauertin tehokerroin

• Edellisessä kuvassa Glauert esittää ns.
  PrandtlinGlauertin tehokerrointa, joka
• Huomioi virtauksen kiertymisen potkurin
  vaikutuksesta, mikä vastaa paremmin todellisuutta
  kuin Betzin tehokerroin.
• PGn tehokerroin paranee kärkinopeussuhteen
  kasvaessa ja lähestyy Betzin tehokerrointa, kun
  kärkinopeussuhde kasvaa hyvin suureksi
• Todellisten voimaloiden vertailu tapahtuu
  parhaiten vertaamalla niiden tehokerrointa
  PrandtlinGlauertin tehokertoimeen, joka on paras
  teoreettisesti saavutettavissa oleva tehokerroin.

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

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)
29
Kiinteä- ja muuttuvanopeuksisen voimalan tehokäyrä

• Kiinteällä pyörimisnopeudella toimivat
• NEG-Micon 2000-500/72 (2000 kW)
• Nordex N80 (1300kW)
• Bonus 1.3 MW
• Muuttuvalla pyörimisnopeudella toimii
• Vestas V80-2MW

30
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.
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 kWiin
• 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.

Erkki Haapanen 4.10.2000 Slide 31
32
Tuulivoimalan työntövoiman kaava
33
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

34
Virtaviivat

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

Patopiste
35
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

36
Bernoullin laki
P1 ½ r V1² P2 ½ r V2²

• 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
37
Profiilin päämitat

• Jänne profiilin leveys
• Paksuus jänteestä
• Kaarevuus jänteestä

Tuulitaito Erkki Haapanen 24.9 .2001Slide 37
38
Profiilin muodon määrittävät
Etureuna
Jättöreuna
Alipainepuoli
Profiilin pinta painepuoli, tuulen puoli
Keskilinja
Tuulitaito Erkki Haapanen 24.9.2001Slide 38
39
Profiilin osien nimityksiä
Paksuimman kohdan etäisyys etureunasta
Jättöreunan paksuus
Etureunan- pyöristyssäde
Paksuus
Maksimikaarevuuden etäisyys etureunasta
Maksimi kaarevuus
Tuulitaito Erkki Haapanen 24.9.2001Slide 39
40
Paine- ja virtaus profiilin ympärillä
L
D
Lähde Risto Peltonen
41
Virtaviivat optimiliitosuhteella
Patovirtaviiva
Vihreät raidat osoittavat virtauksen etenemän
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
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

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

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
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
47
Sylinterin nostovoiman synty
Kitkallinen virtaus
L 0 D ¹ 0
L 0 D 0
Kitkaton virtaus
Sylinteri ei pyöri
Kitkallinen virtaus
Kitkaton virtaus
Sylinteri pyörii
48
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.

49
NACA 2412 virtauksessa Alfa 15
L
D

• Siipi on osasakkaustilassa, jättöreunan
  yläpuolella on jo tapahtunut osittainen
  virtauksen irtoaminen.
• Siiven takana on voimakasta pyörteilyä
• Etumainen patopiste on selvästi siirtynyt taakse
  päin

50
Nostovoiman suuruuteen vaikuttaa

• Virtausnopeus
• Kohtauskulma, a
• Ilman tiheys, r
• Profiilin muoto ja pinnanlaatu
• Lavan muoto ja kierto
• Ilman viskositeetti

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

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)

53
Nopeusjakauma profiilin ympärillä
Suuri nopeus
Sirkulaatio
Pieni nopeus

• Virtausnopeus
• on suurempi profiilin kaarevalla yläpinnalla kuin
  alapinnalla
• nopeuserosta käytetään nimitystä sirkulaatio

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.

55
Painejakauma

• Paine-erot aiheuttavat
• Yläpinnalla alipaineen
• Alapinnalla ylipaineen
• Erotuksesta syntyy nostovoima
• CP Painekerroin kuvaa painesuhdetta paikallisen
  ja vapaan ilman paineen välillä

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
57
Nostovoimakerroin, CL
CLMAX
Nostovoimakerroin riippuu kohtauskulmasta, a ja
esitetään usein graafisesti CL(a)-käyränä Kuvassa
on erään tuulivoimalaprofiilin CL(a)- käyräparvi
Re-luvun muuttuessa välillä 250 000 ... 4 000
000 Profiili on sileä, N 9 Re-luku kasvattaa
CLMAX-arvoa
Sakkaus alkaa
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
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.

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.
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
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

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

64
Sakkauksen eteneminen
Ylimmässä kuvassa virtaus on kiinni
pinnassa. Siipi ei ole vielä sakannut. Keskimmäise
ssä 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.
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

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
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

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

69
Lavan kärjen muoto ja kärkipyörre
Kärjen muoto vaikuttaa teholliseen halkaisijaan
ja kärkihäviöihin sekä potkurista syntyvään
käyntiääneen
70
Hörner-kärki

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

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

72
Suoran levyn kitkavastus
Lähde Schaums outline Series, Theory and
problems of Fluid Mechanics and Hydraulics
73
Pyörregeneraattorit
74
Tuulivoimalan aerodynamiikkaa

• Ideaali voimala Betzin voimala
• Betzin tehokaava ja sen perustelu
• PrandtlinGlauertin voimala (PG)
• PGn tehokaava ja sen perustelu

75
Työntövoimakerroin
FT ½ ? 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
76
Aksiaalinen työntövoima torniin alle 800 kW
voimaloissa
Erkki Haapanen 4.10.2000 Slide 76
77
Työntövoimakertoimet 1.3 - 2.0 MW voimaloille
Erkki Haapanen 4.10.2000 Slide 77
78
Aksiaalinen työntövoima torniin 1.3 - 2 MW
voimaloissa
Erkki Haapanen 4.10.2000 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.
Erkki Haapanen 4.10.2000 Slide 79