Wie erzeugen Windturbinen Strom, wenn ihre Rotorblätter so dünn sind?

Das Wetter wird jetzt von Tag zu Tag kälter und windiger. Ich wünschte wirklich, ich könnte zu Hause bleiben. Allerdings gibt es tatsächlich viele Menschen, die im kalten Wind durchhalten. Das stimmt, es ist:

Entschuldigung, ich habe das falsche Bild eingestellt, es ist dieses:

„Weil mir kalt ist, habe ich keine Angst vor dem kalten Wind! Frühling, Sommer, Herbst und Winter, tanze mit dem Wind!“

Das ist eine Windkraftanlage!

Moment, ich frage mich, ob Ihnen ein Problem aufgefallen ist: Die Rotorblätter der Windturbine sind so dünn! Im Vergleich zu Windmühlen ist dieser intuitive Kontrast sehr verwirrend. Kann eine so kleine Luvfläche wirklich effektiv Windenergie gewinnen?
Irgendjemand muss damals gesagt haben: Dieses Blatt sieht gar nicht dünn aus!

Rotorblätter von Windrädern werden über die Szene transportiert. Bildquelle: Internet

Was wir hier diskutieren möchten, ist dieses Verhältnis! Im Vergleich zur Länge und der von der Klinge überstrichenen Fläche ist das wirklich zu dünn! Wind kann auf der dem Wind zugewandten Oberfläche einen direkten Schub erzeugen, um Arbeit zu verrichten, wie beispielsweise bei kleinen Windmühlen und Segelbooten. Die Rotorblätter sind jedoch so dünn, dass sie offensichtlich nicht dafür ausgelegt sind, diesen Schub zu nutzen. Wie drehen sie sich also?

Schauen Sie sich dieses Blatt genauer an:

Kommt Ihnen die Form dieses Blattes bekannt vor? Ist das nicht die Flügelform eines Flugzeugs?

Oben ist eine Seitenansicht eines Flugzeugflügels und unten eine Seitenansicht eines Windturbinenblatts. Bildquelle: Internet

Abgesehen davon, dass die Lüfterblätter etwas dicker aussehen, sind die Ähnlichkeiten hier kaum zu übersehen. Könnte es sein, dass die im vorherigen Bild gezeigte Windturbine auf die gleiche Weise Energie gewinnt wie ein Flugzeug? Und wenn wir der natürlichsten Idee folgen: Warum konstruieren wir es nicht wie eine Windmühle und nutzen den Winddruck direkt? Lassen Sie uns diese Fragen diskutieren!

Flugzeugauftriebsquelle

Um die oben genannten Fragen zu verstehen, müssen wir zunächst kurz die Ursache des Flugzeugauftriebs vorstellen.

Auf allen wichtigen Plattformen können wir Leute sehen, die über das Prinzip des Flugzeugauftriebs streiten, sei es das Bernoulli-Prinzip oder Newtons drittes Gesetz. Tatsächlich liegt der Grund für die Kontroverse um diese qualitativen Perspektiven gerade in ihren unklaren kausalen Zusammenhängen und der Unbequemlichkeit bei der quantitativen Analyse .

Ein aerodynamisches Problem unter komplexen Randbedingungen (beispielsweise kann die Form der Flügel unterschiedlich sein und das tatsächliche Szenario kann auch ein Drachen, ein Flugzeug oder eine Rakete sein), auch wenn es in ein oder zwei Prinzipien zusammengefasst werden kann, lässt sich den komplexen, aber unverzichtbaren präzisen Simulationsberechnungen in spezifischen Anwendungen nicht entziehen . Wie können wir sonst ein Flugzeug entwerfen, das zuverlässig fliegt? Die quantitative Perspektive des Flügelauftriebs wird in der Populärwissenschaft selten diskutiert.

Um uns dabei zu helfen, die Funktionsweise von Windkraftanlagen zu verstehen, wollen wir dies kurz diskutieren und eine einfachere und effektivere Perspektive bieten (durch die Einfachheit geht möglicherweise ein gewisser Grad an Stringenz verloren), während wir gleichzeitig eine entsprechende strenge quantitative Perspektive bieten .

Wenn der Flügel mit hoher Geschwindigkeit durch die Luft fliegt, übt die Luft in zwei Richtungen Kräfte auf den Flügel aus: Widerstand in Flugrichtung (wie Luftreibungswiderstand, Druckunterschiedswiderstand usw.) und den wichtigsten Auftrieb . Erstere wird durch den Schub der Triebwerke ausgeglichen, während Letztere die Schwerkraft ausgleicht und so dem Flugzeug das Aufsteigen ermöglicht.

Flugzeugkraftdiagramm

Wenn sich ein Flügel durch die Luft bewegt, wie strömt die Luft relativ zum Flügel? Durch Tests im Windkanal lässt sich feststellen, dass der tatsächliche Gasfluss im Verhältnis zum Flügel wie folgt ist:

Darstellung von Stromlinien in einem kleinen Windkanal-Simulationsexperiment. Bildquelle: Internet

Das heißt, die Luft neigt dazu, an den Wänden entlang zu strömen . Ein solcher Vorgang führt zu einem sehr wichtigen Ergebnis: Die Luft wird nach dem Überqueren der Tragfläche nach unten abgelenkt . Ihnen fällt vielleicht ein bekannter Name ein: Coandǎ-Effekt .

Hier kommt also ein einfaches Bild! Grob gedacht: Da der Flügel die Luft nach unten drückt, übt er auf die Luft eine Abwärtskraft aus und dementsprechend erfährt der Flügel Auftrieb! In einfacheren Situationen kann dieses Bild als einfaches Kriterium verwendet werden, um festzustellen, ob Auftrieb erzeugt werden kann, und es ist sehr nützlich. Warum erfährt beispielsweise eine dünne Platte wie ein Drachen Auftrieb?

Schematische Darstellung der Luftströme, die über eine flache Platte strömen. Bildquelle: Referenz [1]

Warum kann ein Flugzeug beispielsweise kopfüber fliegen? Denn wenn der Flügel umgedreht ist, können wir auch den Winkel anpassen, wodurch der Effekt entsteht, dass die Luft aufgrund des Coanda-Effekts nach unten abgelenkt wird.

Aus intuitiver Sicht ist die Idee, die Luft nach unten abzulenken, recht nützlich. Dies ist natürlich nicht streng. Genauere Berechnungen der Strömungsmechanik zeigen, dass der Auftrieb tatsächlich durch die Zirkulation verursacht wird (Kutta-Joukowski-Theorem des Zirkulationsauftriebs) , also durch ringinduzierten Auftrieb oder wirbelinduzierten Auftrieb (diese Erklärung lässt sich auch auf Bananenbälle usw. anwenden). Bei der Vorwärtsbewegung des Flügels bildet die durch ihn hindurchströmende Luft einen Wirbel und dementsprechend bildet sich am Flügel ein Anlagerungswirbel in entgegengesetzter Richtung . Es ist dieser Wirbel, der dem Flügel Auftrieb verleiht. Immer wieder erscheinen populärwissenschaftliche Artikel mit der Frage: „Warum können Flugzeuge fliegen? Bis heute haben Wissenschaftler keine Antwort darauf.“ Wie ist das möglich? Es ist jedoch möglich, dass eine gewisse Verständnisschwelle besteht und es deshalb schwierig ist, einen Konsens zu erzielen. (Um den Leserhythmus nicht zu beeinträchtigen, haben wir im Anhang am Ende des Artikels weitere Details aufgeführt. Hier geben wir nur eine kurze Einführung. Jeder ist herzlich eingeladen, darüber zu diskutieren.)

Betrachten wir die tatsächliche Situation des Flügels. Das Profil eines Niedriggeschwindigkeits-Tragflügels weist normalerweise eine abgerundete Kopf- und eine spitze Heckform auf, und der Winkel zwischen der Flügelsehne und der Windgeschwindigkeit wird als Anstellwinkel definiert.

Diagramm des Anstellwinkels. Bildquelle: Internet

Um die Effizienz der Auftriebserzeugung zu beschreiben, entfernen wir die offensichtlich proportionalen Terme von Fluggeschwindigkeit und Flügelfläche und definieren den Auftriebskoeffizienten :

Wobei der sogenannte dynamische Druck und die charakteristische projizierte Fläche (dreidimensional) bzw. charakteristische Länge (zweidimensional) des Flügels ist.
In einem relativ einfachen, aber ausreichend allgemeinen Fall können wir durch Lösen der Potentialströmungsgleichung eine ziemlich einfache Beziehung zwischen dem Auftriebskoeffizienten und dem Anstellwinkel erhalten:

Das heißt, die Winkelbeziehung mit Angriff α ! Dies stimmt recht gut mit dem Experiment bei kleinen Anstellwinkeln überein (unter Berücksichtigung der endlichen Größe des Flügels ist der Proportionalitätskoeffizient tatsächlich etwas niedriger als der theoretische Wert).

Die Beziehung zwischen dem Auftriebskoeffizienten des Tragflügels und dem Anstellwinkel

Aber! Aufmerksame Leser haben vielleicht auch festgestellt , dass der Angriffswinkel umso besser ist, je größer er ist . Wenn der Anstellwinkel einen bestimmten Wert überschreitet, sinkt der Auftriebsbeiwert rapide. Dies liegt daran, dass der Coanda-Effekt versagt und der Luftstrom nicht mehr am Flügel haften bleibt!

Der gleichmäßige Luftstrom über der Tragfläche verwandelte sich in eine turbulente Strömung, der Luftwiderstand nahm zu, der Auftrieb ab und der Auftriebskoeffizient sank rapide!

Tatsächlich sind die Formen und Prinzipien der Flügel in verschiedenen Geschwindigkeitsverteilungszonen sehr unterschiedlich . Beispielsweise müssen in der Unterschallzone, der Transschallzone und der Überschallzone sehr unterschiedliche Probleme gelöst werden. Der Inhalt ist sehr umfangreich und interessant (ich werde darüber schreiben, wenn ich Zeit habe). Die obige Diskussion beschränkt sich auf weniger als das 0,3-fache der Schallgeschwindigkeit, was für die Diskussion des Falls von Windkraftanlagen ausreichend ist. Die wichtigsten Punkte dieses Abschnitts lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Wenn Sie eine einfache Perspektive suchen (nicht unbedingt streng), ist der Coanda-Effekt + „abgelenkte Luft“ eine sehr gute Wahl.

2. Genaue Berechnungen zeigen, dass in einfachen und ausreichend allgemeinen Fällen der Auftrieb durch den Ring verursacht wird und der Auftriebskoeffizient bei kleinen Winkeln linear mit dem Anstellwinkel zusammenhängt.

3. Wenn der Anstellwinkel einen bestimmten Wert überschreitet, kommt es zum Strömungsabriss und der Auftriebskoeffizient nimmt mit zunehmendem Anstellwinkel schnell ab.

Das Antriebsprinzip einer Windkraftanlage

Um auf die Frage der Windkraft zurückzukommen: Nach der obigen Diskussion über Flugzeugtragflächen und den entsprechenden Auftrieb glaube ich, dass jeder ein vorläufiges qualitatives Verständnis gewonnen hat und auch ein Gefühl für die Ähnlichkeit zwischen diesen schlanken Blättern und Flugzeugflügeln hat! Die Kraft der Rotorblätter dieser Windkraftanlage kommt vom Auftrieb, ähnlich dem eines Flugzeugflügels! Ja, wenn wir den Querschnitt der Klinge betrachten, werden wir dies noch deutlicher spüren:

Seitliche Querschnitte einiger Windturbinenblätter. Bildquelle: Referenz [2]

Natürlich sind die Anwendungsszenarien schließlich unterschiedlich und es gibt offensichtliche Unterschiede zu herkömmlichen Flugzeugflügelformen. Den Generator, der diesen Auftrieb als Energiequelle nutzt, nennen wir eine Auftriebs-Windturbine. Seine Besonderheit besteht darin, dass er auf einer sehr kleinen Luvfläche die für die Stromerzeugung erforderliche hohe Leistung bereitstellen kann. Mit den oben genannten Konzepten des Anstellwinkels und des Auftriebskoeffizienten können wir die Effizienz des Auftriebsgenerators einfach berechnen. Man kann sich leicht vorstellen, dass sich die Rotorblätter von Windkraftanlagen im tatsächlichen Betrieb drehen. Bei der Diskussion der Relativgeschwindigkeit zur Luft muss die Überlagerung von linearer Geschwindigkeit und Windgeschwindigkeit berücksichtigt werden.

Bei der Analyse des Anstellwinkels der rotierenden Rotorblätter muss die Überlappung von Windgeschwindigkeit und linearer Rotationsgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Bildquelle: Referenz [3]

Wie wäre es damit! Wird Ihr Verständnis für die Energiequelle von Windkraftanlagen plötzlich viel klarer?

Die Konstruktion eines Ventilators auf diese Weise bietet viele Vorteile. Aus gestalterischer Sicht erleichtert diese „dünne“ Eigenschaft die Konstruktion großer Windkraftanlagen erheblich . Am Beispiel einer 1.500-Kilowatt-Windturbineneinheit sind die Rotorblätter der Einheit etwa 35 Meter lang (das entspricht etwa der Höhe von 12 Stockwerken).

Wenn eine Person auf einer Windkraftanlage steht, können wir spüren, wie groß die Windkraftanlage ist. Bildquelle: Internet

Ein noch größerer Vorteil ist die Stabilität bei Anschluss an das Stromnetz . Das Wetter ist wechselhaft und die Windgeschwindigkeit unregelmäßig. Aus Sicht der Leistung kann bei relativ schwachem Wind durch die Anpassung des Rotorblattanstellwinkels die optimale Stromerzeugungsleistung erreicht werden. Wenn die Windgeschwindigkeit 3 ​​m/s erreicht (eine leichte Brise, die Ihnen ins Gesicht weht), kann die Windturbine in den Betriebszustand wechseln. Mit anderen Worten: Obwohl es dünn ist, hat es trotzdem genug Power! An einem windigen Tag können Sie sehen, dass bei zunehmender Windgeschwindigkeit der Anstellwinkel automatisch immer größer wird und die Rotorblätter automatisch in einen Strömungsabriss geraten (die Rotorblattposition kann auch angepasst werden)! Dadurch wird die Leistungsstabilität weitgehend gewährleistet. Für ein Flugzeug kann ein Strömungsabriss äußerst gefährlich sein, für eine Windkraftanlage ist er jedoch eine Garantie für Stabilität. Unter normalen Volllastbedingungen kann der an einem Tag erzeugte Strom von 15 Haushalten ein Jahr lang verbraucht werden. Der derzeit gängige Windventilator ist der oben erwähnte Lift-Windventilator.

Schauen wir uns nun die große Windmühle an. Tatsächlich gibt es Fälle, in denen der „Schub“ des Windes direkt zur Verrichtung von Arbeit genutzt wird. In diesem Fall sprechen wir von Windkraftanlagen vom Widerstandstyp . Eine konkrete Umsetzung, die der großen Windmühle sehr ähnlich ist, ist die holländische Vierflügel-Windmühle:

Das linke Bild zeigt den Betriebszustand mit gehisstem Segel. Bildquelle: Internet

Wenn die Windmühle in Betrieb sein muss, werden die Segel gehisst, um die dem Wind zugewandte Fläche zu vergrößern, und die Windenergie kann sehr effizient genutzt werden! Die Niederlande liegen an der Westküste Europas und verfügen über ein windiges Klima und reichlich Windressourcen. Da die Niederlande selbst ein niedriges Gelände haben, versuchte man, Dämme zu bauen, um das Wasser abzuleiten und mit dem Meer um Land zu konkurrieren. Windmühlen erwiesen sich als gute Wahl zum Pumpen von Wasser. Darüber hinaus werden Windmühlen auch zum Mahlen von Mehl und zur Stromerzeugung verwendet und leisten damit einen unauslöschlichen Beitrag zum Aufbau der niederländischen Heimat. In der Praxis gibt es viele verschiedene Bauformen von Widerstandslüftern.

Bei der linken handelt es sich um eine Windturbine mit horizontaler Achse und Widerstand, bei der rechten um eine Windturbine mit vertikaler Achse, die eine größere Oberfläche zum Wind hat. Bildquelle: Internet

Im Vergleich zu Hubventilatoren weisen sie jedoch zwei offensichtliche Nachteile auf: Einerseits gibt es aufgrund der riesigen Luvfläche offensichtliche technische Schwierigkeiten bei der Herstellung großer Ventilatoren; Andererseits ist es schwierig, die Ausgangsleistung stabil zu halten. Bei extremen Wetterbedingungen muss die große, dem Wind zugewandte Seite hochgeklappt werden, um Schäden zu vermeiden, und das einziehbare Design verbraucht zweifellos mehr Ressourcen.

Ich hoffe, dass das Design von Windkraftanlagen in Zukunft weiter optimiert wird und die Windressourcen effizienter genutzt werden!

Weitere Fragen: Laufrad!

Die Schaufeln vervollständigen die Umwandlung von kinetischer Energie in mechanische Energie in ihrem Tanz mit der Flüssigkeit. Bei diesem wunderbaren Prozess gibt es noch viele weitere natürlich auftretende und äußerst interessante Fragen, beispielsweise warum herkömmliche Windkraftanlagen mit Hubmechanismus drei statt zwei oder vier Rotorblätter verwenden?

Gibt es beispielsweise einen Unterschied hinsichtlich der Auftriebsquelle eines Hubschraubers?

Warum unterscheiden sich beispielsweise die Schaufelblätter von Flugzeug- und Schiffsmotoren so stark, obwohl beide zur Antriebskraft dienen?

Um ein Beispiel aus der Praxis zu nehmen: Welche Überlegungen fließen in die Auswahl der Lüfterblätter ein? Warum sind manche groß und manche klein, manche mehr und manche weniger?

Wenn die verschiedenen rotierenden Blätter miteinander verbunden sind, fällt es uns leicht, Gemeinsamkeiten zwischen ihnen zu finden. Tatsächlich haben sie einen allgemeinen, allgemeinen Namen: „Laufrad“. Die Interaktion zwischen Flüssigkeit und Laufrad bietet unendliche Möglichkeiten und einen unendlichen Reiz. In der Praxis stellt man fest, dass die Laufräder sehr umfangreich sind und die konkreten Umsetzungsformen aufgrund unterschiedlicher Einsatzzwecke stark variieren. Aus Platzgründen überlasse ich es interessierten Freunden, es selbst zu erkunden!

Zum Schluss noch ein paar schöne Bilder:

Widerstandslüfter mit vertikaler Achse. Bildquelle: Internet

Lüfter mit vertikaler Hubachse. Bildquelle: Internet

Der ringförmige Flügel soll die mechanische Festigkeit verbessern und den Energieverbrauch senken. Bildquelle: Internet

Anhang:

Dieser Teil ist in allen Lehrbüchern zur Aerodynamik zu finden.

Betrachten wir die tatsächliche Situation des Flügels. Das Profil eines Niedriggeschwindigkeits-Tragflügels hat normalerweise die Form eines runden Kopfes und eines spitzen Hecks. Beim Start des Flugzeugs kräuselt sich die an Ober- und Unterseite zusammenströmende Luft aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten und bildet dann nach hinten eine Struktur ähnlich einem Punktwirbel. Dies ist der Startwirbel. Gemäß dem Helmholtz-Gesetz sollte die Nettozirkulation in der Flüssigkeit erhalten bleiben, d. h., auf dem Flügel wird eine Zirkulation in die entgegengesetzte Richtung erzeugt , was die Tatsache unterstützt, dass die Strömungsgeschwindigkeit über dem Flügel höher ist als die Strömungsgeschwindigkeit unter dem Flügel. Es unterstützt auch die Feststellung der Kutta-Bedingung: dass das Gas gleichmäßig am scharfen Schwanz austritt. Mit dieser Bedingung können wir unter bestimmten Voraussetzungen die Potentialströmungsgleichung lösen.

Links: Die Entstehung des Startwirbels; Rechts: Die Luftströmung relativ zum Flügel kann man sich eigentlich als aus zwei Teilen bestehend vorstellen: der kreisförmigen Strömung um das Tragflächenprofil und der laminaren Strömung, die entlang des Flügels abgelenkt wird. Bildquelle: Referenz [6]

Starten Sie die Wirbeldemonstration. Bildquelle: Referenz [7]

Der besseren Verständlichkeit halber werden wir vorerst keine komplizierteren Situationen betrachten, sondern von einer niedrigen Geschwindigkeit (innerhalb des 0,3-Fachen der Schallgeschwindigkeit), einer ausreichend großen Flügellänge (sodass es als zweidimensionales Problem behandelt werden kann) und einem dünnen Flügel ausgehen, wie in der Flügelform oben dargestellt.

Betrachten wir zunächst einen einfachen Fall: In einer inkompressiblen Flüssigkeit, beispielsweise einem Zylinder in der Flüssigkeit, kann die Lösung als Überlagerung einer gleichmäßigen Strömung, einer Punktquelle, einer Punktsenke, eines Dipols usw. ausgedrückt werden.

Schematische Darstellung der Grundlösung des Potentialflusses

An dieser Stelle können wir sehr anschaulich berechnen, dass die Stärke der auf das Objekt wirkenden Kraft von der Geschwindigkeit der Zirkulation und der gleichmäßigen Strömung abhängt. Durch die Verwendung von Methoden wie der konformen Transformation kann der Kreis in eine komplexere Form auf der Ebene umgewandelt werden, beispielsweise in das Tragflächenprofil, das wir besprechen werden. Darüber hinaus können wir feststellen, dass der Auftriebskoeffizient eine ziemlich einfache Beziehung zum Anstellwinkel hat:

Verweise

[1] Das Prinzip des Auftriebs.

[2] Yuan Shangke. Forschung zum Strömungsabrissverhalten von Windkraftanlagen[D]. Technische Universität Lanzhou, 2016.

[3] Sanderse B. Aerodynamik von Windkraftanlagennachläufen: Literaturübersicht[M]. ECN, 2009.

[4] Wie viel Strom kann eine Windturbine in einer Umdrehung erzeugen, wenn sie sich so langsam dreht?

[5] Zhang Linchu. Windmühlen in den Niederlanden[J]. Weltkultur, 2008(02):30-31.

[6] Kantepalli SR, Janardhan P. Klärung bestimmter Missverständnisse in den gängigen Erklärungen des aerodynamischen Auftriebs[J]. Vorabdruck, 2018.

[7] Erzeugung des Flügelauftriebs [Demonstration von Startwirbel und Anheftungswirbel 2]

Planung und Produktion

Quelle: Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Original-Editor: Xiao Fan

Herausgeber: Yinuo