Spørg Fagfolket: Hvordan udnyttes lufttrykket fra vindmøllens centripetalkraft?

Illustration: Siemens gamesa

Vores læser Birthe Piil har kort og godt spurgt:

Hvordan udnyttes lufttrykket fra vindmøllens centripetalkraft?

Henrik Stiesdal, opfinder og vindmøllepionér, svarer:

Det simple svar er, at det gør man ikke. Man har forsøgt en enkelt gang for næsten 70 år siden, men det var ikke en god idé.

Når en vindmøllevinge roterer, opstår der en trykforskel mellem den luft, som befinder sig i hulrummet i den inderste del af vingen, og den luft, som befinder sig i den yderste del.

Læs også: Spørg Fagfolket: Hvordan bliver de synkrone blink fra vindmøller styret?

Hvis den inderste del af vingen er på atmosfæretryk, fordi der er gennem møllenavet er adgang til hulrummet inde i vingen, opstår der et overtryk i vingens yderste del ude ved vingetippen.

Størrelsen af overtrykket kan beregnes med relativt simple overvejelser, hvor man finder centripetalkraften på en skive af luft inde i vingen og så integrerer fra vingeroden til vingetippen. Man vil her finde, at trykket P er:

P = 0.5 * rho * V^2

hvor rho er luftens massefylde, og V er tiphastigheden.

Læs også: Spørg Fagfolket: Hvorfor satser man ikke på vertikale vindmøller?

Luftens massefylde ved standardbetingelser er 1.225 kg/m3. På moderne store vindmøller tilstræber man normalt en tiphastighed på ca. 90 m/s, og overtrykket på indersiden af vingetippen i forhold til det omgivende tryk kan dermed udregnes til 5000 Pa, svarende til 0.05 bar.

Overtrykket vil på grund af tyngdekraften variere lidt under omdrejningen, men det er af underordnet betydning.

Her har vi altså opskriften: Lad vindmøllen operere som centrifugalpumpe, hvor luften slynges ud mod luftudtag i vingetipperne, og brug det resulterende flow til at drive en luftturbine.

Der er så lige det praktiske problem, at en trykforskel på 5000 Pa (50 cm vandsøjle) ikke er ret høj for en arbejdsmaskine. Med så lav en trykforskel kan selv beskedne flowmodstande komme til at give betragtelige tab.

Bekymringen om dette praktiske problem forhindrede ikke, at man på en enkelt større vindmølle for snart 70 år siden forsøgte sig med udnyttelse af overtrykket i et centrifugalpumpe-arrangement. Det skete i 1954-55 på den såkaldte Enfield-Andreau-vindmølle, der først blev opført i England, senere i Algeriet.

Læs også: Spørg Fagfolket: Kunne Aalborg Portland ikke blive selvforsynende med en vindmøllepark?

Enfield-Andreau-vindmøllen havde 24 m rotordiameter og en mærkeeffekt på 100 kW. Vindmøllen havde to hule aluminiumsvinger, hver med et luftudtag i vingespidsen.

Luft blev suget ind gennem nogle lodrette slidser i tårnets nedre del og på vej op til mølletoppen, og vingerne passerede luften gennem en mangebladet turbine svarende til et enkelt turbinetrin i en gasturbine.

Konceptet blev fremført som særlig attraktivt, fordi det med et begrænset antal komponenter i mølletoppen var særlig enkelt. Man behøvede ikke noget gear, fordi den mangebladede turbine i tårnet kunne kobles direkte til generatoren, og man kunne operere med variabel hastighed på rotoren, selv om generatoren var direkte nettilsluttet og derfor havde konstant hastighed.

Skulle der opstå problemer med generator eller elsystem, var det let tilgængeligt i bunden af tårnet.

Enfield-Andreau-vindmøllen blev fremstillet af flyproducenten de Havilland og blev af bekvemmelighedsårsager først opstillet ved St. Albans nær London, tæt på fabrikken. Det var meningen, at den skulle have en permanent placering i Wales, men det fik man ikke byggetilladelse til.

Læs også: Spørg Fagfolket: Hvorfor maksimerer man vindmodstanden af en vindmølle?

For at få tilstrækkelig høj trykforskel kørte man med en tiphastighed på op til 120 m/s. På grund af den høje tiphastighed var støjniveauet fra vindmøllen alt for højt til, at man kunne fortsætte driften i St. Albans, og da vindmøllen ikke kunne flyttes til Wales, endte den af alle steder med at komme op i Algeriet.

Her fik man tilstrækkelig driftstid til at kunne måle virkningsgraden. Den nåede et maksimum på 11 procent, langt under, hvad man allerede dengang kunne opnå med konventionelle vindmøller.

Da et af vingelejerne havarerede efter kun 180 driftstimer, blev møllen stoppet og kom aldrig i gang igen. Den blev skrottet først i 1960’erne.

Man kom dengang til den ret nærliggende konklusion, at de uundgåelige flowmodstande i systemet gav anledning til alt for store tab, selv om man med den høje tiphastighed opnåede næsten en meter vandsøjle i trykforskel.

Det var måske nærliggende at tænke sig, at man i det mindste så kunne få lidt ekstra produktion på en konventionel vindmølle med gear og generator, hvis man lavede en slags sekundær elproduktion med en lille turbine monteret i møllenavet og luftudtag i vingespidserne.

Men der er naturen nu en gang indrettet sådan, at man ikke kan 'snyde'. Hvis vindmøllerotoren yder en vis effekt som centrifugalpumpe, bliver der så meget mindre effekt til overs til gear og generator.

Og da virkningsgraden fra centrifugalpumpe til elektrisk effekt er meget lavere end virkningsgraden fra vindmøllerotor til gear og generator, er slutresultatet negativt.

Spørg fagfolket

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til fagfolket.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Ok , jeg tror at de sidste fire linjer i svaret opklarer min forvirring.

Hvis man slipper luft ud af spidsen af en hul vinge, så må der jo komme frisk luft ind ved navet, der skal accelereres op til sammen hastighed som den netop undslupne luft havde, og det må jo bremse vingen?

  • 8
  • 0

Hvis man slipper luft ud af spidsen af en hul vinge, så må der jo komme frisk luft ind ved navet,

Nytåret var det tidspunkt på året hvor vi knægte var mest kreative og bortset fra rørbomber, så fandt vi på noget som jeg synes var kreativt og gjorde brug af ovenstående.

Vi evnede en 3 x 8" planke til en møllevinge 3m i diameter, borede hul i midten til leje og fæstede et kobberrør ind ad forsiden af det ene blad, der i midten blev forbundet i en olietrykskobling der virkede som swivel joint. Møllen der ikke kunne krøje, blev monteret fast i en 5m høj træpæl, der meget belejligt stod på en bakketop , væk fra bebyggelse.

Øverst på pælen monterede vi en stor dunk med tilslutning nedad, fyldt med benzin og så var tanken, at benzinen skulle løbe ud i spidsen på bladet, hver gang det vendte nedad og væde en bomuldsklud, som der skulle stikkes ild til.

Da øjeblikket oprandt, kluden tændt og møllen blev startet, kom der en byge og dermed ret høj vindhastighed og det som vi knægte havde forestillet os som en pænt brændende ring, voksede hurtigt med voksende omdrejninger/centripetalkraft, til en kæmpe spektakulær ring/inferno av ild og vi var nødt til at løbe for livet op i luv af møllen, forskrækkede og en hel del klogere. :-)

  • 14
  • 0

"Men der er naturen nu en gang indrettet sådan, at man ikke kan 'snyde'. Hvis vindmøllerotoren yder en vis effekt som centrifugalpumpe, bliver der så meget mindre effekt til overs til gear og generator."

Nemlig, og er man i tvivl om det, så behøver man bare at sætte hånden for mundstykket på en støvsuger oh høre hvordan motoren stiger i omdrejninger, fordi der ikke bruges energi på at flytte luft gennem centrifugalpumpen.

Jeg har aldrig hørt om konceptet før, men af nævnte årsag tænkte jeg allerede da jeg læste de første linjer af svaret, at det får man da i bedste fald ingenting ud af.

Og hvis slutresultatet havde været positivt, ville det jo også betyde at rotoren kunne drive sig selv, selvom vindhastigheden falder til nul.

Måske var der for få ingeniører for 70 år siden, der havde prøvet at sætte hånden for et støvsugermundstykke, siden de gennemførte et fuldskala prototypeforsøg med et så indlysende håbløst koncept.

  • 6
  • 2

Da øjeblikket oprandt, kluden tændt og møllen blev startet, kom der en byge og dermed ret høj vindhastighed og det som vi knægte havde forestillet os som en pænt brændende ring, voksede hurtigt med voksende omdrejninger/centripetalkraft, til en kæmpe spektakulær ring/inferno av ild og vi var nødt til at løbe for livet op i luv af møllen, forskrækkede og en hel del klogere. :-)

Passer perfekt i kategorien af de tossestreger min bror og jeg lavede som knægte.

Vi tømrede eksempelvis en relativt stor sejlvogn sammen af gamle brædder, afdækningsplastik, halmbindingsgarn og hjulene fra en gammel barnevogn.

Uden den mindste idé om potentialet mellem sejltryk og rullemodstand, testede vi den i frisk vind ude på villavejen, og brormand fik æren af at prøve først.

Den accellererede omgånde til en hastighed, 2-3 gange mit spurtpotentiale, krængede så over på to hjul, som exede, hvorefter søm, brædder og snor bare gav op og spredte sig over hele villavejen, og brormand måtte en tur på skadestuen. :-)

  • 14
  • 0

For vindmøller gælder det ikke om at tappe mest mulig energi, men at få mest mulig energi ud af en given investering. Vinden er jo ikke en begrænset ressource, hvor det, som ikke udnyttes, går til spilde.....

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten