Spørg Fagfolket: Hvorfor maksimerer man vindmodstanden af en vindmølle?

Illustration: Siemens gamesa

Vores læser Einar Clausen har spurgt:

Hvorfor maksimerer man vindmodstanden ved effektregulering af vindmøllegeneratoren? Det medfører jo voldsomme tryk på vindmøllens komponenter ved orkanvind.

Ved brug af formlen for vindens tryk på en flade har jeg skønnet, at der under orkan opstår aksialtryk på +1000 kg/kvadratcentimeter på hovedlejernes berøringsflader.

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

Henrik Stiesdal, opfinder og vindmøllepionér, svarer:

Man maksimerer faktisk ikke vindmodstanden på en vindmølle i høj vind. Tværtimod.

Ved lave vindhastigheder gælder det om at maksimere effektproduktionen fra en vindmølle. Det gør man ved at sørge for, at den frie vind opbremses temmelig meget, når vinden passerer vindmøllerotoren.

Man søger dog for ikke at maksimere vindmodstanden fuldstændigt, så vinden bliver opbremset så meget som muligt, for det giver det helt praktiske problem, at luften jo så ikke kan komme væk fra vindmøllen, hvis den er bremset ned til stilstand. I stedet er målet, at vindhastigheden i rotorplanet bliver opbremset til 2/3 af hastigheden langt foran møllen. Det medfører, at vinden langt bagefter møllen har en hastighed på 1/3 af den frie hastighed.

Det var den tyske ingeniør Albert Betz, som første gang gennemførte en fyldestgørende analyse af den optimale opbremsning af vinden i en vindmøllerotor. Han publicerede i 1919 en artikel om analysen, og konklusionerne herfra, som blev kaldt ”Betz’ lov”, står stadig, mere end 100 år senere.

Læs også: Spørg Fagfolket: Hvorfor er akslen på en vindmølle ikke vandret?

Når vindhastigheden bliver højere end de 10-11 m/s, hvor moderne vindmøller når deres mærkeeffekt, skifter billedet. Ved højere vindhastigheder stiger den tilgængelige effekt i vinden meget voldsomt, og der gælder det ikke længere om at maksimere effektproduktionen, men i stedet om at fastholde ydelsen på mærkeeffekten. Det gør man ved effektregulering, hvor vingerne automatisk drejes lidt på møllenavet, så vindmøllen netop yder den ønskede effekt.

Så snart man begynder at dreje vingerne på møllenavet, falder vindtrykket, og jo højere vindhastigheden bliver, desto lavere bliver vindtrykket. Man har altså den lidt paradoksale situation, at det laveste vindtryk på rotoren optræder ved den højeste vindhastighed, som man tillader vindmøllen at køre i, normalt 25 m/s.

Hvad angår fladetrykket på vindmøllens hovedleje, så har det i mange år været praksis, at det vægtede fladetryk mellem rulle og løbebane (hvor man tager hensyn til antallet af driftstimer og lejematerialets udmattelseskarakteristika) ikke bør overstige 1500 MPa, altså 1500 N/mm2 eller i ældre enheder 15.000 kp/cm2.

Med nutidens store vindmøller og tilhørende store lejer er man dog nødt til at tage hensyn til reduktionsfaktorer, som har at gøre med det større materialevolumen, der påvirkes af maksimaltrykket, og derfor falder det tilladte vægtede fladetryk efterhånden ned mod 1200 MPa, nogle gange endnu lavere.

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

Kære Mie/Henrik,

Vedr: .. I stedet er målet, at vindhastigheden i rotorplanet bliver opbremset til 2/3 af hastigheden langt foran møllen. Det medfører, at vinden langt bagefter møllen har en hastighed på 1/3 af den frie hastighed ..

Hvis vinden opbremses til at være 2/3 af vindhastigheden langt foran møllen (dvs 2/3 af den frie vindhastighed?), altså blot 1/3 reduktion, så er jeg ikke sikker på at jeg forstår hvordan vinden langt efter møllen pludselig er reduceret til blot 1/3 af den frie hastighed som skrevet (dvs 2/3 reduktion)?

God v...! :-)

  • 1
  • 0

Hej Mikael

Årsagen til det forhold, som du spørger om, og som kan forekomme lidt paradoksalt, er, at vindhastighedsændringerne ikke sker pludseligt, men gradvist under vindens passage gennem møllerotoren.

På en vindmøllerotor, som kører optimalt, falder vindhastigheden gradvist hen mod rotoren, så hastigheden er 2/3 af den frie vindhastighed lige i rotorplanet. Hstighedsrduktionen fortsætter efter rotorplanet, så vinden et stykke bag rotoren når ned på 1/3 af den frie vindhastighed. Længere væk fra møllen opløses flipstrømmen efterhånden, så hastighedsforskellen udlignes.

Fænomenet er først beskrevet af Betz for 100 år siden, i 1919. En mere moderne og lettilgængelig forklaring gives i "Basismateriale for beregning af propelvindmøller" fra 1979, se side 1-7 i dette link: https://backend.orbit.dtu.dk/ws/portalfile...

Den gamle rapport er i øvrigt stadig en stor fornøjelse at læse, fordi den er så velskrevet.

  • 14
  • 0

Hej Henrik, glædeligt at se dig i debatten igen. ;-)

Jeg tror det Mikael mangler svar på, er hvad det er, der får vindhastigheden til fortsat at tabe hastighed, efter den har forladt rotoren.

Den bedste forklaring på dette kommer imho på side 14 (Figur 1), som illustrerer hvordan rotoren bremser luftstrømmen foran rotoren og får den til at sprede sig udad, iden den passerer rotorfladen, og luftens inerti får spredningen til at fortsætte et stykke efter rotoren, inden den retter ind igen, hvormed hastigheden, indenfor denne del af luftstrømmen nødvendigvis må fortsætte med at falde.

Spredningen sker ved at der opstår overtryk (ophobning) foran rotoren, som tvinger en del af strømningen udenom rotoren, mens der sker et trykfald i den del af strømningen, der passerer gennem rotorfladen (hvormed den kinetiske energi afsættes i rotoren), som så efterlader et undertryk bag rotoren, som fortsat bremser vindhastigheden.

  • 4
  • 1

Det hele går ud på at få maksimal effekt ud ved en given vindhastighed, lidt som den optimale belastning af en solcelle eller en generator med en vis indre impedans.

For en vindmølle kræver det så også at styre belatningen af vingerne, deres stigning og omdrejningstal måske. Stiesdal forklarer hvilken opbremsning af vinden der vil give maksimal effekt, som bliver lidt over halvdelen af effekten i selve vinden.

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