Spørg Scientariet: Hvorfor har en vindmølle netop tre vinger?
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Spørg Scientariet: Hvorfor har en vindmølle netop tre vinger?

Vores læser Thomas Lauridsen har spurgt:

Hvorfor har moderne vindmøller netop tre vinger? Når man ser ældre møller, er de ofte udstyret med et utal af vinger, gerne så de næsten dækker arealet af en hel skive.

Af og til ser man dog også mindre møller ved landejendomme kun udstyret med to vinger. Spørgsmålet er altså, hvad der har indflydelse på det optimale antal af vinger på en mølle, og hvorfor det netop er landet på de typiske tre?

Også læser Stine Offersgaard har spurgt, hvorfor antallet er havnet på tre og ikke to eller fire.

Anders Smærup Olsen, seniorudviklingsingeniør på DTU Vindenergi, svarer:

Læs også: Intelligent styring skal give vindmøllerne længere vinger

Det korte og nok ikke så overraskende svar er, at en mølle med tre vinger er det optimale design i forhold til at få det maksimale elektricitetsudbytte over møllens levetid i forhold til de investerede midler (materialer, produktion, montering og vedligehold).

Men hvorfor er det så tilfældet, at netop tre vinger har vist sig at være det bedste design?

Vi kan jo starte med at se på aerodynamikken. Vingerne på en moderne vindmølle omdanner vindens kinetiske energi til rotationsenergi, der gennem generatoren omdannes til elektricitet. Idet energi udtrækkes af den indkomne vind, vil vindhastigheden falde for den del af vinden, der strømmer gennem rotoren.

Læs også: Ugle-teknologi kan reducere støj fra vindmøller

Det kan vises teoretisk, at den største effekt kan udvindes (ca. 60% af den totale effekt i den indkomne vind), hvis vindhastigheden i rotorplanet mindskes til to tredjedele af den oprindelige hastighed.

Betingelserne for at opnå denne teoretiske øvre grænse er, at møllen har et uendeligt antal vinger med en uendelig lille korde (bredde), at der ikke er nogen luftmodstand (drag) på vingerne, samt at rotationshastigheden på rotoren er meget høj (gående mod uendelig).

I praksis kan det naturligvis ikke lade sig gøre, at en mølle vil have et endeligt antal blade, og den udvundne mekaniske effekt vil være mindre end de optimale 60% på grund af det såkaldte tiptab samt det faktum, at der i virkelighedens verden altid er luftmodstand.

Læs også: Udtjente vindmøllevinger bliver til støjdæmpere på motorvej

Tiptabet er den del af effekttabet, der hidrører fra det endelige antal blade, der ikke roterer uendeligt hurtigt. Tiptabet øges (dvs. effektiviteten falder) jo færre vinger, møllen har, og desto langsommere rotoren roterer.

Tabet skyldes, at luftmodstanden stiger med rotorens rotationshastighed, så hvis der kun skulle kigges på effektiviteten, skulle møllen have så mange vinger som muligt. Med de tiphastigheder, møllerne kører med i dag (op til 80m/s), er der dog ikke det store at hente ved at bruge flere blade, og effektiviteten er stort set den samme, om man bruger to, tre eller flere blade.

Det omvendte gør sig gældende, når der kigges på produktionsomkostningerne for møllen, hvor hver ekstra vinge generelt øger udgifterne. Så for at holde produktionsudgifterne nede skal møllen have så få vinger som muligt.

Læs også: Vindmølleejere må regne med dyre reparationer af møllevinger

Endelig er det også nødvendigt at kigge på de belastninger, vingerne overfører til møllens andre komponenter (rotoraksel, generator, tårn, osv.). Da vindhastigheden generelt stiger med afstanden fra jordoverfladen, vil belastningerne på vingen variere under rotationen. Belastningerne er størst, når vingen er i toppositionen, hvor vindhastigheden er højest. Har møllen tre eller flere vinger, vil disse asymmetrier blive smurt ud, og udmattelseslasterne bliver mindre, og konstruktionen kan laves billigere.

Baseret på disse overvejelser bliver bedste valg være at montere tre vinger på de store moderne møller.

Visuelt kan vi desuden være glade for, at de fleste møller har tre vinger, da de giver et meget roligere indtryk, når man kigger på dem mod horisonten. En mølle med to vinger vil få horisonten til at 'blinke', hvilket kan være meget generende at se på.

Læs også: Møllevinger med carbon-lag forhindrer overbelastning i kraftig vind

For mindre husstandsmøller kan det være en bedre idé at acceptere den lavere effektivitet fra to vinger, da det opvejes af den lavere produktionspris. For yderligere at reducere produktionsprisen vil disse også ofte være bagløbere, dvs. vinden møder møllehuset og -tårnet, før den møder vingerne. Dermed vil møllen selv indstille sig efter vindretningen, og den aktive krøjemekanismen kan spares væk.

For de store møller vil man undgå denne løsning, da zonen med lav vindhastighed (læ) efter tårnet giver for store varierende aerodynamiske belastninger på vingerne.

Møllerne med de mange vinger (typen, der kendes fra westernfilm), der refereres til i spørgsmålet, bruges typisk til at drive en vandpumpe og har altså en anden funktion end elproduktion. For at drive vandpumpen kræves et højt moment ved lave vindhastigheder, og det er netop, hvad de mange vinger leverer. Ulempen ved denne mølletype er, at effektiviteten typisk er lille, ca. 30%, primært pga. friktionen på de mange blade.

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

Fin artikkel.
Nu vi er inde i den problematik så kunne det være interessant at få at vide hvorfor vingeplanet ofte er meget skråt stillet i forhold til lodret?

  • 1
  • 0

Hvorfor kører møller i en "cluster" ofte synkront? Og hvorfor står de stille, hvis der er strømafbrydelse, hvilket jo virker lidt paradoksalt? Det har formentlig noget med netværket at gøre, men hvordan?

  • 3
  • 0

Hvorfor er der ikke blade til vindmøller med winglets.
På fly giver det jo en brænstofbesparelse pga begrænsning i tipvorticedrag.?

  • 2
  • 0

Nu vi er inde i den problematik så kunne det være interessant at få at vide hvorfor vingeplanet ofte er meget skråt stillet i forhold til lodret?

Det besvares faktisk i artiklen:

Det kan vises teoretisk, at den største effekt kan udvindes (ca. 60% af den totale effekt i den indkomne vind), hvis vindhastigheden i rotorplanet mindskes til to tredjedele af den oprindelige hastighed.

Det gælder altså om at vinkle vingerne således, at man rammer en hastighed hvor man opnår den ideelle vindmodstand.

  • 0
  • 0

I områder med hyppig forekomst af tyfoner er det fordelagtigt at nøjes med to vinger, da en to-vinget rotor vil give en minimal vindskygge, når vingerne stilles vandret med en vingespids mod vinden.
I øvrigt findes der da vinger med winglets til vindturbiner.

  • 1
  • 0

En skibspropeller med to blade giver rystelser og en med tre blade giver rolig gang og god virkningsgrad.
De med fire blade giver et større areal, men er knap så optimal hvad hastighed angår.
Her er et eksempel: En fiskekutter havde først en tre-bladet propeller og med denne kunne fartøjet præstere en fart af 12 knob og senere kom der en fire-bladet type, som kom ned på 10,5 knob.

  • 0
  • 0

Når rotorplanet er skråtstillet, skyldes det vel ikke mindst risikoen for en 'tårnklasker', dvs. at vingerne ramme tårnet i kraftig vind. Dette er også imødegået ved at designe vingerne med en fremadkrumning på den yderste trediedel. Det sidste giver desuden en lille effektivitetsforøgelse ved optimal vindhastighed.

  • 5
  • 0

En af mine venner der har været ping i Vestas fortalte mig, at den primære grund til de tre vinger nu om dage er, at de er mindre ubehagelige at se på. To-vingede møller "vælter" horisonten når de kører, hvilket er visuelt er ubehageligt.
Jeg har ikke andre referencer en min gode vens udsagn, men det er sjældent han ikke har ret når det kommer til teknik.

Envision er vist ved at teste en 2-bladet mølle lige pt.

  • 1
  • 0

Det besvares faktisk i artiklen:

Det kan vises teoretisk, at den største effekt kan udvindes (ca. 60% af den totale effekt i den indkomne vind), hvis vindhastigheden i rotorplanet mindskes til to tredjedele af den oprindelige hastighed.

Det gælder altså om at vinkle vingerne således, at man rammer en hastighed hvor man opnår den ideelle vindmodstand.


tak for svar, men jeg må indrømme at jeg ikke rigtigt forstår svaret. Når rotorbladet bevæger sig opad vil det helt rigtigt blive udsat for lavere faktisk vindhastighed, men når det fra toppunktet bevæger sig nedad må det vel blive udsat for højere faktisk vindhastighed. Og så har man vel ikke vundet noget ?

  • 0
  • 0

@ Mogens Hansen:

Tak for svaret og linket. Interessant og sjovt.

Men hvorfor stopper man møllerne ved strømafbrydelser? Som uindviet ville man jo synes, at man netop havde god brug for det, når andre strømkilder svigter.

  • 1
  • 0

Flertallet af moderne möller kan ikke köre uden et net. Typisk kräves en kortslutningseffekt paa 5 x möllens installerede effekt for at den kan köre stabilt. Der er möller, der kan köre i ö-drift, men elforsyningen ser helst at man kobler fra i tilfälde af ö-drift alligevel, saa der er ikke rigtigt et behov

  • 1
  • 0

Har ofte tænkt på hvorfor man ikke lader vinden komme ind" bag fra " ???? nu bruger man en masse tid og penge på at forstærke vingerne, så de ikke bliver " tårn klaskere"

hvis vinden kom ind bag fra, så kunne vingerne teoretisk bøje ud til vandret...... uden at ramme tårnet???

designet nu svare til at man montere propellen på en båd ude i stævnen..... i stedet for at montere den i agter ??

MVH

jesper

  • 0
  • 0

Tvindmøllen er en "efterløber" med propellen bag tårnet.

Det blev den fordi konstruktørerne Helge Petersen, Per Lundsager, Peter Steen Andersen og Bjarne Maribo, netop var bange for at vingerne, der var lavet af polyester/glasfiberskaller af amatører, Tvinds elever, kunne vise sig ikke at være stive nok.

Der var ingen succesfulde fortilfælde med glasfibervinger af den størrelse på daværende tidspunkt

  • 1
  • 0

Jo færre vinger jo billigere møller, men færre vinger kræver også er højere vingehastighed.
Møller med færre blade end 4 kaldes hurtigløbere. Den etvingede er den ultimative hurtigløber, men som set, kræver den kontravægte og givet er der konstruktive forhold som kræver anderledes overvejelser end de flerbladede.

  • 0
  • 0

Men hvorfor stopper man møllerne ved strømafbrydelser? Som uindviet ville man jo synes, at man netop havde god brug for det, når andre strømkilder svigter.

Der er flere årsager..
Møllen skal selv bruge strøm til sine interne forbrugere, som f.eks. krøje motoere, kølepumper, smørepumper, og kontrolsystem. Dette forbrug antager ca. 100kW peak på en 3MW mølle.
Denne forsyning er hentet på klemmerne til møllen, og hvis der f.eks. er en kortslutning på nettet så mister møllen det meste af sin egen forsyning.
Og møllen skal bruge effekt fra nettet til at starte op igen.
Et andet problem er at møllen ryger i ødrift så er der ikke noget til at stabilisere spændingen eller netfrekvensen.
Jeg kan godt forklare om det hvis i er interesseret, men det er en længere historie... :-)

  • 5
  • 1

Hvis det vigtigste argument for en 3-vinget mølle er det visuelle, hvorfor er alle havmøllerne så 3-vingede? Dem er der da meget få mennesker der ser.

Det er også noget vrøvl at det er det vigtigste argument.
Alle er vist enige om at 2 eller 3 bladede møller er det mest økonomisk effektive.
De 3 bladede møller har en mere stabil rotor der overføre færre bøjnings kræfter på hovedakslen.
Og de 3 bladede har ved den samme vinge korde 2/3 mindre tip hastighed, og dermed meget mindre tip støj.
Ved den 2 bladede spare man en vinge, og man får stort set samme energi ud.
Den 2 bladede kan laves med teeter hub (hængslet) så den ikke overføre bøjnings kræfter til hoved akslen, men så der der bruges nogle kraftige fjerdre og en lang hovedaksel for at forhindre en 'tårn klasker'.

  • 5
  • 0

Den etvingede er den ultimative hurtigløber, men som set, kræver den kontravægte og givet er der konstruktive forhold som kræver anderledes overvejelser end de flerbladede.

Ja, Bjarke, de "konstruktive forhold" er dels at der kommer en konstant skæv belastning på hovedlejet og dels at en kontravægt giver rystelser ved alle andre hastigheder end den bestemte og prioriterede! Det er det samme som at man med kompensationsklodser på et ubalanceret bilhjul kun undgår rystelser ved én bestemt hastighed (som regel 100-110 km/h!). En rystelsefri rotation ved alle hastigheder kræver at massen er ligeligt fordelt omkring rotationsaksen!

John Larsson

  • 2
  • 1

Der er flere årsager..
Møllen skal selv bruge strøm til sine interne forbrugere, som f.eks. krøje motoere, køle/smøre/ hydraulik pumper og kontrolsystem. Dette forbrug antager ca. 100kW på en 3MW mølle.
Hvis nettet forsvinder er der normalt kun batteri backup på en del af kontrol systemet, i korttid efter netudfaldet. Når nettet kommer tilbage efter et længere netudfald, tager det tid at krøje op i vinden, samt at varme gearet op igen (så olien kan pumpes ud i alle smørekanaler), samt konditionere power elektronik skabe. (For at undgå lysbue når man starter effekt elektronikken op igen)
Når møllen producere effekt vil den normalt producere så meget effekt som muligt (Med mindre den er nedreguleret fra et overordnet regulerings system der regulere en hel park: curtailment, frekvens, og spændings kontrol).

Møllens regulering virker ved at den overordnede regulerings algoritme udregner at der f.eks. er vind (drivtogs hastighed) nok til at producere f.eks. 3MW. Denne effekt reference sendes så til converteren. Converteren er egentlig to frekvensomformere der deler den samme DC link back-to- back. Dvs. den foretager en AC/DC/AC konvertering, og afkobler rotations frekvensen (hastigheden) af generatoren, fra netfrekvensen på el nettet. Man styre generator momentet på Machine Side Inverter og DC link spændingen, samt reaktiv effekt på Line Side Inverter.

Det indre control loop i converteren er f.eks. på 8kHz, og PWM switch frekvensen er på det halve f.eks. 4kHz. (Jo højere frekvens jo færre netfrekvens harmoniske, men tilgengæld bliver switch tabene højere)

Converteren har en Grid-PLL der tracker net frekvens og fase ud fra den målte netspænding.
Det kan være at den kommer frem til at (i en given sample) net frekvensen er 314.16 rad/s, samt fase-fase spændingen er 690V, og fasevinlen i dette øjeblik er 10°. Converteren vil så PWM modellere 3 fasespændinger der er i fase med nettet (10,130,250°), men med en lidt højere spænding således at der løber en strøm i hver fase på 2500A (For at ramme de 3MW)

Møllerne er normalt ikke konfigureret til at lave frekvens og spændings regulering alene, og de kan ikke gøre det uden at se ind i en synkron generator med 'ægte enerti' (i modsætning til software emuleret).
Man kan se el nettet som en række svinghjul på samme aksel, nogle af svinghjulene trækker en belastning, andre bliver trukket af vindmøllerne. Tilbage er nogle rigtig stor svinghjul som er drevet af kraftværkerne, som indbyrdes regulere hastigheden på hele systemet. Systemet systemet er istand til at regulere hastigheden (frekvensen) stabilt når de store kraftværker altid levere mindst 15-25% af effekten.

Netfejlene kan være af forskellige art, f.eks. kortslutninger, eller afbrydelser (Ø Drift)
Hvis der er en kortslutning et stykke fra mølleparken vil det bliver oplevet som et kraftigt spændings dyk, og møllen skal kunne køre gennem korte dyk uden at lukke ned (Såkaldt Low Voltage Ride Truth). http://orbit.dtu.dk/files/51144424/A_Revie...

Møllen skal holde sig synkroniseret med nettet selvom der kun er 5% rest spænding tilbage, og den skal levere nominel strøm i denne situation for at hjælpe nettet med at cleare brydere (få 'automat sikringere' i det ring forbundene distributions net til at klippe sektionen med kortslutningen ud af ringen), og nettet har ca. 2.5 sek. til at få spændingen tilbage på næsten normal spænding. Ellers dør møllerne og vi risikere et cascading blackout.

Under LVRT kan møllen ikke aflevere ret meget af energien fra rotoren, og drivtoget vil spinne op i omdrejninger, derfor er der en dumpload som kan håndtere nominel effekt i nogle sekunder.
Under de 2.5 sekunder som netdykket max må vare, stopper ting der ikke er på UPS, det kan være systemer til køling, smøring, hydraulik, og krøjning der kortvarigt falder ud.

Hvis nettet afbrydes, således at møllen kommer i Ø drift vil converteren skrue op for spændingen, for at prøve at holde strømmen (og effekten), indtil den finder ud af at det ikke hjælper.
Under dette forløb kan der forekomme nogle høje spændings transiterer der er noget kortere end en netperiode.
På el nettet i en vindmølle park forekommer der af og til hændelser der ligger langt ud over det som alm. udstyr designes til.
Jeg har set UPS'er der brænder af ifm. overspændings transienter, og jeg har også set udstyr der gik i baglås under et netdyk da det forventede at hvis spændingen faldt under 50%, så vil spændingen forsvinde helt.

  • 5
  • 0

Nu vi er ved at snakke mølledesign, så kunne jeg godt tænke mig at vide, hvorfor man bliver ved med at montere generator, HV transformer, køler mm oppe i nacellen??

På en 8MW Vestas bandit, der vejer nacellen ( vist incl nav og vinger) noget der ligner 380 tons, hvis jeg lige husker rigtig. Det giver selvsagt nogen udfordringer mht transport og montering.

Hvorfor laver man ikke et 90 gr gear og sender rotations kraften ned gennem tårnet i 2 kontra roterende aksler?? Så ville man kunne flytte en en go del af vægten ned. Ved ikke om man ville kunne spare materialle i tårnet, eller om det er vindpresset, der gør den skal være så kraftig.

Jeg er godt klar over, at et gear vil gi noget tab. Og nu var man lige sluppet af med gearkassen...

Et par andre fordele:
1) Man slipper for det lange højspændings kabel ned gennem tårnet og balladen med at un-tviste den fra tid til anden
2) Service bliver nemmere. Så længe man ikke skal ha hele generatoren ud altså.
3) Man ville kunne bruge tårnet til kølning (af transformer olien??), så man undgår den "øjn-bæ" af en køler, som Vestas har lavet på de sidste modeller.

  • 0
  • 1

Jeg har gået og leget med en anden tosset ide. Men min lommeregner kommer med nogle tal, som jeg ikke helt synes kan passe.
Tænkte man kunne lave en stor vand tank i toppen af tårnet, og så pumpe vand derop om natten, når strømmen er billig.
Ved ikke om jeg trykker rigtig på lommeregner, men kan det virkelig passe det kun vil koste 34KW/H at pumpe 75 tons, 100 meter op???? Og det m 0.6 pumpe effektivitet.... Eller ca de strøm en stor mølle laver på 30 sekunder.

Vi kunne selvfølgelig også bare få Svenkerne og Nordmændene til at pumpe noget af vandet tilbage i søerne om natten. Eller endnu bedre, få priserne strikket sådan sammen, at det bedre kunne betale sig at lade de blive deroppe, hvis ikke der er behov nok til at bruge møllernes produktionen.

  • 0
  • 5

Hvorfor laver man ikke et 90 gr gear og sender rotations kraften ned gennem tårnet i 2 kontra roterende aksler?? Så ville man kunne flytte en en go del af vægten ned.

Kontra roterende aksler ned gennem tårnet ? Det lyder dyrt.
Aksel diameteren på en 3MW generator er omkring 10cm, der skal bruges meget materiale til akslerne, samt lejebukke op gennem tårnet.
Kontra roterende aksler kræver dobbelte lejer, der skal smøres og overvåges.
Hvordan vil du kunne inspicer og skifte delene..

Hvad mener du med at du spare gearkassen ? Du skal da have et reduktions og et vinkel gear?
Et gears størrelse afhænger af det moment det skal overføre, og det er det første (low speed) trin der fylder mest. Dit vinkel gear vil ikke fylde, eller veje mindre end eksisterende gear.

Højspændings kablet er også ca. 10 i diameter, men det meste er isolator, så de 3 ledere er kun ca. 1 cm i diameter. (Vejer betydelig mindre en en aksel)

Mht. un-tvist så kræver det et ophæng af kablerne det tillader tvist uden at beskade dem, samt en encoder på krøjesystemet. Med dit aksel princip skal du også overføre signaler til nacellen, og hvis du ikke vil lave udsnoning så skal du have en hollow shaft slip ring omkring din aksel.

Dit tårn bliver fyldt op af højspændings transformator, frekvensomformer, generator, kølesystemet etc. Store åbninger i tårnet kræver store forstærkninger omkring åbningen, hvilket gør at tårnet bliver meget dyrere og tungere hvor åbningen er. (Sammenlignet med ubrudt tårn)
Alle disse dele kan ikke stå på én etage i tårnet, så enten skal du have åbninger i flere etager, eller skal transformator/converter ud først for at få generatoren ud.
Ting bliver ikke nødvendigvis nemmere at få ud blot fordi det står i tårnet..
Kølesystemet skal primært køle gear, generator og converter, men også højspændings trafo, og hydrauliksystemet afgiver varme.

  • 2
  • 0

Hvis det vigtigste argument for en 3-vinget mølle er det visuelle, hvorfor er alle havmøllerne så 3-vingede? Dem er der da meget få mennesker der ser.


Det er fordi det allervigtigste for møller på havet er pålidelighed. Det koster bare så meget mere at få et skib derude med en tekniker om bord og reservedele end at parkere en folkevogn transporter ved siden af en landmølle. Og eftersom man har mest erfaring med tre-bladede møller, blev det også dem for de første generationer af havvindmøller.

  • 2
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten