Profile aerodynamiczne, przekrój poprzeczny łopat turbiny wiatrowej, stanowi podstawę konstrukcji łopat turbin. Generując siłę nośną i opór podczas ruchu w powietrzu, profile aerodynamiczne odgrywają kluczową rolę w poprawie aerodynamiki i trwałości strukturalnej łopat turbin.
Profile aerodynamiczne przeszły znaczną ewolucję od początków branży energetyki wiatrowej. W latach 70. projektanci wybierali kształty łopat z biblioteki standardowych profili aerodynamicznych sprzed II wojny światowej, zaprojektowanych dla skrzydeł samolotów przez National Advisory Committee for Aeronautics, poprzednika NASA.
Początkowo projektanci łopat turbin wiatrowych koncentrowali się na kluczowych cechach, takich jak skręt i zwężenie, aby zoptymalizować aerodynamikę, zwiększając prędkość i efektywność, jednocześnie redukując opór. Jednak w latach 80. i 90. inżynierowie odkryli, że to nie wystarcza, a braki w wydajności eksploatacyjnej można było powiązać z wydajnością profili aerodynamicznych.
Na przykład, inżynierowie zauważyli, że powierzchnia krawędzi natarcia łopaty (przednia krawędź, która jako pierwsza styka się z powietrzem) staje się z czasem bardziej chropowata. Było to spowodowane zanieczyszczeniami, wynikającymi z nagromadzenia brudu i owadów (podobnie jak szyba samochodu bez wycieraczek), a także drobnymi uszkodzeniami wynikającymi z ogólnego zużycia. W latach 80. na wczesnych farmach wiatrowych w Kalifornii (Altamont Pass i Palm Springs) zanieczyszczenia powodowały spadek produkcji energii nawet o 30%, aż do momentu, gdy technicy umyli łopaty, co stanowiło istotne obciążenie pracą w sezonach wietrznych, a tym samym bardziej opłacalnych.
Podmuchy wiatru wywierały dodatkowy nacisk na łopaty, prowadząc do obciążeń przekraczających przewidywane wartości. Powodowało to zatrzymanie lub spowolnienie rotacji łopat, co z kolei obniżało wydajność i produkcję energii przez turbinę wiatrową.
Stało się jasne dla badaczy z National Renewable Energy Laboratory (NREL, wcześniej znanego jako Solar Energy Research Institute), że osiągnięcie lepszej i bardziej niezawodnej wydajności wymagało opracowania nowych profili aerodynamicznych dostosowanych specjalnie do turbin wiatrowych. W 1984 roku, z finansowaniem od Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE), badacze NREL nawiązali współpracę z firmą Airfoils Inc., małym przedsiębiorstwem specjalizującym się w projektowaniu profili aerodynamicznych, aby pomóc rozwiązać te problemy.
Historia profili aerodynamicznych.
Rok 1975. Współdzielenie projektów.
Lata 70.: Projektanci wybierali kształty łopat turbin wiatrowych z biblioteki standardowych profili aerodynamicznych sprzed II wojny światowej, zaprojektowanych dla skrzydeł samolotów.
Rok 1982. Nowa wizja profili aerodynamicznych.
Lata 80.: Badacze dochodzą do wniosku, że osiągnięcie lepszej i bardziej niezawodnej wydajności turbin wiatrowych wymaga opracowania nowych profili aerodynamicznych dostosowanych specjalnie do tych zastosowań.
Rok 1984. Początek badań NREL.
Badacze NREL nawiązali współpracę z firmą Airfoils Inc., aby zmniejszyć wpływ zanieczyszczeń krawędzi natarcia na wydajność profili aerodynamicznych oraz poprawić ich właściwości aerodynamiczne.
Rok 1991. Nagrodzone badania.
NREL otrzymuje nagrodę R&D 100 za pracę nad profilami aerodynamicznymi do turbin wiatrowych.
Lata 1994 — 1995. Patenty NREL.
NREL uzyskało patenty w Stanach Zjednoczonych i Europie na swoje profile aerodynamiczne, co doprowadziło do zawarcia 12 komercyjnych licencji między firmami z branży a NREL.
Rok 1998. Fundamentalna publikacja.
NREL publikuje “Advanced Airfoils for Wind Turbines”, przedstawiającą rodziny opracowanych profili aerodynamicznych.
Rok 2023. Ciągły postęp.
Rodziny profili aerodynamicznych NREL są nadal wykorzystywane komercyjnie. Ich podstawowe projekty przyczyniły się do powstania wielu innych rodzin profili aerodynamicznych.
Zmiana kształtu łopat poprawiła wydajność turbin wiatrowych.
Wysiłki projektowe wspierane przez DOE miały na celu:
- Zmniejszenie wpływu zanieczyszczeń krawędzi natarcia na wydajność profili aerodynamicznych.
- Poprawę aerodynamicznych właściwości profili aerodynamicznych.
NREL i Airfoils Inc. zastosowali zarówno metody eksperymentalne, jak i obliczeniowe w procesie projektowania. Metoda eksperymentalna umożliwiła weryfikację nowych projektów profili w wersjach czystych i zanieczyszczonych. Testy w tunelu aerodynamicznym o niskiej turbulencji na Uniwersytecie w Delfcie w Holandii wykazały, które modele wymagały poprawek. W formie cyfrowej badacze stworzyli dwuwymiarowe i trójwymiarowe projekty profili aerodynamicznych, aby symulować potencjalne usprawnienia funkcjonalne.
Pomiary eksperymentalne i prace projektowe wskazały badaczom, że:
- Krawędzie natarcia profili aerodynamicznych mogą być dostosowane do mniejszej wrażliwości na zanieczyszczenia.
- Części łopat bliżej końców generują większość mocy. W tych miejscach profile aerodynamiczne powinny być tak cienkie, jak to możliwe, aby zwiększyć efektywność aerodynamiczną i odporność na zanieczyszczenia.
- Ulepszenie konstrukcji w pobliżu nasady łopaty poprawia wydajność turbiny w obliczu zanieczyszczeń i chropowatości.
Te odkrycia jednoznacznie wykazały, że dla każdej sekcji wzdłuż łopaty turbiny wiatrowej potrzebne są nowe, dostosowane profile aerodynamiczne.
Wszystko w rodzinie profili aerodynamicznych.
Wynikiem tych badań była pierwsza „rodzina profili aerodynamicznych” dla turbin wiatrowych. Rodziny te priorytetowo traktowały aspekty projektowania profili aerodynamicznych, aby sprostać wymaganiom aerodynamicznym i strukturalnym.
Dzięki finansowaniu DOE stworzono łącznie siedem rodzin profili aerodynamicznych, które zostały zweryfikowane i opublikowane w serii raportów oraz patentów w połowie lat 90. Razem wyznaczyły one standardy efektywności w projektowaniu łopat turbin wiatrowych.
Rodzina cienkich profili aerodynamicznych dla średnich łopat.
Rodzina grubych profili aerodynamicznych dla dużych łopat.
Dwa przykłady „rodzin” profili aerodynamicznych opracowanych przez NREL, dostosowanych do aerodynamiki i potrzeb turbin wiatrowych. Źródło: NREL. 1998. Zmienione w 2000. Advanced Airfoils for Wind Turbines.
Od momentu wprowadzenia na rynek na początku lat 90., te profile aerodynamiczne opracowane przez DOE ustanowiły światowy standard efektywności w projektowaniu łopat turbin.
Standaryzowane projekty przyniosły nagrody.
Szersza branża energetyki wiatrowej szybko dostrzegła korzyści wynikające z rodzin profili aerodynamicznych opracowanych przez NREL. Zanieczyszczenia nie wpływały już na wydajność aerodynamiczną, a wymagania dotyczące obciążeń były lepiej dopasowane. Roczna produkcja energii wzrosła o 10%–35% w porównaniu do standardowych profili aerodynamicznych z lat 70.
Te osiągnięcia przyniosły projektowi prestiżową nagrodę R&D World R&D 100 w 1991 roku.
NREL uzyskało także pięć patentów w Stanach Zjednoczonych na te profile aerodynamiczne, a także liczne odpowiadające im patenty europejskie. Patenty te doprowadziły do zawarcia 12 komercyjnych licencji między firmami z branży a NREL.
Rodziny profili aerodynamicznych nadal używane.
Chociaż rodziny profili aerodynamicznych NREL zaprojektowane na początku lat 90. są nadal wykorzystywane komercyjnie z aktywnymi licencjami przemysłowymi, postępy w modelowaniu aerodynamicznym, metodach optymalizacji i innych technikach projektowania komputerowego doprowadziły do powstania nowych rodzin profili aerodynamicznych.
Te nowsze profile aerodynamiczne skorzystały z wiedzy zdobytej dzięki programowi badawczemu NREL finansowanemu przez DOE. Ogólnie rzecz biorąc, inwestycje DOE w profile aerodynamiczne dostosowane do turbin wiatrowych znacznie poprawiły ich wydajność i obniżyły koszty energii wiatrowej w całej branży.
Źródła:
https://www.energy.gov/eere/wind/articles/airfoils-where-turbine-meets-wind
https://pl.wikipedia.org/wiki/Turbina_wiatrowa
https://pl.wikipedia.org/wiki/Elektrownia_wiatrowa
https://pl.wikipedia.org/wiki/Energia_wiatru