Vindmylluturnar og hvernig þær hafa áhrif á skilvirkni
Vindorka hefur orðið mikilvægur þáttur í umbreytingunni yfir í hreina orku. Þegar fólk hugsar um vindmyllur færist athyglin oft að stóru, snúandi blöðunum efst. Hins vegar er jafn mikilvægur og oft gleymdur þáttur: vindmylluturninn. Turninn er ekki bara „stuðningsstöng“ heldur frekar burðarvirki og loftaflfræðilegur þáttur sem ræður verulega hversu áhrifaríkt vindmyllan breytir vindorku í rafmagn. Hæð turnsins, stífleiki, efniviður og uppsetningaraðferð geta haft áhrif á afköst, kostnað, áreiðanleika og jafnvel líftíma hennar.
Hlutverk turna í vindmyllukerfum
Almennt séð þjónar vindmylluturn því hlutverki að lyfta nacelle (rafstöðvarhúsinu og gírkassanum, ef einhver er) og snúningshlutanum upp í ákveðna hæð svo að túrbínan geti fangað sterkari og stöðugri vind. Vindur nálægt jörðu er yfirleitt hægari vegna núnings við jörðu, tré, byggingar og landslag. Með því að lyfta snúningshlutanum upp á við „sleppir“ túrbínan úr svæðinu með mikla ókyrrð og fer inn í stöðugra vindlag.
Að auki verður turninn að þola ýmsa álag: stöðugt álag frá þyngd nacelle og snúningshluta, sem og kraftmikið álag frá vindi, titringi og breytingum á snúningsstefnu snúningshlutans. Turninn verður einnig að vera hannaður til að forðast ómun við snúningstíðni snúningshlutans eða aðra titring í burðarvirkinu, þar sem ómun getur hraðað efnisþreytu og aukið hættu á bilun.
Hæð turnsins: betri aðgangur að vindi
Augljósasti þátturinn sem hefur áhrif á skilvirkni er hæð turnsins. Vindhraði eykst með hæð vegna minni áhrifa yfirborðsnúnings. Á mörgum stöðum getur aðeins prósentustig aukning á vindhraða leitt til mun meiri orkuaukningar, þar sem aflið sem er tiltækt frá vindinum er í beinu hlutfalli við þriðjung vindhraðans. Þetta þýðir að 10% aukning á vindhraða getur aukið hugsanlega orku sem er uppskorin um 33% (í orði kveðnu), þó að raunveruleg aukning sé háð aflsferli túrbínunnar og rekstrarþörfum.
Hærri turnar hjálpa einnig til við að draga úr ókyrrð. Ókyrrð veldur ójafnri vindflæði, sem eykur sveiflukenndan álag á snúningsásinn og gírkassann. Með stöðugri vindi getur túrbínan starfað nær kjörstöðupunkti sínum, sem dregur úr frávikum í stefnu túrbínunnar (blaðhorni) og stefnu hennar miðað við vindinn) og dregur úr sliti. Endanleg niðurstaða er ekki aðeins meiri orkuframleiðsla heldur einnig lægri viðhaldskostnaður.
Hins vegar verða hærri turnar einnig dýrari og flóknari. Efniskostnaður eykst, flutningar verða erfiðari, undirstöður verða að vera sterkari og uppsetning krefst krana með stærri afkastagetu. Þess vegna er hönnun á hæð turnanna alltaf málamiðlun milli aukinnar orkuframleiðslu og hækkandi fjárfestingarkostnaðar.
Stífleiki og titringur: stöðugleiki hefur áhrif á afköst
Sveigjanlegir kraftar á turn hafa veruleg áhrif á rekstrarhagkvæmni. Turnar sem eru of sveigjanlegir geta orðið fyrir meiri sveigju (beygju) í sterkum vindi. Þessi sveigja getur leitt til þess að túrbínan grípi til öflugri stjórnunaraðgerða til að vernda mannvirkið, svo sem að draga úr afli (lækkun) eða snúa blaðhorninu til að draga úr þrýstikrafti. Þar af leiðandi minnkar orkuframleiðsla við ákveðnar aðstæður.
Þar að auki getur of mikill titringur haft áhrif á gæði aflgjafans og áreiðanleika íhluta. Nútíma túrbínur nota stjórnkerfi og skynjara til að greina titringsfrávik. Ef titringur fer yfir ákveðið þröskuld getur túrbínan farið í verndarham eða stöðvast tímabundið. Á stærðargráðu vindorkuvera munu tíðar stöðvar draga úr afkastagetu og hagkvæmni verkefnisins.
Þess vegna tekur hönnun turnsins mið af eigintíðni burðarvirkisins til að tryggja að hún fari ekki saman við snúningstíðni snúningshlutans (1P) eða sveiflur hans (3P fyrir þriggja blaða túrbínur). Rétt burðarvirkjun hjálpar túrbínunni að starfa stöðugri, dregur úr þörfinni fyrir tíðar vernd og viðheldur mikilli orkuframleiðslu.
Efni turnsins: stál, steypa og blendingur
Flestir vindmylluturnar á landi nota keilulaga rörlaga stál. Stál er tiltölulega auðvelt í framleiðslu, sterkt og gerir kleift að setja það saman í einingum. Hins vegar, fyrir mjög háa turna, getur neðri þvermál stálturnsins verið of stórt fyrir flutning á vegum. Þessar flutningslegar takmarkanir hvetja til notkunar á steyptum turnum, stálturnum með sérstökum hlutum eða blönduðum hönnunum (samsetning af steypu neðst og stáli efst).
Steyptar turnar hafa þann kost að vera stífir og hægt er að smíða þá nálægt verkstæðinu, sem dregur úr flutningsþrengingum. Mikil stífleiki getur dregið úr sveigju og titringi, sem hjálpar túrbínunum að vera áfram starfandi í breytilegum vindskilyrðum. Hins vegar hefur steypa einnig í för með sér áskoranir: þunga þyngd, lengri byggingartíma og strangar kröfur um vinnubrögð til að koma í veg fyrir sprungur sem draga úr líftíma.
Blendingsturn reyna að nýta sér hvort tveggja: steypu að neðan til að auka stífleika og stöðugleika og stál að ofan til að draga úr þyngd efst og auðvelda samþættingu við mótorhjól. Efnis- og hönnunarval hefur að lokum áhrif á skilvirkni í gegnum tvær meginleiðir: vindbindingu (í gegnum hæð turnsins) og stöðugan rekstur (í gegnum kraftmikil viðbrögð og þreytuþol).
Áhrif turnsins á loftaflfræði og „skuggi“ turnsins
Turnarnir hafa einnig áhrif á loftflæðið í kringum snúningshlutann. Eitt vel þekkt fyrirbæri er „turnskugginn“, truflun á vindflæðinu þegar blöðin fara fyrir framan turninn. Þessi truflun veldur reglubundnum breytingum á álagi á blöðin og getur aukið titring og hávaða. Í vindáttar túrbínum (snúningshluti snýr að vindinum, turninn fyrir aftan snúningshlutann) eru skuggaáhrif turnsins minni en í vindáttarstillingum, en þau eru samt til staðar vegna þess að flæðið í kringum turninn veldur staðbundinni ókyrrð.
Hvað varðar skilvirkni er skuggi turnsins yfirleitt ekki eins mikilvægur þáttur og hæð turnsins eða vindgæði, en hann hefur áhrif á þreytuálag. Hátt þreytuálag getur neytt framleiðendur til að setja íhaldssamari rekstrarmörk eða auka kostnað við hönnun blaða. Með öðrum orðum, turnhönnun sem lágmarkar flæðitruflanir - til dæmis slétt rörlaga lögun og góð þvermálsbreytingar - getur hjálpað túrbínunni að starfa betur í byggingarlegu tilliti, sem leiðir til aukinnar langtíma skilvirkni.
Undirstöður og samspil jarðvegs og uppbyggingar
Turn standa ekki einir og sér; þeir hvíla á undirstöðum sem hafa samskipti við jarðveginn. Ef jarðvegsaðstæður eru mjúkar eða ójafnar getur turninn sigið eða hallað lítillega, sem hefur áhrif á sveiflukerfið og álagsdreifingu á snúningsásnum. Kraftmikil víxlverkun jarðvegs og uppbyggingar getur einnig breytt titringseiginleikum turnsins. Á ákveðnum stöðum geta ófullnægjandi undirstöður leitt til aukinnar titrings og minnkaðrar afkastagetu túrbína vegna tíðari virkjunar verndarkerfa.
Þess vegna eru jarðtæknilegar rannsóknir og hönnun grunna nátengdar skilvirkni, þótt þær séu oft taldar óháðar loftaflfræðilegri afköstum. Túrbínur sem stöðvast oft vegna titrings eða hallavandamála munu tapa framleiðslustundum og auka rekstrarkostnað.
Áhrif á kostnað og hagkvæmni
Nýtni vísar ekki aðeins til orkunýtni (hversu mikil rafmagn er framleitt með vindorku) heldur einnig til efnahagslegrar skilvirkni: kostnaðar á kWh yfir líftíma verkefnisins. Hærri og stífari turnar geta aukið framleiðslu, en þeir auka einnig fjárfestingarkostnað. Helst velja verktakar turnhönnun sem skilar lægsta stigbundnum orkukostnaði (LCOE), ekki bara mestu framleiðslunni.
Í reynd fer val á turni oft eftir eiginleikum staðarins: meðalvindhraða, ókyrrðarstyrk, flutningshömlum, aðgengi að krana og reglum á hverjum stað (t.d. hæðartakmörkunum vegna flugs). Besti turninn er sá sem „passar“ við aðstæður á hverjum stað — nógu hár til að nýta bestu vindana, nógu sterkur til að bera álagið og nógu hagkvæmur í byggingu og viðhaldi.
Niðurstaða
Vindmylluturnar eru lykilþættir sem hafa veruleg áhrif á heildarnýtni þeirra. Með því að hækka snúningshlutann upp í hæðir þar sem vindar eru sterkari og stöðugri auka turnarnir orkuframleiðslugetu. Með réttri burðarvirkishönnun – stífri en samt ónæmri fyrir óm – viðhalda turnarnir stöðugum rekstri hverflanna, draga úr titringi og lágmarka þörfina fyrir varnarstöðvun. Efnisval (stál, steypa eða blendingur), gæði undirstöðu og stjórnun á áhrifum eins og skugga frá turninum stuðla einnig að langtímanýtni með því að auka áreiðanleika og draga úr efnisþreytu.
Að lokum næst besta skilvirknin ekki aðeins með því að hafa hæsta mögulega turninn heldur einnig með því að hafa þann turn sem hentar best staðsetningu og þörfum verkefnisins. Þegar turn er hannaður á besta hátt framleiðir túrbínan ekki aðeins meiri rafmagn heldur virkar hún einnig stöðugri, endist lengur og er hagkvæmari allan líftíma sinn.
