Aerodynamica van windturbines met horizontale assen

Kinetische energie uit de wind halen

Een windturbine is een apparaat voor het extraheren van kinetische energieenergie uit de wind. Door een deel van zijn kinetische energie te verwijderen, moet de wind langzamer lopen, maar alleen de luchtmassa die door de rotorschijf gaat, wordt beïnvloed.

Ervan uitgaande dat de aangetaste massa lucht blijftgescheiden van de lucht die niet door de rotorschijf passeert en niet vertraagt, kan een grensoppervlak worden getrokken dat de aangetaste luchtmassa bevat en deze grens kan zowel stroomopwaarts als stroomafwaarts worden verlengd, waarbij een lange stroombuis met cirkelvormige dwarsdoorsnede wordt gevormd. Er stroomt geen lucht over de grens en dus zal de massastroomsnelheid van de lucht die langs de stroombuis stroomt gelijk zijn voor alle stroomopwaartse posities langs de stroombuis.

Omdat de lucht in de stroombuis langzamer wordt maar niet samengedrukt, moet het dwarsdoorsnede-oppervlak van de stroombuis worden uitgebreid om plaats te bieden aan de langzamer bewegende lucht (figuur 1).

Hoewel kinetische energie wordt geëxtraheerd uit deluchtstroming, een plotselinge stapverandering in snelheid is noch mogelijk noch wenselijk vanwege de enorme versnellingen en krachten die dit zou vereisen. Drukenergie kan echter stapsgewijs worden geëxtraheerd en alle windturbines, ongeacht hun ontwerp, werken op deze manier.

Figuur 1 De energie-afnemende stroombuis van een windturbine

De aanwezigheid van de turbine zorgt ervoor dat de naderende lucht, stroomopwaarts, geleidelijk afneemt, zodat wanneer de lucht bij de rotorschijf aankomt zijn snelheid al lager is dan de vrije windsnelheid.

De stream-tube breidt zich uit als gevolg van dehet vertragen en, omdat er nog geen werk is gedaan aan, of door, de lucht zijn statische druk stijgt om de afname in kinetische energie te absorberen. Als de lucht door de rotorschijf gaat, is er, door het ontwerp, een daling in statische druk zodat bij het verlaten de lucht onder het atmosferische drukniveau is. De lucht stroomt dan stroomafwaarts met gereduceerde snelheid en statische druk - dit deel van de stroom wordt het zog genoemd.

Uiteindelijk, ver stroomafwaarts, de statische drukin het kielzog moet terugkeren naar het atmosferische niveau om een ​​evenwicht te bereiken. De stijging van de statische druk gaat ten koste van de kinetische energie en veroorzaakt dus een verdere vertraging van de wind. Dus, tussen de verre stroomopwaartse en verre kielzogomstandigheden, is er geen verandering in statische druk maar er is een reductie in kinetische energie.