Pienikokoisen pystyakselisen tuuliturbiinin perussuunnittelu

Abstract

Työssä selvitetään pienikokoisen pystyakselisen tuuliturbiinin suunnitteluun liittyviä erityispiirteitä ja annetaan lähtökohdat roottorin aerodynaamiseen suunnitteluun. Työn alussa tarkastellaan tuulen energian hyödyntämisen perusteoriaa, jonka jälkeen käydään tarkemmin läpi aerodynaamisen nostovoimaa tuottavan siiven toiminnan fysikaaliset perusteet. Pystyakselisista tuuliturbiinivaihtoehdoista vastusvoiman avulla toimivista ratkaisuista käsitellään Savonius-roottoria sekä sen modifikaatioita sanallisesti. Pystyakselisista nostovoimaroottoreista käsitellään tarkemmin suorasiipistä Darrieus-roottoria ja sen toimintaperiaatetta. Työssä selvitettiin pystyakselisen tuuliturbiinin roottoria suojaavan staattorirakenteen vaikutusta sen toimintaan. Pystyakselinen tuuliturbiini voidaan integroida symmetrisen staattorirakenteen sisälle siten, että staattorirakenne ohjaa virtausta roottorille suotuisalla tavalla. Symmetriseksi suunniteltu staattorirakenne aiheuttaa kuitenkin aina voimakkaat muotovastuksesta aiheutuvat virtaushäviöt, mikä heikentää tuuliturbiinikokonaisuuden suorituskykyä. Staattorirakenteen vaikutusta virtaukseen on selvitetty diplomityöhön liittyvään projektin yhteydessä virtausmallinnuksen avulla. Hyvin pienikokoisissa pystyakselisissa tuuliturbiinisovelluksissa vastusvoima-periaatteella toimiva roottori on yksinkertaisemman rakenteensa sekä itsestään käynnistyvyytensä ansiosta nostovoimaperiaatteella toimivaa roottoria parempi vaihtoehto. Pienikokoisten pystyakselisten nostovoimaroottoreiden tehokertoimet eivät yllä suurikokoisempien sovelluksien tasolle, sillä pienestä koosta aiheutuvat roottorin pintasuhteen nousu, sekä pienemmät siipiprofiilien jänteen pituudet saavat aikaan roottorin suorituskykyä alentavia voimakkaita aerodynaamisia ilmiöitä.

Object of this thesis is to examine the characteristics involved in designing a small vertical-axis wind turbine application and give a baseline for the aerodynamic design of a wind turbine rotor. First the basics of wind energy conversion and the aerodynamic principles of a lift generating airfoil are presented. For drag based vertical-axis wind turbines the emphasis is on the Savonius-rotor concept and its modifications. For lift based vertical axis wind turbines the emphasis is on the straight bladed Darrieus-rotor concept. The effects on rotor performance of a stator design around a vertical-axis rotor were investigated. A rotor can be integrated inside a stator geometry in a way that the stator channels the incoming airflow in a favorable way for the rotor. A symmetrical design always causes flow losses due to pressure drag, which decreases the overall performance of the wind turbine. The effects of the stator on the flow are investigated through computed fluid dynamics in a project affiliated with this thesis. In very small sized vertical-axis wind turbine applications the drag based rotor is a better option than the lift based rotor due to its much simpler design and ability to self-start. Small sized lift based vertical-axis wind turbine applications do not reach the same level of efficiency as larger applications due to aerodynamic phenomenon caused by the combination of increased solidity of the rotor and shorter airfoil chord lengths.