Γιατί σχεδόν όλες οι ανεμογεννήτριες έχουν τρία πτερύγια;

Μέσα από το “ENERGY STORIES Powered by ΔΕΗ”, εξερευνούμε κάθε εβδομάδα μια διαφορετική πτυχή της ενέργειας, από τις μεγάλες ανακαλύψεις του παρελθόντος μέχρι τις τεχνολογίες που διαμορφώνουν το αύριο.

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί σχεδόν όλες οι ανεμογεννήτριες έχουν τρία πτερύγια και όχι δύο, που ενδεχομένως θα ήταν λιγότερο δαπανηρές ή τέσσερα – πέντε, που θεωρητικά θα μπορούσαν να αξιοποιούν μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του ανέμου;

Ο αριθμός των πτερυγίων δεν επιλέχθηκε τυχαία, ούτε αποτελεί κάποια απαράβατη αρχή της φυσικής.

Είναι το αποτέλεσμα δεκαετιών μηχανικής εξέλιξης, δοκιμών και αναζήτησης της καλύτερης σχέσης ανάμεσα στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, τη σταθερότητα και το κόστος.

Πώς παράγει ρεύμα μια ανεμογεννήτρια;

Για να καταλάβουμε γιατί επικράτησαν τα τρία πτερύγια, χρειάζεται πρώτα να δούμε πώς λειτουργεί μια ανεμογεννήτρια.

Σε αντίθεση με αυτό που ίσως φανταζόμαστε, ο άνεμος δεν σπρώχνει απλώς τα πτερύγια σαν να ήταν πανιά.

Τα σύγχρονα πτερύγια έχουν αεροδυναμικό σχήμα, παρόμοιο με εκείνο των φτερών ενός αεροπλάνου. Καθώς ο αέρας περνά γύρω τους, δημιουργείται μια δύναμη που ονομάζεται άντωση και συμβάλλει στην περιστροφή τους.

Η περιστροφή μεταφέρεται σε μια ηλεκτρογεννήτρια, η οποία μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική.

Το ζητούμενο, επομένως, δεν είναι απλώς να περιστρέφονται τα πτερύγια όσο πιο γρήγορα γίνεται, αλλά να αξιοποιούν αποτελεσματικά την ενέργεια του ανέμου, χωρίς να επιβαρύνονται υπερβολικά τα μηχανικά μέρη.

Γιατί όχι δύο πτερύγια;

Μια ανεμογεννήτρια με δύο πτερύγια μπορεί πράγματι να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Μάλιστα, έχει ένα προφανές πλεονέκτημα, καθώς χρειάζεται ένα πτερύγιο λιγότερο, επομένως μπορεί να είναι ελαφρύτερη και οικονομικότερη στην κατασκευή.

Ωστόσο, οι ανεμογεννήτριες με δύο πτερύγια σχεδιάζονται συχνά ώστε να περιστρέφονται ταχύτερα, προκειμένου να επιτύχουν υψηλή απόδοση. Η μεγαλύτερη ταχύτητα στις άκρες των πτερυγίων μπορεί να προκαλεί περισσότερο αεροδυναμικό θόρυβο.

Παράλληλα, η περιστροφή τους δημιουργεί πιο σύνθετες μηχανικές καταπονήσεις. Καθώς τα πτερύγια περιστρέφονται, δεν συναντούν παντού τις ίδιες συνθήκες ανέμου. Για παράδειγμα, ο άνεμος είναι συνήθως ισχυρότερος σε μεγαλύτερο ύψος από ό,τι κοντά στο έδαφος.

Στις δίπτερες ανεμογεννήτριες, αυτές οι διαφορές μπορούν να δημιουργούν μεγαλύτερες διακυμάνσεις στις δυνάμεις που ασκούνται στον μηχανισμό, ιδιαίτερα όταν η ανεμογεννήτρια αλλάζει προσανατολισμό για να ακολουθήσει τον άνεμο.

Αυτό δεν σημαίνει ότι οι δίπτερες ανεμογεννήτριες είναι ασταθείς ή ακατάλληλες. Σημαίνει όμως ότι χρειάζονται διαφορετικές σχεδιαστικές λύσεις για τον περιορισμό των καταπονήσεων.

Σύμφωνα με μελέτη του αμερικανικού National Renewable Energy Laboratory (NREL), οι τρίπτερες ανεμογεννήτριες μπορούν επίσης να επιτυγχάνουν ελαφρώς υψηλότερη αεροδυναμική απόδοση.

Και γιατί όχι τέσσερα ή πέντε;

Θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι όσο περισσότερα πτερύγια έχει μια ανεμογεννήτρια τόσο περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια παράγει. Στην πραγματικότητα, όμως, περισσότερα πτερύγια δεν σημαίνουν αναλογικά περισσότερη ενέργεια.

Η προσθήκη ενός τέταρτου πτερυγίου μπορεί να προσφέρει ένα μικρό αεροδυναμικό όφελος, αλλά αυτό δεν είναι συνήθως αρκετό για να δικαιολογήσει το επιπλέον κόστος.

Κάθε πτερύγιο χρειάζεται υλικά, κατασκευή, μεταφορά, εγκατάσταση και συντήρηση. Προσθέτει επίσης βάρος στον περιστρεφόμενο μηχανισμό.

Όσο αυξάνεται ο αριθμός τους, τόσο μικρότερο τείνει να γίνεται το πρόσθετο ενεργειακό όφελος.

Μια επιστημονική ανασκόπηση για τον σχεδιασμό των πτερυγίων καταλήγει ότι τα τέσσερα πτερύγια προσφέρουν περιορισμένη βελτίωση της απόδοσης, η οποία δεν δικαιολογεί συνήθως το κόστος κατασκευής ενός επιπλέον πτερυγίου.

Με απλά λόγια, δεν συμφέρει να κατασκευάσεις μια ακριβότερη ανεμογεννήτρια αν η πρόσθετη ηλεκτρική ενέργεια που θα παράγει είναι ελάχιστη.

Τα τρία πτερύγια προσφέρουν την καλύτερη ισορροπία

Τα τρία πτερύγια κατανέμονται ομοιόμορφα γύρω από τον κεντρικό άξονα, σχηματίζοντας γωνίες 120 μοιρών μεταξύ τους.

Αυτή η διάταξη συμβάλλει στην ομαλότερη λειτουργία της ανεμογεννήτριας και στον καλύτερο έλεγχο των δυνάμεων που ασκούνται στον περιστρεφόμενο μηχανισμό. Παράλληλα, επιτρέπει την αποτελεσματική αξιοποίηση του ανέμου χωρίς την πρόσθετη μάζα και το κόστος ενός τέταρτου πτερυγίου.

Οι τρίπτερες ανεμογεννήτριες παρουσιάζουν επίσης πλεονεκτήματα ως προς τον θόρυβο και τη συμπεριφορά τους κατά την περιστροφή.

Δεν είναι τυχαίο ότι από τη δεκαετία του 1980 επικράτησε σταδιακά το λεγόμενο «δανέζικο μοντέλο», στο οποίο ανεμογεννήτριες με τρία πτερύγια, τα οποία βρίσκονται μπροστά από τον πύργο και στρέφονται προς την κατεύθυνση του ανέμου.

Αυτό το μοντέλο αποτελεί μέχρι σήμερα τη βάση για τη συντριπτική πλειονότητα των μεγάλων σύγχρονων ανεμογεννητριών.

Θα μπορούσε αυτό να αλλάξει;

Ερευνητές εξακολουθούν να εξετάζουν ανεμογεννήτριες με δύο πτερύγια, καθώς η μικρότερη μάζα και η ευκολότερη μεταφορά τους θα μπορούσαν να προσφέρουν οικονομικά πλεονεκτήματα, ιδιαίτερα όσο αυξάνονται οι διαστάσεις των εγκαταστάσεων.

Υπάρχουν επίσης ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα, με εντελώς διαφορετική μορφή, καθώς και μικρότερες κατασκευές με περισσότερα πτερύγια για ειδικές εφαρμογές.

Προς το παρόν, όμως, τα τρία πτερύγια παραμένουν η επικρατέστερη επιλογή.

Και αυτό γιατί μια ανεμογεννήτρια δεν χρειάζεται απλώς να παράγει όσο το δυνατόν περισσότερο ρεύμα. Χρειάζεται να το κάνει αποδοτικά, αξιόπιστα και με το μικρότερο δυνατό κόστος σε όλη τη διάρκεια λειτουργίας της.

Με αυτή την ιστορία ολοκληρώνεται η σημερινή στάση του “ENERGY STORIES Powered by ΔΕΗ”, της σειράς άρθρων του NEWS 24/7 που αναδεικνύει κάθε εβδομάδα μια διαφορετική πτυχή της ενέργειας.