Pobierz opis

Zdzisław Piotr Kamiński
[email protected]
Politechnika Lubelska
Wydział Mechaniczny
Analiza numeryczno- doświadczalna turbiny wiatrowej
o regulowanej powierzchni roboczej
Słowa kluczowe: energetyka wiatrowa, turbina VAWT, elektrownia wiatrowa, odnawialne
źródła energii
Streszczenie
Rozprawa doktorska dotyczy analizy turbiny wiatrowej o regulowanej powierzchni
łopatek roboczych. Specyficzną cechą łopatek jest regulowana powierzchnia robocza.
W zastosowaniach przydomowych najlepiej sprawdzają się turbiny wiatrowe o pionowej osi
obrotu ze względu na ich cichą pracę, małą prędkość startową i dużą efektywność niezależnie
od kierunku wiatru. Celem pracy jest przeprowadzenie badań zjawisk przepływowych
zachodzących przy opływie łopaty wirnika turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu
prowadzące do uzyskania większych wartości współczynnika mocy. Funkcją celu jest
uzyskanie największej wartości pola pod krzywą opisującą zależność współczynnika mocy w
funkcji wyróżnika szybkobieżności. Analizie zostaną poddane wyniki badań kilku modeli
łopat oraz układu łopaty z elementem sterującym otrzymane dwiema metodami: na drodze
doświadczalnej i numerycznej. Rozwiązanie bazuje na regulowanej powierzchni roboczej
łopat. Pozwoli to uniknąć przekroczenia dopuszczalnego obciążenia mechanicznego podczas
silnych wiatrów. Umożliwi to lokalizację turbiny w rejonach o niewielkiej wietrzności.
Koncepcja została zawarta w zgłoszeniu do Urzędu Patentowego RP.
Głównym kierunkiem badań, które złożą się na dysertację doktorską jest uzyskanie
zwiększenia współczynnika mocy Cp turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu poprzez
zastosowanie układu z elementem zmieniającym kąt rozwarcia łopat. Dużo uwagi zostało
poświęconej na opracowanie symulacyjnych modeli komputerowych, które posłużyły
następnie do wykonania testów, odtwarzających różne warunki pracy elektrowni wiatrowej o
pionowej osi obrotu. Umożliwiło to sporządzenie wniosków na temat istnienia możliwość
zwiększenia wartości współczynnika mocy turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu poprzez
zastosowanie układu z elementem zmieniającym kąt rozwarcia łopat.
Zakres rozprawy będzie obejmował następujące zagadnienia:
1. Badania symulacyjne mechanizmu obrotu pojedynczej łopaty pionowej turbiny
wiatrowej oraz mechanizmu sterującego turbiną.
2. Opracowanie modelu 3D siłowni wiatrowej,
3. Badania symulacyjne wytrzymałości, trwałości, dynamiki i oporów aerodynamicznych
oraz opracowanie modyfikacji modelu 3D turbiny w oparciu o wyniki badań
symulacyjnych.
4. Badania stanowiskowe aerodynamiczne modelu turbiny.
5. Badania stanowiskowe komponentów turbiny.
6. Analiza wyników badań stanowiskowych.
Będą one miały duży walor aplikacyjny i będą mogły być bezpośrednio stosowane do analizy
zjawisk przepływowych zachodzących przy opływie łopaty wirnika turbiny wiatrowej o
pionowej osi obrotu prowadzące do uzyskania większych wartości współczynnika mocy.
Dotychczas przeprowadzono następujące prace:
a) analiza stanu wiedzy
w zastosowaniach przydomowych najlepsze są turbiny o pionowej osi obrotu
pokrycie zapotrzebowania domowego na energię elektryczną wymaga zastosowania
turbiny o dużej powierzchni roboczej
turbina o zwiększonej powierzchni roboczej narażona jest na zwiększone obciążenie
zastosowanie klasycznej turbiny jest opłacalne, gdy średnia prędkość wiatru
przekracza 6,5 m/s
takie warunki w zastosowaniach przydomowych są rzadkością.
b) sformułowanie celu, zakresu i tezy pracy
celem jest przeprowadzenie analizy zjawisk przepływowych zachodzących przy
opływie łopaty wirnika turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu, Funkcją celu jest
uzyskanie największej wartości pola pod krzywą opisującą zależność współczynnika
mocy Cp w funkcji wyróżnika szybkobieżności
zakres pracy będzie obejmował badania doświadczalne oraz symulacje numeryczne;
badania
doświadczalne
zostaną
przeprowadzone
w
laboratorium
Katedry
Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych PL dla modeli
wykonanych
przy
użyciu
drukarek
3D,
symulacje
numeryczne
zostaną
przeprowadzone przy wykorzystaniu programu z grup CFD FLUENT dla modeli o
identycznych parametrach geometrycznych, uwzględniając dwuwymiarowy charakter
opływu profilu (2D).
teza pracy została sformułowana następująco: istnieje możliwość zwiększenia
współczynnika mocy Cp turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu poprzez
zastosowanie układu z elementem zmieniający kąt rozwarcia łopat.
c) opracowanie stanowiska badawczego
opracowano stanowisko badawcze składające się z uniwersalnego masztu, do
którego montowane są wymienne wirniki.
d) wykonanie badań wstępnych
do badań wstępnych wykorzystany został tunel aerodynamiczny o obiegu
otwartym z zamkniętą przestrzenią pomiarową wyposażony w specjalistyczne
układy pomiarowe, które w zależności od przeznaczenia pozwalają przenosić
wyniki badań modelowych na obiekty naturalne z uwzględnieniem kryteriów
podobieństwa i odpowiednich współczynników korekcyjnych
e) wykonanie badań symulacyjnych
podczas badań turbiny korzystano z systemu Ansys Fluent, dokonano analizy
wpływu prędkości wiatru na rozkład ciśnień, a w konsekwencji sił działających na
powierzchnie robocze oraz pole prędkości i ślad zawirnikowy.