eos_03
Transkrypt
eos_03
Ćwiczenie 3 Pomiar charakterystyk modelowej siłowni wiatrowej 1. Cel ćwiczenia Szczegółowym zadaniem ćwiczenia jest wykonanie badań mających na celu wyznaczenie charakterystyk siłowni tzn. związków między mocą oddawaną przez siłownię i momentem na wale a prędkością wiatru (napływającego na wirnik siłowni czynnika). 2. Opis siłowni wiatrowej W stanowisku pomiarowym wykorzystano jako siłownię wiatrową model Rutland 503. Siłownia wiatrowa typu Rutland 503 [2] jest przeznaczona do zasilania prądem stałym, za pośrednictwem akumulatorów, różnego rodzaju osprzętu elektrycznego, oświetleniowego itp. Źródłem energii dla generatora jest wiatr działający na odpowiednio ukształtowane łopatki wirnika siłowni. Do magazynowania energii służą bądź to akumulatory ołowiowe 12V lub zestawu połączonych szeregowo dwu akumulatorów 6V. Zasadniczym elementem siłowni jest wirnik wykonany w postaci jednolitej wytłoczki z tworzywa plastycznego osadzony wciskowo na osi trójfazowej prądniczki. Układ prostowniczy przekształca prąd trójfazowy w prąd stały. Średnica zewnętrzna wirnika wynosi 510 mm a końce łopatek połączone są ze sobą jednolitym bandażem. Wewnętrzna średnica wirnika przy piaście wynosi 130mm, co jest spowodowane koniecznością ukrycia przed wpływami atmosferycznymi wspornikowego układu podparcia konstrukcji, prądniczki i układu prostowniczego. Wskazanym przez wytwórcę przeznaczeniem siłowni jest stanowienie źródła energii elektrycznej w turystyce jachtowej np. zasilanie oświetlenia awaryjnego i aparatury pokładowej a także w miejscach oddalonych od innych źródeł energii elektrycznej takich jak stacje meteorologiczne, przekaźnikowe, tablice informacyjne itp. Za nominalne napięcie uzyskiwane podczas pracy siłowni wytwórca uznaje poziom 12V i zaleca by nie był on przekraczany. Siłownia zgodnie z przytoczoną poniżej, na rys. 1 charakterystyką wytwórcy, wiążącą wartość uzyskiwanego natężenia prąd z względną prędkością omywania wirnika przez powietrze, może pracować przy wiatrach zmieniających się w granicach 3 do 20 m/s 1 prąd do akumulatora 12V [A] 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 prędkość względna wiatru [m/s] Rys. 1. Charakterystyka siłowni Rutland 503 w układzie SI Należy podkreślić, że powyższa charakterystyka nie obrazuje całej energii (za energie uznajemy tu jej odpowiednik w postaci natężenia prądu) odbieranej od przepływającego przez wirnik strumienia powietrza. Całkowita energia odebrana jest tu pomniejszona o straty mechaniczne związane z tarciem w łożyskach i elektryczne w prądniczce i w układzie prostowniczym. 3. Budowa stanowiska pomiarowego [1] 3.1. Lokalizacja siłowni i sond pomiarowych wewnątrz tunelu Siłownię wiatrową umieszczono w tunelu aerodynamicznym w końcowym jego segmencie na specjalnie zaprojektowanej i wykonanej podstawie umożliwiającej przemieszczanie siłowni w kierunku pionowym i jej obrót w płaszczyźnie pionowej. Zmiana położenia siłowni względem podłogi tunelu daje możliwość „zanurzenia” wirnika siłowni w warstwie przyściennej, a jej „kątowe” ustawienie względem kierunku napływu umożliwia określenie charakterystyki w warunkach nienominalnych kierunków napływu wiatru. Sondę Pitota ciśnienia dynamicznego zlokalizowano przed wirnikiem siłowni w takiej odległości, by ślad aerodynamiczny za nią nie miał wpływu na pole prędkości na wlocie do wirnika siłowni. Zestaw aparatury pomiarowej i miejsce usytuowania siłowni w tunelu aerodynamicznym przedstawiono na fotografii – rys. 2, zaś schemat połączeń układów pomiarowych; elektrycznego i pneumatycznego na rys. 3. 2 Wentylator tunelu Opornica regulowana Wirnik siłowni Czujnik laserowy Amperomierz Woltomierz cyfrowy Miernik obrotów Manometr pochylny Rys. 2. Widok stanowiska pomiarowe do badania mocy modelowej siłowni wiatrowej 3 C Sonda Pitota pd V Zasilacz Opornica Microlog CMVA60 Laser A Manometr pochylny Rys. 3. Schemat układu pomiarowego 3.2. Opis aparatury pomiarowej Jako przyrządów pomiarowych w obwodzie odbioru mocy wykorzyuje się: multimetr cyfrowy 34401A firmy Hewlett Packard do pomiaru napięcia, i multimetr analogowy C4354CHL4 do pomiaru natężenia prądu. Do pomiaru prędkości wirowania wiatraka siłowni wykorzystano dystansowy miernik laserowy przeznaczony do pracy w układzie fali odbitej z mikroprocesorowym czytnikiem Microlog CMVA60 f-my SKF. Do pomiaru ciśnienia całkowitego i statycznego na wlocie do siłowni, wewnątrz tunelu aerodynamicznego stosuje się sondę ciśnieniową Pitota ciśnienia dynamicznego o średnicy czułki równej 8 mm. Odczytu różnicy ciśnień z sondy Pitota będącej miarą prędkości czynnika na wlocie do wirnika dokonuje się przy pomocy U-rurki pochylnej o przełożeniu 1:20. 4 Dodatkowo, w celu wyznaczenia gęstości powietrza niezbędnej do określenia prędkości C, winny być mierzone: • ciśnienie barometryczne pb • temperatura otoczenia to Pomiaru tych wielkości dokonuje się dwukrotnie przed i po zakończeniu serii pomiarowej przyjmując do obliczeń ich średnią arytmetyczną. 4. Przebieg pomiarów i obliczeń 4.1 Wielkości zmienne Wielkością zmienną w trakcie wyznaczania charakterystyki jest prędkość napływu czynnika na wirnik siłowni, przy czym jej zmianę realizuje się poprzez zmianę prędkości obrotowej silnika napędzającego wirnik wentylatora tunelu aerodynamicznego. Układ odbioru mocy umożliwia regulację oporu omowego a przez to utrzymywanie na założonym poziomie napięcia U. Należy przyjąć poziom napięcia 12V zakładając, że przy takim napięciu winna pracować siłownia przeznaczona, z założenia, do ładowania akumulatora ołowiowego 12 woltowego. Pomiary wykonuje się przy ustalonej, z założenia w czasie, prędkości napływu na wirnik. Przetwarzana w prądnicy energia „wiatru” jest „wytracana” na opornicy suwakowej o regulowanej oporności, przy zakresie regulacji oporu 5-45 Ohm. Charakterystykę siłowni wyznacza się w funkcji prędkości napływu, przy czym napięcie prądu w obwodzie utrzymuje się na stałym poziomie poprzez zmianę oporu omowego. Prędkość obrotową wirnika siłowni odczytuje się bezpośrednio z wyświetlacza specjalizowanego mikrokomputera Microlog. Ciśnienie powietrza w pomieszczeniu tunelowym odczytywano z barometru aneroidowego a temperaturę z termometru rtęciowego. Wyniki pomiaru wpisuje się do specjalnie przygotowanej tablicy. Wzór takiej tablicy przedstawiono na następnej stronie instrukcji. 4.2 Tabela pomiarowa 5 Tabela pomiarowa Nr wilgotność pow. φ Data pomiaru ciśnienie otoczenia pbp temperatura otoczenia pbk Parametry stałe jedn. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 pc mm tok h - wznios łopatki ponad podłogę tunelu αpz - kąt odchylenia osi wirnika od osi tunelu poziom αpp - kąt odchylenia osi wirnika od osi tunelu i - przełożenie manometru pion ps mm top ∆p mm ns % obr nw obr/min. 6 I mA U V N W c m/s R Ohm M Nm 4.3. Opracowanie wyników pomiaru Moc oddawaną przez prądniczkę siłowni określa się zgodnie ze związkiem: N = U ⋅ I [W ] (1) gdzie: U [V] - napięcie mierzone na opornicy I [A] – natężenie prądu w obwodzie elektrycznym Moment obrotowy wyznacza się wykorzystując moc i prędkość obrotową wirnika siłowni M = N / ω [ Nm ] (2) gdzie N [W] – moc siłowni przy danej prędkości obrotowej, ω [1/s] - prędkość kątowa wirnika siłowni. Prędkość napływu powietrza na wirnik siłowni określana jest zgodnie z uproszczonym klasycznym wzorem 2lm ⋅ ρ m ⋅ g C= [m / s ] ρ ⋅i (3) W którym lm [mC2 H 5OH ] ≈ ps − pc = pd jest odczytaną z manometru pochylnego wysokością słupka cieczy odpowiadającą ciśnieniu dynamicznemu, natomiast g – przyspieszeniem ziemskim (g = 9,81 [m/s2]) ρ − gęstością powietrza [kg/m3] ρ m– gęstością cieczy manometrycznej [kg/m3] i – przełożeniem manometru Podany wyżej ustalony zestaw danych pomiarowych i zależności obliczeniowych pozwala na przedstawienie w odpowiedniej postaci charakterystyk siłowni. 7 Literatura 1. Raport wewnętrzny IMC nr 1/2002 „Stanowisko do badań z zakresu energetyki wiatrowej – projekt wykonawczy” 2. Rutland 503 – Windcharger Owners Manual – Marlec Engineering Company Limited England. 8