ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE MAŁYCH TURBIN WIATROWYCH

Komentarze

Transkrypt

ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE MAŁYCH TURBIN WIATROWYCH
MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 53, ISSN 1896-771X
ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE MAŁYCH
TURBIN WIATROWYCH
Jakub Bukała1a, Krzysztof Damaziak1b, Marcin Krzeszowiec1c,
Jerzy Małachowski1d
1
Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Wojskowa Akademia Techniczna
[email protected], [email protected], [email protected]u.pl,
d
[email protected]
a
Streszczenie
W niniejszej pracy przedstawiono przegląd literaturowy wybranych rozwiązań konstrukcyjnych z zakresu tzw.
małych turbin wiatrowych. Duża dynamika rozwoju oraz struktura branży sprawa, iż na rynku dostępnych jest
obecnie kilkadziesiąt wariantów wspomnianych urządzeń. Przegląd skupia się na wyszczególnieniu cech charakterystycznych danych konstrukcji oraz porównaniu ich zalet i wad. Praca przygotowana została na podstawie szerokiego studium literaturowego obejmującego zarówno dane producentów, jak i niezależne opinie i ekspertyzy. Pozwoliło to na obiektywną ocenę różnych rozwiązań technicznych, co z kolei umożliwiło wskazanie ograniczeń, jak i
możliwości stojących przed tymi maszynami, które uwzględnione zostaną jako wytyczne w procesie projektowania
turbiny wiatrowej małej mocy.
Słowa kluczowe: małe turbiny wiatrowe, rozwiązania, mała energetyka wiatrowa, elektrownie przydomowe
DESIGN APPROACHES TO SMALL WIND TURBINES
Summary
This paper presents an overview of selected design approaches to what we call SWTs - Small Wind Turbines.
The high rate of growth and specific structure of the industry, causes that there are tens of various models of
these devices on offer at this time. This overview focuses on pointing out characteristic features of possible design
solutions and comparing their advantages and disadvantages. This paper was prepared on the basis of an
extensive study of literature, including both manufactures data and independent expertise. It allowed for objective
evaluation of different design approaches, which in turn enabled the systematic identification of limitations as well
as the opportunities for these machines. Reached conclusions will provide valuable guidelines for the design
process of future small wind turbines.
Keywords: small wind turbines, design, small wind energy
1. WSTĘP
Turbiny wiatrowe (ang. wind turbines) to urządzenia, których zadaniem jest zamiana energii kinetycznej
przepływającej masy powietrza (wiatru) w użyteczną
pracę mechaniczną (najczęściej ruchu obrotowego wirnika). Historyczne turbiny wiatrowe, zwane wiatrakami
(ang. windmill), służyły głównie do mielenia zboża oraz
pompowania wody (np. osuszanie polderów na terenie
dzisiejszej Holandii tą metodą datowane jest już na XIV
- XV w.). Obecnie turbiny wiatrowe wykorzystywane są
najczęściej do produkcji energii elektrycznej [1]. Turbiny
wiatrowe dużej mocy (najczęściej pracujące w zespołach
nazywanych farmami wiatrowym) stają się w ostatnich
latach istotnym źródłem energii z kategorii tzw. źródeł
odnawialnych. Podejście tego typu ma na celu redukcję
pozyskiwania energii ze spalania paliw kopalnych, co
podyktowane jest z kolei uwarunkowaniami ekologicznymi [2]. Szczególnie dynamiczny rozwój w tym sektorze
obserwowany jest na przestrzeni ostatnich 30 lat, kiedy
to turbiny wiatrowe były najszybciej rosnącym źródłem
energii elektrycznej na świecie.
21
ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE MAŁYCH TURBIN WIATROWYCH
Turbiny wiatrowe małej mocy są zdefiniowane,
zgodnie z dokumentem IEC 61400 -2 (International
Electrotechnical Commission), jako posiadające mniej
niż 200 m2 pola powierzchni pracy rotora w odniesieniu
do mocy znamionowej nie większej niż ok. 50kW
(w innych definicjach występują ograniczenia do 20kW,
czy nawet 100kW). Pojęcie to odnosi się głównie do
urządzeń mających na celu dostarczanie energii elektrycznej
na
potrzeby
prywatnych
domostw
(w przeciwieństwie do komercyjnego przeznaczenia
dużych turbin wiatrowych, które dostarczają energię do
krajowej sieci). Koszt tego typu jednostek wynosi zwykle
ok. 4000 € za 1 kW mocy, co przekłada się na szacunkową cenę energii w granicach 0,2 do 0,3 USD za 1 kWh
[1, 3, 4, 5].
Turbiny wiatrowe "bardzo małej mocy" cechują sie
wydajnością od 300 W do 1 kW mocy wyjściowej, a ich
typowym zastosowaniem jest ładowanie baterii
w lokalizacjach pozbawionych dostępu do sieci energetycznej. Szacuje się, że mogą dostarczyć do 5% zapotrzebowania gospodarstwa domowego przy koszcie
całkowitym ok. 800 USD za jednostkę o mocy ok. 400
W, co oznacza szacunkowy koszt energii w granicach 0,4
- 0,5 USD za 1 kWh.
Porównanie wielkości (wymiarów geometrycznych),
teoretycznych zdolności produkcyjnych oraz potencjalnych oszczędności w emisji dwutlenku węgla dla przykładowych turbin wiatrowych - małej mocy i tych
użytkowanych w skali przemysłowej przedstawiono na
rys. 1.
tradycyjnymi metodami. Jako powód tego stanu rzeczy
wskazuje się m. in. wysoki koszt inwestycji, brak technicznej dojrzałości oferowanych rozwiązań, a także
rozdrobniony rynek oferujący bardzo wiele koncepcji
technicznych, z których znacząca liczba nie została
prawidłowo zaprojektowana i przebadana [7]. Należy
zwrócić także uwagę na fakt, iż z uwagi na zmienność
warunków wiatrowych elektrownie wiatrowe małej mocy
stanowić mogą jedynie dodatkowe źródło energii elektrycznej, pokrywając pewną część zapotrzebowania
energetycznego gospodarstwa (zależnie od warunków
wiatrowych lokalizacji).
Turbiny wiatrowe małej mocy oferują jednakże obiecującą alternatywę dla wielu użytkowników nieposiadających dostępu do sieci elektrycznej, a dysponujących
dobrymi warunkami wiatrowymi. Jest tu mowa zarówno
o samodzielnych systemach, jak i układach hybrydowych
opartych na ogniwach fotowoltaicznych, małych elektrowniach wodnych, czy generatorach z silnikami diesla
[8]. Takie systemy zyskują coraz większą popularność,
również jako potencjalne instrumenty obniżania emisji
gazów cieplarnianych [6].
Kolejnym czynnikiem stymulującym rozwój turbin
wiatrowych małej mocy są regulacje prawne mające na
celu promowanie odnawialnych źródeł energii. Unia
Europejska ustanowiła swoje cele związane z takimi
metodami wytwarzania energii w tzw. pakiecie klimatyczno-energetycznym (3x20%), czyli ograniczenie emisji
gazów cieplarnianych o 20%, zwiększenie udziału źródeł
odnawialnych w produkcji energii do 20% i zwiększenie
efektywności wykorzystania energii o 20%, a wszystko to
do roku 2020. Rząd holenderski, czy władze Rotterdamu
ustaliły swe cele jeszcze ambitniej, ogłaszając redukcję w
tym samym czasie emisji gazów cieplarnianych o odpowiednio 30% i 50% [9].
Liczba turbin wiatrowych małej mocy będących
obecnie w użyciu na całym świecie szacuje się na ok. 730
000 urządzeń (w tym niemal pół miliona w Chinach!).
Operuje dziś ok. 330 firm w 26 państwach, które zajmują się ich wytwarzaniem. Więcej niż połowa z nich
znajduję się w Chinach, USA, ale również Niemcy,
Wielka Brytania, Kanada i Holandia zajmują wysokie
miejsca w tej kategorii. Globalny rynek technologii
związanych z turbinami wiatrowymi małej mocy wg
obecnych prognoz ma utrzymać swoje wysokie tempo
wzrostu w latach 2015 – 2020, osiągając skumulowaną
zdolność wytwórczą rzędu 5000 MW w roku 2020 [10].
Opisana sytuacja powoduje, że w ostatnim czasie
wielu inżynierów i naukowców podjęło starania mające
na celu uczynienie energii elektrycznej produkowanej
przez małe turbiny bardziej konkurencyjną w stosunku
do innych źródeł. By stało się to możliwe należy doprowadzić do zwiększenia wydajności i sprawności, zredukować
koszty,
zapewnić
rozsądną
żywotność
Rys. 1 Wymiary, potencjał wytwórczy i oszczędności w emisji
dwutlenku węgla dla turbin wiatrowych małej mocy oraz
komercyjnych turbin przemysłowych [6]
Podobnie jak w przypadku dużych turbin wiatrowych, energia elektryczna pozyskiwana z turbin wiatrowych małej mocy przewyższa ceną tę otrzymywaną
22
Jakub Bukała, Krzysztof Damaziak, Marcin Krzeszowiec, Jerzy Małachowski
i niezawodność, a także ułatwić i ujednolicić procedury
obsługowe i serwisowe [11].
Turbiny wiatrowe dzielą się ze względu na ich konstrukcję na dwie zasadnicze grupy [3].
wirnik trójłopatowy wydaje się być bardziej naturalny,
obracając się bardziej spokojnie, aniżeli "nerwowy dla
oka" wirnik dwułopatowy [1].
2. TURBINY WIATROWE
O POZIOMEJ OSI OBROTU
(HAWT)
Obecnie turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu
(ang. horizontal axis wind turbines - HAWT) są typem
najczęściej spotykanym z uwagi na ich wysoką wydajność w warunkach silnych wiatrów (wysoki wyróżnik
szybkobieżności, wysoka sprawność, małe wahania
momentu obrotowego), wysoką niezawodność, łatwość
serwisu i niski koszt. Przykład urządzenia takiego typu
przedstawiono na rys. 2. Turbiny tego typu stanowią
obecnie ok. 99% użytkowanych turbin wiatrowych
(jednakże w przypadku turbin wiatrowych małej mocy
odsetek ten wynosi ok. 75%) i mogą być podzielone na
następujące grupy [3]:
Rys. 2 Evance R9000 5kW turbina wiatrowa małej mocy
z trójłopatowym wirnikiem [12]
2.4 TURBINY DWUŁOPATOWE
I JEDNOŁOPATOWE
Z PRZECIWWAGĄ
2.1 TURBINY NAWIETRZNE (UPWIND)
Do największych zalet tych rozwiązań zaliczyć należy
niską masę wirnika, która z kolei przekłada się na stosunkowo niski koszt jego wykonania, a także innych
elementów turbiny, np. elementu wsporczego. Niestety z
uwagi na wysoki wyróżnik szybkobieżności i wysoką
prędkość obrotową turbiny tego typu mogą być znacząco
głośniejsze. Urządzenia te wykazują zadowalające
sprawności i niezawodność przy stosunkowo wysokich
prędkościach wiatru. Przykład urządzenia takiego typu
przedstawiono na rys. 3.
W wariancie nawietrznym (ang. upwind) wirnik turbiny znajduje się z przodu jednostki (rys. 2.), a całość
charakteryzuje się wysoką sprawnością ze względu na
ograniczoną interferencję powietrza i wieży podpierającej. Turbiny tego typu nie nakierowują się na wiatr
i w związku z tym potrzebują układów sterowania (jak
proste ogony z łopatami, czy bardziej zaawansowane
systemy automatyczne). Jest to najbardziej popularny
wariant dla turbin wiatrowych małej mocy.
2.2 TURBINY ZAWIETRZNE
(DOWNWIND)
W tych aplikacjach wirnik znajduje się z tyłu jednostki, co skutkuje szeregiem korzyści, np. łopaty wirnika mogą być do pewnego stopnia giętkie (z uwagi na
brak możliwości kolizji z wieżą), a turbina samonakierowuje się na wiatr. Niestety, okupione jest to
niższą sprawnością w porównaniu do turbin nawietrznych.
2.3 TURBINY TRÓJŁOPATOWE
Zdecydowana większość zainstalowanych turbin
o poziomej osi obrotu to turbiny trójłopatowe (rys. 2.).
Oferują one bardzo dobrą równowagę sił aerodynamicznych, wysoką stabilność pracy z uwagi na zrównoważenie sił żyroskopowych i jednolity moment obrotowy (3
to najmniejsza liczba łopatek przy której wirnik posiada
pod kątem dynamiki charakterystykę zbliżoną do dysku). Wszystko to ma wpływ na bardzo wysoką niezawodność tego typu turbin wiatrowych [3]. Powszechnie
przyjmuje się również, że ze względów estetycznych
23
ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE MAŁYCH TURBIN WIATROWYCH
konstrukcja jest bardziej skomplikowana, a sam kołnierz
bywa stosunkowo ciężki, co skutkuje dodatkowym
obciążeniem elementu wsporczego. Jako główne mechanizmy, które mają być odpowiedzialne za zwiększenie
sprawności tego typu turbin, wskazuje się zwiększenie
przepływu powietrza przez turbinę (masy powietrza na
jednostkę czasu), a także pewne bardziej skomplikowane
zjawiska natury aerodynamicznej, związane m. in. z
powstawaniem wirów [11]. Autorzy prac na temat turbin
z wirnikami osłoniętymi optują za ich komercyjnym
zastosowaniem z uwagi na: mniejszą wrażliwość na
turbulencje, bardziej spójną konstrukcję, lepszą wytrzymałość zmęczeniową konstrukcji, większy moment
rejestrowany przy niskich prędkościach wiatru, mniejsze
wahania obciążeń działających na łopatki turbiny,
cichszą pracę układu, czy wyższą dopuszczalną prędkość
obrotową [9]. Przeciwnicy tego typu turbin zarzucają im
m. in. fakt, iż osiągi rejestrowane dla nich w tunelach
aerodynamicznych są niemożliwe do odtworzenia w
warunkach rzeczywistych z uwagi na częstą zmianę
kierunku i prędkości wiatru. Przykład urządzenia takiego typu przedstawiono na rys. 4.
Rys. 3 Turbina wiatrowa Monopteros 50 firmy MBB
z jednołopatowym wirnikiem [13]
2.5 TURBINY WIELOŁOPATOWE
Sprawność aerodynamiczna rośnie wraz z liczbą łopat wirnika, ale nie jest to zależność liniowa. Każda
następna łopata wirnika zwiększa sprawność o coraz
mniejszą wartość (zwiększenie liczby łopat z jednej do
dwóch pozwala uzyskać dodatkowo ok. 6% sprawności,
kiedy zwiększenie liczby łopat z dwóch do trzech pozwala zwiększyć sprawność jedynie o 3%). Dodatkowo wraz
z wzrostem liczby łopat rośnie startowy moment obrotowy turbiny [12]. Dostarczanie dużego momentu obrotowego przy relatywnie niskiej prędkości wiatru jest
domeną turbin wielołopatowych, niestety przy zastosowaniu klasycznego układu generatora prądowego bez
przełożenia mechanicznego dużo bardziej pożądane jest
uzyskanie wysokiej prędkości obrotowej przy odpowiednio niższym momencie obrotowym [1].
Rys. 4 3kW turbina o poziomej osi obrotu z osłoniętym
wirnikiem [9]
2.7 TURBINY W UKŁADZIE
VENTURIEGO
2.6 TURBINY Z OSŁONIĘTYM
WIRNIKIEM
Koncepcja turbiny Venturiego zakłada, iż łopaty
wirnika utwierdzone są w piaście w obu swych końcach i
w trakcie obrotu wirnika utworzona zostaje sferyczna
powierzchnia (rys. 5.). Dzięki temu turbina Venturiego
tworzy lokalną strefę niskiego ciśnienia w środku wspomnianej sfery, która modyfikuje przepływ powietrza i
pozwala efektywniej wykorzystać energię kinetyczną
wiatru, co z kolei przekłada się na wyższą sprawność
aerodynamiczną w porównaniu z konwencjonalnymi
Turbiny z wirnikami osłoniętymi (ang. ducted rotor,
duct augmented wind turbine, shrouded rotor, wind
lens) są przedmiotem badań od dziesięcioleci, ale wciąż
traktowane są jako rozwiązanie nowatorskie. Badania
wykazują, że tego typu urządzenia mogą pracować
w szerszym zakresie prędkości wiatru i wytwarzać większą moc w przeliczeniu na pole powierzchni pracy wirnika niż standardowe turbiny. Z drugiej zaś strony ich
24
Jakub Bukała, Krzysztof Damaziak, Marcin Krzeszowiec, Jerzy Małachowski
turbinami. Twórcy stwierdzają również, że turbina
Venturiego może generować elektryczność już przy
bardzo niskich prędkościach wiatru [14]. Nie znaleziono
danych z niezależnych prób i opracowań, które potwierdzałyby zapewnienia twórców o wyższości turbiny
Venturiego nad klasycznymi rozwiązaniami.
Rys. 6 Turbina wykorzystująca efekt Magnusa Acowind A63
w Pagórkach koło Elbląga [17]
Rys. 5 Turbina wiatrowa Energy Ball V100 firmy Home Energy
International w układzie Venturiego [15]
2.9 TURBINY WIELOWIRNIKOWE
I TURBINY O PRZECIWNYCH
KIERUNKACH OBROTU
2.8 TURBINY WYKORZYSTUJĄCE
EFEKT MAGNUSA
Efekt Magnusa jest powszechnie obserwowany
w przyrodzie, kiedy obracająca się sfera (lub cylinder)
poddawana jest oddziaływaniu siły prostopadłej do
kierunku jej ruchu względem ośrodka (cieczy lub gazu).
Wykorzystanie tego zjawiska pozwala wykorzystać
szereg zalet w stosunku do klasycznych turbin wiatrowych. Najwięcej z nich obserwuje się w zakresie niskich,
acz stałych prędkości wiatru w zakresie 2 - 6 m/s, kiedy
to łopatki klastycznych turbin są dużo mniej efektywne.
Dla dużych turbin zakres roboczych prędkości wiatru
wynosił 2 - 40 m/s (przy ok. 5 - 25 m/s dla klasycznych
turbin), a produkcja energii elektrycznej w identycznych
warunkach była średnio dwukrotnie większa [16]. Istnieją turbiny wykorzystujące efekt Magnusa zarówno o
pionowej jak i poziomej osi obrotu (rys. 6.).
Obracające się łopatki pojedynczego wirnika turbiny
powodują zakłócenia przepływu wiatru, generując m.in.
styczną składową przepływu, która traktowana jest
zwykle jako straty. Dwa wirniki, lub większa ich liczba,
mogą zostać osadzone na tym samym wale, napędzając
wspólny generator, często z zachowaniem przeciwnego
kierunku ruchu obrotowego (rys. 7.). Wiatr oddziałuje
na każdy wirnik dzięki zachowaniu odpowiedniego
dystansu pomiędzy nimi i odpowiedniego kąta odsunięcia (alfa), umożliwiając wykorzystanie wspomnianych
zakłóceń (składowa styczna). Inne zalety rozwiązania to:
wyeliminowanie konieczności zastosowania przełożenia
mechanicznego i zdolność do samonakierowania się
turbiny. Według testów przeprowadzonych dla Kalifornijskiej Komisji Energetyki w 2004 roku moc takiego
urządzenia może być wielokrotnie wyższa w stosunku do
klasycznych rozwiązań [18].
25
ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE MAŁYCH TURBIN WIATROWYCH
3. TURBINY WIATROWE
O PIONOWEJ OSI OBROTU
(VAWT)
Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu są w swej
pierwotnej
formie
maszynami
bardzo prostymi
o nieskomplikowanej konstrukcji i zasadzie działania.
Poza wspomnianą prostotą posiadają zaletę w postaci
solidności konstrukcji i w pewnych swych wariantach
dysponują również wysokim startowym momentem
obrotowym, nawet przy względnie niskich prędkościach
wiatru. Generalnie uznaje się także, że turbiny tego typu
nie muszą być nakierowywane na wiatr (co stanowi
przewagę w lokalizacjach, gdzie kierunek wiatru cechuje
się dużą zmiennością), a także, że generator i skrzynia
przełożenia mechanicznego mogą być umieszczone bliżej
ziemi, redukując masę obciążającą wieżę oraz ułatwiając
czynności obsługowe. Z drugiej zaś strony turbiny
wiatrowe o pionowej osi obrotu posiadają generalnie
niższe sprawności niż turbiny o poziomej osi obrotu, a
także niższą trwałość zmęczeniową z uwagi na większą
nierównomierność momentu obrotowego oraz dodatkowe
obciążenia działające na wieżę i wirnik (co może zostać
zminimalizowane poprzez zastosowanie bardziej zaawansowanej geometrii łopat) [3]. Uważa się też, iż wertykalne turbiny małej mocy są bardziej przystosowane do
pracy w rejonach zurbanizowanych ze względu na mniejszą emisję hałasu i większe bezpieczeństwo z uwagi na
stosunkowo niską prędkość obrotową, oraz wspomnianą
zdolność do wykorzystania wiatru z różnych kierunków
przy niższej jego prędkości niż turbiny o poziomej osi
obrotu [14]. Przykład urządzenia takiego typu przedstawiono na rys. 9.
Rys. 7 Dwuwirnikowa turbina wiatrowa o przeciwnym kierunku
obrotu American Twin Superturbine [19]
2.10 TURBINY TYPU BTPS
W projekcie systemu generowania energii na końcówkach łopat (ang. blade tip power system - BTPS),
łopaty wykonane są z nylonu i napędzają synchroniczny
generator wykorzystujący magnesy stałe znajdujące się
na końcach łopatek. Stator umieszczony jest na zewnętrznym obwodzie turbiny. Koncept zastosowano
komercyjnie w turbinie WT6500 firmy Honeywell /
WindTronics® (rys. 8.). Producent twierdzi, iż jego
konstrukcja
eliminuje
opory
mechaniczne
i aerodynamiczne, cechując się większą sprawnością,
a także zmniejszając hałas i wibracje. Turbina ma
cechować się także mniejszą masą (brak przełożenia
mechanicznego), lepszą rekcją na zmieniające się warunki wiatrowe. Dodatkowo producent podaje, że turbina
osiąga zakładane parametry pracy przy średniej prędkości wiatru 5,4 m/s [20].
Rys. 9 Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu w tzw. układzie
świderkowym [21]
3.1 TURBINY W UKŁADZIE SAVONIUSA
Rys. 8 Turbina BTPS Honeywell firmy WindTronics [20]
Są to najprostsze modele turbin wertykalnych i składają się zasadniczo z dwóch lub czterech płatów umieszczonych na pionowej osi (rys. 10.). Łopaty nie posiadają
profili aerodynamicznych, a jedynie zakrzywiane są
26
Jakub Bukała, Krzysztof Damaziak, Marcin Krzeszowiec, Jerzy Małachowski
półsferycznie. Turbina Savoniusa nazywana jest także
turbiną oporu aerodynamicznego (ang. drag turbine).
Podstawowe cechy turbin Savoniusa to: bardzo mały
wskaźnik szybkobieżności, małe wartości sprawności
aerodynamicznej, zasadność użycia przy niskich prędkościach wiatru, konieczność kontrolowania prędkości
obrotowej by zachować akceptowalną sprawność, konieczność zapewnienia solidności konstrukcji pod kątem
sprostania ekstremalnym podmuchom wiatru (duża
powierzchnia łopat), możliwość zastosowania jedynie do
małych urządzeń, mała emisja hałasu [3]. Nowoczesne
turbiny bazujące na projekcie Savoniusa posiadają m. in.
kanelowane łopatki i wiele innych udoskonaleń, co
pozwala im na uzyskanie wyższych sprawności i mniejszych wibracji w porównaniu do wczesnych aplikacji.
Jednym z przykładów takich udoskonaleń jest m.in.
zastosowanie odpowiedniego skręcenia płatów celem
poprawy sprawności aerodynamicznej, redukcji drgań
i obciążeń dynamicznych. Rozwiązanie tego typu przyjęło się nazywać turbiną świderkową [14].
takiego typu przedstawiono na rys. 11. Jedną z odmian
turbin o pionowej osi obrotu w układzie Darrieusa są
tzw. turbiny typu H (ang. Giromill, H-bar design), w
których długie, łukowe łopatki zastąpione zostają krótszymi, pionowymi łopatkami zamocowanymi do centralnej części turbiny za pomocą poziomych elementów
łączących [18].
Rys. 11 Turbina wiatrowa w układzie Darrieusa [3]
3.3 TURBINY HYBRYDOWE (SAVONIUS
- DARRIEUS) I INNE
Rys. 10 Klasyczna wiatrowa turbina wertykalna w układzie
Savoniusa [22]
3.2 TURBINY W UKŁADZIE DARRIEUSA
Turbina w układzie Savoniusa jest samostartująca
i dysponuje dużym momentem obrotowym przy niskiej
prędkości wirnika. Może zostać zatem z powodzeniem
użyta do startu większej turbiny Darrieusa, która z kolei
dysponuje większą sprawnością. Układ ten udowodnił
swoją efektywność, łącząc zalety obu rozwiązań przy
jednoczesnym dążeniu do wyeliminowania ich wad.
Przykładem nietypowego rozwiązania konstrukcyjnego powstałego na rodzimym gruncie jest poprzeczna
dwustopniowa turbina przepływowa (tzw. turbina
Pawlaka) zgłoszona w Urzędzie Patentowym w 1985
roku (P 251710). Zastosowano tu układ dwóch współosiowych wirników o pionowej osi obrotu i różnych średnicach, które współpracują ze sobą tak, że powietrze
napływające całym zewnętrznym przekrojem turbiny
musi przepłynąć przez środek wirnika (przez przekrój
około połowę mniejszy). Różnica ciśnień na wlocie i za
turbiną powoduje przyspieszenie przepływającego środkiem powietrza, co korzystnie zwiększa obroty wirnika.
Turbiny w układzie Darrieusa są turbinami siły nośnej (ang. lift-type turbine) z uwagi na wykorzystanie
właściwości profilu aerodynamicznego. Turbiny wykorzystujące profile aerodynamiczne oferują wyższe sprawności niż turbiny oporu. Z drugiej zaś strony turbiny
Darrieusa nie startują samoczynnie z uwagi na zerową
wartość momentu przy nieruchomym wirniku [3]. Główna charakterystyka turbin Darrieusa: wysoki wskaźnik
szybkobieżności, większa sprawność od turbin Savoniusa,
ale wciąż mniejsza niż turbin o poziomej osi obrotu,
głównie z uwagi na to, że znacząca część łopaty wiruje
blisko osi obrotu z niską prędkością względną, adaptowalność do zmiennych warunków wiatrowych, wysoka
sprawność przy wiatrach z istotną składową wertykalną
prędkości, niska emisja hałasu i wibracji. W związku
z powyższym, turbiny w układzie Darrieusa teoretycznie powinny ukazać swoją przewagę np. przy montażu
ich na dachach budynków [3]. Przykład urządzenia
27
ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE MAŁYCH TURBIN WIATROWYCH
Jako teoretyczne zalety tego rozwiązania wskazuje się
m.in. wysoką sprawność. Koncept ten nie został należycie opisany, czy zbadany, jednak obiekcje budzi w tym
wypadku masa i poziom skomplikowania, a co za tym
idzie, koszt całej konstrukcji w porównaniu do jej zdolności wytwórczych (wciąż relatywnie małe pole powierzchni wirnika) [23].
Generalnie turbiny o pionowej osi obrotu cechują się
niską szybkobieżnością i niższą sprawnością. Pewnym
wyjątkiem jest tu jedna turbina o współczynniku szybkobieżności ok 5. Jest to turbina zrealizowana
w układzie Darrieusa. Wszystkie turbiny o poziomej osi
obrotu zawarte w porównaniu to klasyczne konstrukcje
dwu- i trójłopatowe. Tego rodzaju turbiny są zdecydowanie bardziej szybkobieżne oraz ich sprawność osiąga
wyższe wartości w porównaniu do turbin VAWT. Zaobserwować można także, iż turbina o osłoniętym wirniku
osiągnęła sprawność przekraczającą tzw, limit Betza.
Wynika to z faktu, że sprawność wyliczana jest w odniesieniu do pola powierzchni wirnika turbiny, a nie pola
powierzchni roboczej, która w przypadku turbin DAWT
jest znacząco większa.
4. PORÓWNANIE WARIANTÓW
Na wykresie sprawności aerodynamicznej wirnika
turbiny w funkcji jego szybkobieżności przedstawiono
krzywe wybranych wariantów turbin wiatrowych małej
mocy (dane literaturowe) (rys. 12.). Dodatkowo nałożono oznaczone punktami przykładowe urządzenia dostępne obecnie w sprzedaży (wg danych dostarczonych przez
producentów). Dla porównania przedstawiono także
krzywą obrazującą tzw. limit Betza, czyli maksymalną,
teoretyczną sprawność aerodynamiczną turbiny wiatrowej w określonych warunkach pracy.
5. PODSUMOWANIE
Niniejszy przegląd ma charakter poglądowy i skupia
się na wyszczególnieniu cech charakterystycznych danych konstrukcji małych turbin wiatrowych oraz porównaniu ich zalet i wad. Praca przygotowana została na
podstawie szerokiego studium literaturowego obejmującego zarówno dane producentów, jak i niezależne opinie i
ekspertyzy. Pozwoliło to na obiektywną ocenę różnych
rozwiązań technicznych, co z kolei umożliwiło wskazanie
rzeczywistych ograniczeń, jak i możliwości stojących
przed tymi maszynami.
Powyższe informacje, jak również wyniki analizy warunków atmosferycznych (wiatrowych) obszaru Polski,
zaimplementowane zostaną jako wytyczne w procesie
projektowania ekonomicznie racjonalnej turbiny wiatrowej małej mocy przystosowanej do warunków wiatrowych typowych dla obszaru naszego kraju. Wspomniana
turbina cechować powinna się możliwą prostotą konstrukcji, małą masą i wysoką niezawodnością, natomiast
w zdecydowanie mniejszym stopniu korzystać z nietypowych układów i mechanizmów mających na celu
poprawę wybranych aspektów pracy turbiny wiatrowej.
Znacząco niższy koszt produkcji i montażu oraz dalszego
użytkowania turbiny wiatrowej małej mocy powinien
korzystnie wpłynąć na ekonomiczną stopę zwrotu tego
typu inwestycji. Pociągnie to za sobą polepszenie sytuacji na rynku tych urządzeń (większa przejrzystość i
uczciwa konkurencja) oraz uczyni ich publiczny odbiór
bardziej korzystnym, co dodatkowo wpłynąć powinno na
ich spopularyzowanie, a tym samym na realny postęp
w dziedzinie rozwoju odnawialnych źródeł energii elektrycznej w naszym kraju.
Rys. 12 Zestawienie zbiorcze wariantów turbin wiatrowych
małej mocy wraz z przykładami urządzeń (o pionowej osi
obrotu: zielone romby, o poziomej osi obrotu: pomarańczowe
koła i turbiny osłoniętej: niebieski trójkąt) [24]
Przedstawione krzywe ilustrują charakterystyki poszczególnych wariantów turbin, co służy lepszemu
zrozumieniu i uzupełnieniu informacji zamieszczonych w
tekście. Zaobserwować można stosunkowo duży rozrzut
wyników dotyczących przykładowych urządzeń. Prowadzi do wniosku, iż poszczególne konstrukcje, nawet w
ramach tej samej grupy urządzeń, cechują się bardzo
dużą różnorodnością. Co więcej, z pewnym dystansem
traktować należy dane producentów, którzy, ze względów marketingowych, bardzo często przedstawiają dane
najbardziej korzystne, czy zwyczajnie nierealne (przykład: jedna turbina o pionowej osi obrotu, której sprawność znacznie przekracza określone granice).
28
Jakub Bukała, Krzysztof Damaziak, Marcin Krzeszowiec, Jerzy Małachowski
Praca stanowi część realizowanego przez autorów projektu Pol-Nor/200957/47/2013. Projekt finansowany ze środków
funduszy norweskich, w ramach programu Polsko - Norweska Współpraca Badawcza realizowanego przez Narodowe
Centrum Badań i Rozwoju.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
Gasch R., Twele J.: Wind power plants - fundamentals, design, construction and operation. Second edition.
Heidelberg, Dordrecht, London, New York: Springer, 2012.
Burton T., Jenkins N., Sharpe D., Bossanyi E.: Wind energy handbook. Second edition. John Wiley & Sons,
2011.
ABB SACE - ABB S.p.A. L.V. Breakers: Wind power plants. Technical Application Papers, 2011, No 13.
National Renewable Energy Laboratory (NREL): Wind Turbine Generator Systems-Part 11: acoustic noise
measurement techniques; IEC 61400-11. International Electrotechnical Commission, Geneva, Switzerland, 2002.
Bortolini M., Gamberi M., Graziani A., Manzini R., Pilati F., Performance and viability analysis of small wind
turbines in the European Union. “Renewable Energy” 2014, 62, p. 629-639.
The Carbon Trust: small-scale wind energy - policy insights and practical guidance. United Kingdom, 2008.
Kuhn P.: Big experience with small wind turbines – 235 small wind turbines and 15 years of operational results.
Institut für Solare Energieversorgungstechnik e.V. (ISET). Kassel, Germany, 2007.
Probst O., Martinez J., Elizondo J., Montoy O.: Small wind turbine technology. Wind Turbines Edited by Dr
Ibrahim Al-Bahadly, 2011, p. 107-136.
Van Dorst FA.: An improved rotor design for a diffuser augmented wind turbine - improvement of the Donqi
Urban Windmill [Thesis]. Wind Energy Research Group - Faculty of Aerospace Engineering – Delft University
of Technology, 2011.
The World Wind Energy Association, 2013, Small Wind World Report Update, [Internet cited 2014 Oct 18],
available from: http://www.wwindea.org/)
Phillips D.G.: An investigation on diffuser augmented wind turbine design [Thesis]. Department of Mechanical
Engineering The University of Auckland, 2003.
Wind
turbine
design
[Internet].
Wikipedia®
[cited
2013
Oct
18].
Available
from:
http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design).
Photos of one-bladed wind turbines [Internet]. Gipe Paul [cited 2013 Oct 18]. Available from: http://www.windworks.org/cms/index.php?id=543.
Hosman N.: Performance analysis and improvement of a small locally produced wind turbine for developing
countries [Thesis]. Delft University of Technology, 2012.
Energy Ball V100 small wind turbine [Internet]. Home Energy International [cited 2013 Oct 18]. Available from:
http://www.allsmallwindturbines.com/turbine_detail.php?turbine_id=36& owner=24).
Wind turbine with Magnus effect [Internet]. Kozlov VV, Bychkov NM [cited 2013 Oct 18]. Available from:
http://www.itam.nsc.ru/en/section/292/).
Siłownia wiatrowa ACOWIND A-63 [Internet]. Margański E i Wspólnicy Zakłady Lotnicze [cited 2013 Oct 18].
Available from: http://www.marganski.com.pl/eng/html/A-POL/elektrownie/wirnik/ wirnik_opis.htm).
Unconventional wind turbines [Internet]. Wikipedia® [cited 2013 Oct 18]. Available from:
http://en.wikipedia.org/wiki/Unconventional_wind_turbines).
Optimization of a counter rotating wind turbine [Internet], The Georgia Institute of Technology, [cited 2013 Oct
18].
Available
from:
http://www.srl.gatech.edu/education/ME6105/Projects/Fa11/folder.2011-0922.5693359149/).
Honeywell. 2010. WT6500 Wind Turbine - Blade Tip Power System, WindTronicsTM Inc.
Barn
homes
&
beyond
[Internet].
[cited
2013
Oct
18].
Available
from:
http://www.barnhomesandbeyond.com/wind-power-for-the-post-and-beam-home/).
Windenergie kostengünstig und vielseitig nutzen [Internet]. Pcon Windkraft [cited 2013 Oct 18]. Available from:
http://www.pcon-wind.de/index.htm).
Poprzeczna dwustopniowa turbina przepływowa (Zdzisław Pawlak) zgłoszona w Urzędzie Patentowym w 1985
roku – P 251710 [Internet] [cited 2014 Nov 28]. Available from: www.patenty.republika.pl/turbina/turbina.doc).
Jagodziński W.: Silniki wiatrowe. Warszaw: PWT, 1959.
29

Podobne dokumenty