I. Wyznaczenie prędkości rozruchowej trójpłatowej turbiny wiatrowej

Transkrypt

I. Wyznaczenie prędkości rozruchowej trójpłatowej turbiny
wiatrowej
1. Zestaw przyrządów
Płyta główna
Dmuchawa z regulacją napięcia (0-12V)
Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o wyprofilowanych łopatkach, 25o)
2. Pomiary
Rys.1. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania prędkości rozruchowej turbiny
wiatrowej
1. Zmontuj układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys. 1
2. Ustawiając różne wartości napięcia U na zasilaczu dmuchawy obserwuj model siłowni
wiatrowej.
3. Ustal prędkość wiatru, dla której siłownia wiatrowa zostaje uruchomiona, zanotuj tą
wartość.
4. Wyłącz dmuchawę, usuń turbinę wiatrową oraz włącz ponownie dmuchawę.
Dokonaj pomiaru prędkości podmuchu powietrza przy pomocy urządzenia do
pomiaru prędkości wiatru, zachowując przy tym odpowiedni dystans.
II. Wyznaczanie zależność prędkości wiatru od napięcia –
pomiar napięcia
Płyta główna
Dmuchawa z zasilaczem (0 - 12 V)
Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o wyprofilowanych łopatkach, 25°)
Miernik napięcia
Przewodowy x 2
2. Pomiary
Rys. 2.1 Schemat układu pomiarowego
1. Zmontuj układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys. 2.1
2. Dokonaj pomiarów napięcia wytwarzanego przez turbinę wiatrową dla różnych
wartości napięcia zasilającego dmuchawę U0.
Zapisz wyniki pomiarów w tabeli
U0 [V]
v [m/s]
Ugen [V]
3.
Analiza wyników pomiarów
1. Sporządź wykres zależności napięcia generowanego przez turbinę od prędkości wiatru
2. Skomentuj otrzymane wyniki
III. Wyznaczanie zależność prędkości wiatru od mocy –
pomiar mocy
Płyta główna
Dmuchawa z zasilaczem (0 - 12V)
Moduł oporu elektrycznego (33 )
Przewody x 4
Miernik napięcia
Miernik natężenia prądu
2. Pomiary
Rys.3.1 Schemat układu pomiarowego
1. Podłącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys. 3.1
2. Ustawiając różne wartości napięcia U0 na zasilaczu dmuchawy dokonaj pomiarów napięcia
i prądu wytwarzanego przez turbinę wiatrową.
3. Dokonaj pomiaru prędkości wiatru przy pomocy urządzenia do pomiaru prędkości wiatru
4. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli
U0 [V]
v [m/s]
Ugen [V]
Igen [mA]
3.
Informacja dodatkowa:
W prawdziwych elektrowniach wiatrowych, w których łopatki wirnika są na stałe
przymocowane do piasty, występuje w nich następująca zależność pomiędzy mocą
turbiny a prędkością wiatru wirnika.
1. Oblicz moc elektryczną dla poszczególnych wartości U0.
2. Sporządź wykres zależności mocy turbiny wiatrowej od prędkości wiatru.
2. Przeprowadź dyskusję otrzymanych wyników – określ związki zachodzące pomiędzy mocą
elektryczną wytwarzaną przez turbinę a prędkością wiatru.
3. Jakie wnioski można wyciągnąć z przeprowadzonej obserwacji w odniesieniu do
funkcjonowania prawdziwych elektrowni wiatrowych ()?
IV. Porównanie prędkości rozruchowych turbiny
rotorowej Savonius z turbiną trójpłatową
Płyta główna
Turbina rotorowa Savoniusa z modułem generowania prądu
2. Pomiary
V. Zmiana napięcia wytwarzanego przez turbinę przy
podłączeniu oporników
Płyta główna
Zestaw oporników
Przewody x 4
Miernik napięcia
2. Pomiar
1. Połącz układ bez podłączania modułu oporu elektrycznego.
2. Ustaw na zasilaczu napięcie 12 V oraz uruchom dmuchawę. Dokonaj pomiaru
napięcia wytwarzanego przez generator prądu (U0).
3. Podłącz moduł oporu elektrycznego do odpowiedniego gniazda (Rys.5.1) i dokonaj
pomiaru napięcia, które powstaje przy podłączonym oporze (Vobciążenie)
3.
1. Oblicz różnicę wartości napięcia pomiędzy biegiem jałowym a biegiem pod obciążeniem
powstającym poprzez podłączenie oporu elektrycznego.
2. Dlaczego w przypadku podłączenia opornika zmienia się napięcie? Wyjaśnij przyczynę
tego zjawiska.
VI. Bilans energetyczny turbiny wiatrowej
Bilans energetyczny stanowi porównanie energii kinetycznej powietrza (energii
wiatru) przed wirnikiem z energią zużytą przez turbinę wiatrową. W celu jego
ustalenia oblicza się iloraz faktycznie wykorzystanej przez turbinę mocy pędu
powietrza i mocy wiatru przed wirnikiem.
Współczynnik ε jest ilorazem tych wielkości. Wartość ta wskazuje, jaką część energii
wiatru turbina jest w stanie faktycznie przemienić w energię elektryczną. Przy czym ε
jest porównywalne ze współczynnikiem wydajności turbiny wiatrowej, który jest
obliczany w inny sposób.
1.
Zestaw przyrządów
Płyta główna
Przewody x 4
Miernik napięcia
Miernik natężenia
2.
Pomiar
Rys.6.1 Schemat układ pomiarowego
1.Podłączyć generator wiatru i ustaw wartość na napięcia zasilającego 12 V.
2. Przy pomocy anemometru dokonaj pomiaru prędkości wiatru
3. Podłącz układ pomiarowy zgodnie z Rys.6.1.
4. Dokonaj pomiaru napięcia i natężenia dla wartości napięcia zasilającego generator wiatry
ustawiony na 12V
4. Dodatkowo zmierz temperaturę powietrza w pomieszczeniu oraz średnicę wirnika
turbiny wiatrowej d.
5. Pomiarów umieść w tabeli pomiarowej
Vwiatru [m/s]
T [oC]
d [m]
 [kg/m3]
U [V]
I [mA]
3.
1. Oblicz powierzchnię pracy wirnika oraz energię wiatru przed wirnikiem
Powierzchnia pracy wirnika:
Energia wiatru:
(
)
2. Na podstawie otrzymanych wartości oblicz moc znamionową turbiny wiatrowej
3. Oblicz iloraz rzeczywiście wykorzystanej przez turbinę mocy pędu powietrza i mocy
wiatru przed wirnikiem 
4. Energia wiatru nie została w pełni przetransformowana przez turbinę wiatrową.
Co spowodowało utratę energii? W jakie formy energii została przemieniona energia
wiatru?
VII. Wyznaczanie współczynnika wydajności turbiny
wiatrowej
Energia wiatru nie jest w pełni wykorzystywana przez turbinę wiatrową. Fizyk Albert
Betz obliczył jaką maksymalną moc może osiągnąć turbina wiatrowa. Nazywa się ją
idealną wartością Betz’a (PidBetz). Współczynnik ten zależy od siły wiatru i może być
obliczony przy pomocy następującej formuły:
Wartość Cp = 0.593 i jest taka sama dla wszystkich rodzajów turbin wiatrowych. Energia
wiatru zależy natomiast od prędkości wiatru, powierzchni pracy wirnika oraz gęstości
powietrza i może być obliczona przy pomocy następującego równania:
(
)
Przy pomocy wartości mocy idealnej oraz ustalonej na postawie eksperymentu,
można obliczyć współczynnik wydajności turbiny wiatrowej η
1.
Zestaw przyrządów
Płyta główna
Przewody x 4
Miernik napięcia
Miernik natężenia
2.
Pomiar
1.Podłączyć generator wiatru i ustaw wartość na napięcia zasilającego 12 V.
2. Przy pomocy anemometru dokonaj pomiaru prędkości wiatru
3. Podłącz układ pomiarowy zgodnie z Rys.7.1.
4. Dokonaj pomiaru napięcia i natężenia dla wartości napięcia zasilającego generator wiatry
ustawiony na 12V
4. Dodatkowo zmierz temperaturę powietrza w pomieszczeniu oraz średnicę wirnika
turbiny wiatrowej d.
5. Pomiarów umieść w tabeli pomiarowej
Vwiatru [m/s]
T [oC]
d [m]
 [kg/m3]
U [V]
I [mA]
3. Analiza wyników pomiaru
1. Oblicz powierzchnię pracy wirnika
2. Na podstawie otrzymanych wartości oblicz moc znamionową turbiny wiatrowej
3. Oblicz współczynnik wydajności turbiny wiatrowej.
4. Sprawdź jak kształtują się współczynniki wydajności prawdziwych elektrowni
wiatrowych oraz porównaj je z twoimi wynikami z przeprowadzonego eksperymentu.
Opisz możliwe przyczyny odchyleń od tej wartości.
VII. Wyznaczanie napięcia wytwarzanego przez rotorową
turbinę Savonius i turbinę trójpłatową
Płyta główna
Turbina rotorowa Savoniusa
Przewody x 2
Miernik napięcia
2. Pomiar
1. Podłączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys.8.1
2. Włącz dmuchawę oraz zmierz napięcie generowane prze turbinę rotorową
Savoniusa (USavonius)
3. Wyłącz dmuchawę, zdemontuj turbinę rotorową Savoniusa. Zamontuj wirnik
trójpłatowy (szare oznaczenie).
4. Włącz dmuchawę i zmierz napięcie wirnika trójpłatowego (U3-płat.)
5. Zanotuj wartości pomiarów oraz inne twoje obserwacje.
3. Analiza wyników pomiarów
1. Przeprowadź dokładniejszą analizę turbiny rotorowej Savoniusa.
Spróbuj opisać zasadę działania tej turbiny oraz ją naszkicować.
2. Wyznacz różnicę napięć generowanych przez te dwa typy wirników modelowych?
Wyjaśnij przyczyny zaobserwowanej różnicy napięć generowanych przez turbiny
XI. Wyznaczanie mocy wytwarzanej przez rotorową
turbinę Savonius i turbinę trójpłatową
Płyta główna
Turbina rotorowa Savoniusa
Moduł oporu elektrycznego (33)
Przewody x 4
Amperomierz
Woltomierz
2. Pomiar
Rys.9.1
1. Podłącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys.9 dla turbiny
rotorowej Savoniusa.
2. Zmierz napięcie i natężenie prądu generowane prze turbinę rotorową Savoniusa dla
określonych w tabeli wartości napięcia zasilającego dmuchawę.
3. Włącz zasilacz dmuchawy, zdemontuj turbinę rotorową Savoniusa. Zamontuj wirnik
trójpłatowy.
4. Przeprowadź analogiczny eksperyment z wirnikiem trójpłatowym (dla różnych napięć).
Trurbina Savoniusa
Udmuchawy
v
Us
Is
Ps
[V]
[m/s] [V] [mA] [W]
Trurbina trójpłatowa
Udmuchawy v
U3 I3[mA] P3
[V]
[m/s] [V]
[W]
3. Analiza wyników pomiaru
1. Oblicz moc turbin dla określonych wartości napięcia zasilającego dmuchawy
2. Wykonaj wykres zależności mocy turbiny Soneniusa (3-płatowej) od prędkości
v
3. Porównaj oba rodzaje wirników, uwzględniając przy tym następujące aspekty:
• formę / konstrukcję
• oś obrotu
• szybkość obracania się
• prędkość rozruchową
• moc znamionową
4. Podaj przyczyny rzadkiego stosowania turbin rotorowych Savoniusa do
wytwarzania energii elektrycznej.
X.
Wyznaczanie napięcia wytwarzanego przez
turbinę w zależności od ilości łopatek wirnika
Płyta główna
Dmuchawa z zasilaczem (0 -12 V)
Turbina wiatrowa (wirnik dwu, trój i czteropłatowy
o wyprofilowanych łopatkach, 25°)
Przewody x 2
Woltomierz
2. Pomiar
Uwaga!
Poszczególne wirniki turbin wiatrowych potrzebują różnych okresów czasu do
osiągnięcia stałej prędkości obwodowej i tym samym do generowania stałego
napięcia. Dlatego też pomiar napięcia powinien być dokonany w sytuacji, gdy
nie będzie ono już ulegać wahaniom.
1. Podłącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rys.10.1, podłączając
turbinę z wirnikiem dwupłatowym.
2. Włącz dmuchawę zaczynając od najmniejszej wartości napięcia zasilającego
3. Wykonaj pomiar napięcia wytwarzanego przez turbinę wiatrową dla różnych
Wartości napięcia dmuchaw.
4. Wyłącz dmuchawę.
5. pomiary powtórzyć dla turbin z wirnikiem trój i czteropłatowym.
6. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli.
Udmuchawy
v
U2
[V]
[m/s] [V]
U3
[V]
U4
[V]
3.
1. Narysuj wykres napięcia generowanego przez turbiny od prędkości wiatru.
2. Wyznacz ilość łopatek wirnika, dla której zostaje osiągnięte najwyższe napięcie.
3. Określ zależność pomiędzy ilością łopatek wirnika a wytwarzanym napięciem.
Przy zmianie prędkości wiatru zmienia się także wytwarzane przez turbinę
napięcie. Uzasadnij na podstawie wyników przeprowadzonego eksperymentu
celowość zastosowania w prawdziwych elektrowniach wiatrowych wirników
trójpłatowych a nie dwu lub czteropłatowych
XI. Wpływ kierunku wiatru na wartość napięcia
wytwarzanego przez turbinę
1.
Zestaw przyrządów
Płyta główna
Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o profilowanych łopatkach, 25°)
Przewody x 2
Woltomierz
2.
Pomiar
Podczas ustawiania kąta turbiny do kierunku wiatru należy patrzeć na skalę kątową
prostopadle. Linia „czarne 0°” powinna być widoczna ponad białą linią szyny.
UWAGA! Podczas przekręcania podstawy turbiny nie dotykać wirnika –
Niebezpieczeństwo powstania urazu! – Podczas jej przekręcania należy wyłączyć
dmuchawę.
Rys.11.1
1. Połącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rys.11.1
2. Na początku ustaw kąt podstawy turbiny wiatrowej na 0°.
3. Włącz dmuchawę oraz zmierz wytwarzane przez turbinę napięcie
4. Dokonaj pomiaru napięcia w zależności od kąta natarcia co 10°.
1. Wykonaj wykres zależności napięcia wytwarzanego przez turbinę od ką
2. Wartość cos α jest miarą powierzchni natarcia wiatru na turbinę (tak jak przedstawiono to
na rysunku poniżej). Opisz zależność napięcia od kąta i powierzchni natarcia wiatru na
turbinę.
Kierunek wiatru oddziaływującego na łopatki wirnika turbiny wiatrowej ma duże
znaczenie dla wartości wytwarzanego przez turbinę napięcia. Opisz, w jaki sposób można
byłoby zmienić konstrukcję turbiny wiatrowej, aby wytwarzała zawsze możliwie
maksymalne napięcie.
XII. Wpływ kierunku wiatru na wartość mocy
wytwarzanej przez turbinę
1.
Zestaw przyrządów
Płyta główna
Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o profilowanych łopatkach, 25°)
Przewody x 2
Woltomierz
Moduł oporu elektrycznego
Amperomierz
2.
Pomiar
Podczas ustawiania kąta turbiny do kierunku wiatru należy patrzeć na skalę kątową
prostopadle. Linia „czarne 0°” powinna być widoczna ponad białą linią szyny.
UWAGA! Podczas przekręcania podstawy turbiny nie dotykać wirnika –
Niebezpieczeństwo powstania urazu! – Podczas jej przekręcania należy wyłączyć
dmuchawę
Rys.13.1
1. Połącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rys.12.1
2. Na początku ustaw kąt podstawy turbiny wiatrowej na 0°.
3. Włącz dmuchawę oraz zmierz napięcie i natężenie wytwarzane przez turbinę wiatrową
4. Dokonaj pomiaru napięcia i natężenia wytwarzanego przez turbinę w zależności od kąta
natarcia co
10°.
1. Wykonaj wykres P() oraz P(cos)
2. Wartość cos jest proporcjonalna do powierzchni, jaką tworzą obrazujące się łopatki
wirnika.
3. Opisz zależność między mocą a kątem.
XIII.Wpływ kąta nachylenia łopatek wirnika na
wartość prędkości i wartość wytwarzanej mocy
1.
Zestaw przyrządów
Płyta główna
Turbina wiatrowa (wirnik płatowy o profilowanych łopatkach, wszystkie kąty)
Przewody x 4
Woltomierz
Moduł oporu elektrycznego (regulowany) Amperomierz
Anemometr
2.
Pomiar
1. Podłącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys.13.1
2. Załóż wirnik o trzech łopatkach i kącie nachylenia 20° na turbinę wiatrową oraz włącz
dmuchawę.
3. Potencjometrem ustaw maksymalną wartość oporu elektrycznego (1k 100). Zmierz
napięcie i natężenie turbiny.
4. Zmniejszaj napięcie co 0.2 V za pomocą potencjometru i dokonaj odczytu napięcia i
natężenia prądu. Po każdej zmianie oporu odczekaj aż wartości natężenia i napięcia się
ustabilizują.
5. Za każdym razem dokonaj również pomiaru prędkości obrotowej łopatek wirnika.
6. pomiaru powtórzyć dla pozostałych katów nachylenia łopatek (25°, 30°, 50°)
7. Powtórz pomiary dla płaskich łopatek wirnika.
8. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli pomiarowej
Przykładowa tabela
 =20o
Ilość obrotów
U [V]
I [mA]
P [W]
1. Sporządź wykres I(U) oraz P(U)
2. Wyznacz maksymalną moc wytwarzaną przez każdą z łopatek
3. Określ zależność między kątem nachylenia łopatek a prędkością kątową
UMPP [V]
Optymalny profil
=
Płaskie łopatki
PMPP [W]
D max
XIV. Wyznaczanie mocy i napięcia generowanego
przez turbinę wiatrową w zależności od kształtu
wirnika łopatek.
Płyta główna
Turbina wiatrowa (wirnik płatowy o profilowanych łopatkach, 25o)
Przewody x 4
Woltomierz
Anemometr
2. Pomiar
Rys.14.1
Dmuchawę (12V).
ustabilizują.
6. Pomiary powtórzyć dla pozostałych łopatek o różnych profilach
Przykładowa tabela
kształt łopatki:
Ilość obrotów
U [V]
I [mA]
P [W]
1. Sporządź wykres I(U) oraz P(U)
2. Wyznacz maksymalną moc wytwarzaną przez każdą z łopatek
XV. Charakterystyczna prądowo-napięciowa i
wyznaczenie prędkość obrotowej turbiny
wiatrowej
Płyta główna
Turbina wiatrowa (wirnik płatowy o profilowanych łopatkach, 25o)
Przewody x 4
Woltomierz
Anemometr
2. Pomiar
Rys.15.1
Dmuchawę (12V).
ustabilizują.

I. Wyznaczenie prędkości rozruchowej trójpłatowej turbiny wiatrowej

Transkrypt

Podobne dokumenty

Czyszczenie turbiny (krok po kroku)

Informacje o zabytkowych turbinach Girarda używanych