Model siłowni wiatrowej

Model siłowni wiatrowej
materiał szkoleniowy dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych
Spis treści:
1. Specyfikacja techniczna
2. Teoria
3. Eksperymenty
EKSPERYMENT 1
instalacja turbiny wiatrowej oraz pomiar energii wiatru (napięcie i prąd DC).
EKSPERYMENT 2
pomiar napięcia i prądu przy uwzględnieniu zmiany ustawienia kąta łopat wirnika.
EKSPERYMENT 3
pomiar napięcia i prądu przy uwzględnieniu zmiany kierunku wiatru.
EKSPERYMENT 4
pomiar napięcia i prądu przy uwzględnieniu zmiany prędkości wiatru.
EKSPERYMENT 5
zapoznanie z metodą ładowania baterii Ni-MH przy pomocy turbiny wiatrowej.
EKSPERYMENT 6
zapoznanie z metodami zasilania lampy, wiatraczka oraz radia FM przy pomocy
energii kinetycznej wiatru.
4. Lista akcesoriów

podstawa turbiny + przewód (1 szt.)

łopata wirnika (3 szt.)

generator – turbina (1 szt.)

przewody połączeniowe – komplet - (16 szt.)

podręcznik nauczania (1 szt.) + płyta CD z prezentacją

bateria Ni-MH (1 szt.)

słuchawki douszne (1 szt.)

wiatraczek (1 szt.)

generator wiatru z pilotem (1 szt.)
Strona 2
1. SPECYFIKACJA TECHNICZNA
1. Maksymalne napięcie przy układzie rozwartym: 3 V DC,
2. Maksymalny prąd przy układzie zwartym: 250 mA
3. Zakres pomiarowy woltomierza: 0-12 V
4. Zakres pomiarowy amperomierza: 0-500 mA
5. Potencjometr:
1 kΩ
6. Bateria:
Ni-MH, 1,2V
7. Lampa:
3V
8. Wiatraczek: 2 V
9. Radio FM:
3V
Strona 3
2. TEORIA
Elementy systemu zasilania wiatrem:
1. rotor,
2. gondola,
3. skrzynia biegów oraz wały obrotowe,
4. generator,
5. wieża,
6. wiatr,
7. fundament.
1.
Rotor
Łopaty oraz piasta tworzą rotor. Większość turbin posiada dwie lub trzy łopaty (2527 m). Zdarzają się łopaty o długości 39 metrów.
rotor
Strona 4
2.
Gondola
Jest umieszczona na szczycie wieży. Zawiera w sobie skrzynię biegów oraz wały:
szybkoobrotowy i wolnoobrotowy, generator, kontroler oraz hamulec.
3.
Wał główny
Wał główny (wolnoobrotowy), podłączony pomiędzy rotorem a skrzynią biegów. Wał
główny obraca się z prędkością ~30-60 rpm.
Wał główny
Strona 5
4.
Skrzynia biegów
Łączy wał główny z wałem szybkoobrotowym zwiększając prędkość obrotową (rpm)
do ~1000-1800 rpm.
Skrzynia biegów
5.
Hamulec mechaniczny
Jest jednym z dwóch hamulców turbiny wiatrowej. Drugi hamuje łopaty wirnika.
Hamulec mechaniczny jest umiejscowiony pomiędzy skrzynią biegów a
generatorem. Jest to hamulec awaryjny.
Hamulec mechaniczny
6.
Wał szybkoobrotowy
Łączy skrzynię biegów z generatorem. Obraca się z prędkością ~1500rpm.
Wał szybkoobrotowy
Strona 6
7.
Generator prądu
Tworzy elektryczność. Prąd jest przesyłany w dół wieży poprzez grube przewody.
Generator wykorzystuje prawo Faraday'a. Przewodnik (uzwojenie cewki) obraca się
w polu magnetycznym wytwarzając tym samym napięcie.
Generator prądu
8.
9.
Radiator (system chłodzenia)
Odprowadza ciepło emitowane przez generator. Można chłodzić przy pomocy wody
lub powietrza.
Radiator
Wiatromierz kierunkowy
Przekazuje informacje o kierunku wiatru do kontrolera, który pozycjonuje gondolę.
Wiatromierz kierunkowy
10.
Anemometr
Mierzy prędkość wiatru, przekazuje informacje do kontrolera zarządzającego
gondolą.
Anemometr
Strona 7
11.
Kontroler
System zarządzania turbiną wiatrową składa się z wielu komputerów. System ten
zarządzany jest przez główny kontroler.
Kontroler
12.
Serwomechanizm kierunkowania
Połączony z podpiaściem steruje ruchem obrotowym gondoli.
Serwomechanizm kierunkowania
13.
Podpiaście
Duże koło zębate zamontowane pomiędzy szczytem wieży i gondolą.
Podpiaście
Strona 8
3. EKSPERYMENTY
EKSPERYMENT 1
Instalacja turbiny wiatrowej oraz pomiar energii wiatru (napięcie i prąd DC).
EKSPERYMENT 2
Pomiar napięcia i prądu przy uwzględnieniu zmiany ustawienia kąta łopat
wirnika.
EKSPERYMENT 3
Pomiar napięcia i prądu przy uwzględnieniu zmiany kierunku wiatru.
EKSPERYMENT 4
Pomiar napięcia i prądu przy uwzględnieniu zmiany prędkości wiatru.
EKSPERYMENT 5
Zapoznanie z metodą ładowania baterii Ni-MH przy pomocy turbiny wiatrowej.
EKSPERYMENT 6
Zapoznanie z metodami zasilania lampy, wiatraczka oraz radia FM przy
pomocy energii kinetycznej wiatru.
Strona 9
EKSPERYMENT 1
Cel: instalacja turbiny wiatrowej oraz pomiar energii wiatru (napięcie i prąd DC).
Procedura:
1. Złóż turbinę wiatrową (silnik DC, 3 łopaty wirnika, długi łącznik, łącznik T, 2 krótkie
łączniki i dwie podpórki – każda z 2 łącznikami L i łącznikiem T):
1. Ustaw model przodem do wiatru.
2. Podłącz przewód DC turbiny wiatrowej do bazy trenażera (sekcja Wind Energy
Generator).
3. Operując na bazie trenażera podłącz wyjście sekcji turbiny wiatrowej do
woltomierza: ustal
polaryzację (jeśli wskaźnik wychyla się w lewo: czarny = +, czerwony = -, jeśli w
prawo: czarny = –, czerwony = +).
Zmierz napięcie w układzie rozwartym.
Pamiętaj, że polaryzacja zasilania DC zależy od kierunku rotacji wirnika.
4. Podłącz wyście sekcji turbiny wiatrowej do amperomierza, zmierz prąd w układzie
zwartym.
Strona 10
EKSPERYMENT 2
Cel: pomiar napięcia i prądu przy uwzględnieniu zmiany ustawienia kąta łopat
wirnika.
Procedura:
1. Zmień kąt mocowania łopat wirnika turbiny.
2. Ustaw model przodem do wiatru.
3. Podłącz przewód DC turbiny wiatrowej do bazy trenażera (sekcja Wind Energy
Generator).
4. Operując na bazie trenażera podłącz wyjście sekcji turbiny wiatrowej do
woltomierza: ustal polaryzację
(jeśli wskaźnik wychyla się w lewo: czarny = +, czerwony = –, jeśli w prawo: czarny
= –, czerwony = +).
Zmierz napięcie w układzie rozwartym.
Pamiętaj, że polaryzacja zasilania DC zależy od kierunku rotacji wirnika.
5. Zwróć uwagę na wartość napięcia w układzie rozwartym oraz prąd w układzie
zwartym turbiny.
6. Wykonaj pomiary napięcia (rozwarcie) oraz prądu (zwarcie) turbiny wiatrowej, przy
różnych ustawieniach kąta łopat wirnika.
7. Porównaj wyniki pomiarów, na podstawie zestawienia zadecyduj jakie ustawienie
kąta łopat wirnika turbiny wiatrowej pozwala najefektywniej wykorzystać energię
kinetyczną wiatru (produkcja napięcia i prądu).
Strona 11
EKSPERYMENT 3
Cel: pomiar napięcia i prądu przy uwzględnieniu zmiany kierunku wiatru.
Procedura:
1. Zmień pozycję wiatraka tak, aby zmienić kierunek padania wiatru.
2. Podłącz przewód DC turbiny wiatrowej do bazy trenażera (sekcja Wind Energy
Generator).
3. Operując na bazie trenażera podłącz wyjście sekcji turbiny wiatrowej do
woltomierza: ustal polaryzację
(jeśli wskaźnik wychyla się w lewo: czarny = +, czerwony = -, jeśli w prawo: czarny
= -, czerwony = +).
4. Zmierz napięcie w układzie rozwartym.
5. Pamiętaj, że polaryzacja zasilania DC zależy od kierunku rotacji wirnika.
6. Zwróć uwagę na wartość napięcia w układzie rozwartym oraz prąd w układzie
zwartym turbiny.
7. Wykonaj pomiary napięcia (rozwarcie) oraz prądu (zwarcie) turbiny wiatrowej, przy
różnych kątach padania wiatru na łopaty wirnika.
8. Porównaj wyniki pomiarów, na podstawie zestawienia zadecyduj jaki kąt padania
wiatru na łopaty wirnika turbiny wiatrowej pozwala najefektywniej wykorzystać
energię kinetyczną wiatru (produkcja napięcia i prądu).
Strona 12
EKSPERYMENT 4
Cel:
pomiar napięcia i prądu przy uwzględnieniu zmiany prędkości wiatru.
Procedura:
1. Zmień ustawienia wiatraka tak, aby zmienić prędkość wiatru.
2. Ustaw model przodem do wiatru.
3. Podłącz przewód DC turbiny wiatrowej do bazy trenażera (sekcja Wind Energy
Generator).
4. Operując na bazie trenażera podłącz wyjście sekcji turbiny wiatrowej do
woltomierza: ustal polaryzację
(jeśli wskaźnik wychyla się w lewo: czarny = +, czerwony = -, jeśli w prawo: czarny
= -, czerwony = +).
Zmierz napięcie w układzie rozwartym.
Pamiętaj, że polaryzacja zasilania DC zależy od kierunku rotacji wirnika.
5. Zwróć uwagę na wartość napięcia w układzie rozwartym oraz prąd w układzie
zwartym turbiny.
6. Wykonaj pomiary napięcia (rozwarcie) oraz prądu (zwarcie) turbiny wiatrowej, przy
różnych prędkościach wiatru.
7. Porównaj wyniki pomiarów, na podstawie zestawienia zadecyduj jaka prędkość
wiatru pozwala najefektywniej wykorzystać energię kinetyczną wiatru (produkcja
napięcia i prądu).
Strona 13
EKSPERYMENT 5
Cel:
zapoznanie z metodą ładowania baterii Ni-MH przy pomocy turbiny wiatrowej.
Procedura:
1. Ustaw model przodem do wiatru.
2. Podłącz przewód DC turbiny wiatrowej do bazy trenażera (sekcja Wind Energy
Generator).
3. Operując na bazie trenażera podłącz wyjście sekcji turbiny wiatrowej do
woltomierza: ustal polaryzację
(jeśli wskaźnik wychyla się w lewo: czarny = +, czerwony = -, jeśli w prawo: czarny
= -, czerwony = +).
4. Włóż baterię Ni-MH do obejmy na płycie bazy trenażera (sekcja ładowania).
Bateria, do ładowania, wymaga napięcia pomiędzy 1,5 a 2V przy prądzie 80 mA
trwa to około 15 godzin.
Niektóre baterie umożliwiają ładowanie przy prądzie 210 mA (ładowanie trwa 3-4
godziny).
5. Przy pomocy przewodów połączeniowych podłącz przewód napięcia sekcji turbiny
wiatrowej do gniazda napięcia diody w sekcji ładowania (Charging Section).
6. Podłącz punkt T1 do gniazda napięcia baterii, oraz gniazdo masy sekcji turbiny
wiatrowej do gniazda masy sekcji ładowania.
7. Podłącz woltomierz do terminali baterii, zwróć uwagę na fluktuacje napięcia zależne
od prędkości wiatru.
8. Aby używać obciążenia (Load) – diody LED; podłącz terminal napięcia baterii do
punktu T2 sekcji wzmacniacza, natomiast terminal napięcia obciążenia podłącz do
punktu T3. Zewrzyj terminal masy baterii z terminalem masy obciążenia.
9. Obserwuj świecenie diód. W tym momencie bateria jest ładowana przy pomocy
energii wiatru, natomiast obciążenie (LED) korzysta zarówno z pomocy energii z
baterii jak i z energii wiatru.
Strona 14
EKSPERYMENT 6
Cel: zapoznanie z metodami zasilania lampy, wiatraczka oraz radia FM przy pomocy
energii kinetycznej wiatru.
Procedura dla lampy:
1. Ustaw model przodem do wiatru.
2. Podłącz przewód DC turbiny wiatrowej do bazy trenażera (sekcja Wind Energy
Generator).
3. Operując na bazie trenażera podłącz wyjście sekcji turbiny wiatrowej do
woltomierza: ustal polaryzację
(jeśli wskaźnik wychyla się w lewo: czarny = +, czerwony = –, jeśli w prawo: czarny
= –, czerwony = +).
Potrzebne napięcie wynosi 2V.
4. Podłącz terminal napięcia i masy turbiny wiatrowej do terminali napięcia i masy
sekcji lampy. Jeśli napięcie jest dużo wyższe niż 2V, najpierw podłącz szeregowo
potencjometr pomiędzy sekcje turbiny i obciążenia. Zanim to zrobisz upewnij się, że
potencjometr jest skręcony maksymalnie w prawo, następnie (po podłączeniu) kręć
nim w lewo aby zwiększyć napięcie.
5. Sprawdź, jak zachowuje się lampa przy zmianie wartości prądu i napięcia.
6.
Procedura dla wiatraczka:
1. Ustaw model przodem do wiatru.
2. Podłącz przewód DC turbiny wiatrowej do bazy trenażera (sekcja Wind Energy
Generator).
3. Operując na bazie trenażera podłącz wyjście sekcji turbiny wiatrowej do
woltomierza: ustal polaryzację
(jeśli wskaźnik wychyla się w lewo: czarny = +, czerwony = –, jeśli w prawo: czarny
= –, czerwony = +).
Potrzebne napięcie wynosi 3V.
Strona 15
4. Podłącz terminal napięcia i masy turbiny wiatrowej do terminali napięcia i masy
sekcji wiatraczka. Jeśli napięcie jest dużo wyższe niż 3V, najpierw podłącz
szeregowo potencjometr pomiędzy sekcje turbiny i obciążenia. Zanim to zrobisz
upewnij się, że potencjometr jest skręcony maksymalnie w prawo, następnie (po
podłączeniu) kręć nim w lewo aby zwiększyć napięcie.
Kierunek rotacji wiatraczka zależy od polaryzacji układu zasilającego.
5. Sprawdź, jak zachowuje się wiatraczek przy zmianie wartości prądu i napięcia.
Procedura dla radia FM:
1. Ustaw model przodem do wiatru.
2. Podłącz przewód DC turbiny wiatrowej do bazy trenażera (sekcja Wind Energy
Generator).
3. Operując na bazie trenażera podłącz wyjście sekcji turbiny wiatrowej do
woltomierza: ustal polaryzację
(jeśli wskaźnik wychyla się w lewo: czarny = +, czerwony = –, jeśli w prawo: czarny
= –, czerwony = +).
Potrzebne napięcie wynosi 3V.
4. Podłącz terminal napięcia i masy turbiny wiatrowej do terminali napięcia i masy
sekcji radia FM. Jeśli napięcie jest dużo wyższe niż 3V, najpierw podłącz
szeregowo potencjometr pomiędzy sekcje turbiny i obciążenia. Zanim to zrobisz
upewnij się, że potencjometr jest skręcony maksymalnie w prawo, następnie (po
podłączeniu) kręć nim w lewo aby zwiększyć napięcie.
5. Przy pomocy selektora częstotliwości (Frequency Selector) wyszukaj radiostacje.
6. Sprawdź, jak zachowuje się radio przy zmianie wartości prądu i napięcia.
Strona 16