Praca dyplomowa - Politechnika Poznańska
Transkrypt
Praca dyplomowa - Politechnika Poznańska
W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Instytut Mechaniki Stosowanej PRACA DYPLOMOWA – MAGISTERSKA Możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany ruchu wirnika aerogeneratora na prąd. Student: Wojciech ADAMCZAK Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn Specjalność: Mechatronika Kierujący pracą: Koreferent: prof. Czesław CEMPEL dr inż. Maciej TABASZEWSKI 1 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ POZ Wojciech ADAMCZAK :Możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany ruchu wirnika aerogeneratora na prąd elektryczny. SPIS TREŚCI Streszczenie / Introduction ........................................................................................................1 I. Wstęp .....................................................................................................................................2 II. Miejsce energetyki wiatrowej we współczesnym świecie ....................................................2 2.1 Ogólny zarys proekologicznych tendencji ....................................................................2 2.2 Polityka energetyczna państwa, dyrektywy unijne, prognozy rozwoju ........................5 2.3 Uwarunkowania środowiskowe do wykorzystania aerogeneratorów.............................8 2.4 Wnioski ...........................................................................................................................9 III. Efektywność przetwarzania energii strugi powietrza na prąd w znanych aerogeneratorach małej mocy .........................................................................................................................11 3.1. Efektywność przetwarzania, teoria , sposób obliczeń..............................................11 3.2. Opracowanie danych technicznych popularnych instalacji .....................................15 3.3. Opracowanie danych technicznych rzadko spotykanych instalacji,.........................18 3.4. Efektywność przetwarzania energii w aerogeneratorach VAWT ............................22 3.5. Szacunek kosztów wytwarzania energii w siłowni wiatrowej .................................29 3.6. Wnioski ....................................................................................................................30 IV. Koncepcje przetwarzania ruchu wirnika na prąd – stosowane rozwiązania ......................31 4.1. Czynniki decydujące o wyborze danego rozwiązania .............................................31 4.2. Stosowane obecnie rozwiązania, ogólna charakterystyka generatorów ..................31 4.2.1. Generatory asynchroniczne ..................................................................................32 4.2.2. Generatory synchroniczne ....................................................................................36 4.2.3. Generatory przeznaczone do pracy na sieci wydzielonej .....................................39 4.3 Wnioski .....................................................................................................................40 V. Podatność wirników aerogeneratora na bezpośrednie przetwarzanie .................................42 5.1 Warianty konstrukcyjne wirnika aerogeneratora .......................................42 5.2 Podatność wirników aerogeneratora na bezpośrednie przetwarzanie ........43 5.3 Wnioski .......................................................................................................48 VI. Propozycje realizacji idei bezpośredniej generacji prądu.................................................. 50 6.1 Proponowane konstrukcje dla sieci zawodowych ...............................................50 6.2 Bezpośrednia generacja prądu z ruchu wirnika dla aerogeneratorów HAWT.....51 6.3 Bezpośrednia generacja prądu z ruchu wirnika dla aerogeneratorów VAWT ....54 6.4 Bezpośrednia generacja prądu z energii wiatru za pomocą el. piezo. .................57 2 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ 6.5 Wnioski ...............................................................................................................60 VII. Podsumowanie ............................................................................................................61 7.1 Elektrownie przeznaczone do pracy w sieci zawodowej ....................................61 7.2 Turbiny do pracy w sieci wydzielonej.................................................................62 7.3 Generacja prądu z energii wiatru bez wykorzystania wirników .........................63 7.4 Wnioski ...............................................................................................................63 Literatura / źródła .....................................................................................................................65 Spis rysunków ..........................................................................................................................69 Spis tabel ..................................................................................................................................70 Załącznik1 ................................................................................................................................71 Załącznik2 ................................................................................................................................74 Załącznik3 ................................................................................................................................76 Załącznik4 ................................................................................................................................77 Załącznik5 ................................................................................................................................79 Załącznik6 ................................................................................................................................85 3 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Wprowadzenie. Tematem tej pracy dyplomowej są: Możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany ruchu wirnika aerogeneratora na prąd. W pierwszej części pracy przedstawiono sytuację na rynku energii oraz pozycję energetyki wiatrowej na tle innych odnawialnych źródeł energii. W dalszej kolejności zostały przedstawione istniejące, charakterystyczne konstrukcje wirników aerogeneratorów. Zostały one porównane ze sobą. Zastosowano podział na elektrownie pracujące dla sieci zawodowych oraz dla sieci zamkniętych. W porównaniach korzystano z danych technicznych podawanych przez producentów bądź dystrybutorów elektrowni wiatrowych. W kolejnej części pracy zaprezentowano stosowane metody przetwarzania ruchu wirnika na prąd w elektrowniach dużej i małej mocy. Przedstawiono również stosowane warianty konstrukcyjne oraz oceniono je pod kątem podatności na zrealizowanie za ich pomocą bezpośredniego przetwarzania ruchu wirnika na prąd. W ostatniej części pracy zaprezentowano, teoretycznie możliwe do zastosowania rozwiązania bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika aerogeneratora, oraz generacje prądu z energii wiatru przy użyciu elementów płaskich. Dokonano oceny rozwiązań pod kątem ewentualnych zysków i strat, a także rozważono możliwości zastosowania ich w praktyce. Introduction. The subject of this master’s paper is : The ability and effectiveness of the direct exchange of wind motor movement into electric current. In the first part of this paper the situation on the power market and the position of wind energy is presented on the background of other renewable energy sources. Later, some existing characteristic constructions of aerogenerator’s rotors are presented and compared. A division into power plants working for proffessional networks and for closed networks. In comparisons the technical data given by producers and distributors of wind power plants were used. In the next part of this paper some methods of transforming the rotor’s movement into electric current applied in power plants of big and small power are presented. There are also shown some used constructional variants, which are evaluated from the point of view of their usefullness in the realisation of direct exchange of rotor’s movement into power. In the last part of this paper there are presented some theoretically possible solutions which can be used to produce power directly from aerogenerator’s rotor’s movement and to produce power from wind energy with the use of flat elements. An evaluation of solutions from the point of view of profits of losses was carried out and, what is more, some possibilities of their usage in practice were considered. 4 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... I. Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Wstęp. Elektrownie wiatrowe są jednym z przyszłościowych rozwiązań w dziedzinie energetyki. Mają zapewnioną istotna pozycje w programach strategii energetycznej dla krajów zachodnio europejskich. Liczne programy prowadzone w Europie mają na celu promowanie tego sposobu pozyskiwania prądu elektrycznego a poszukiwanie bardziej efektywnych rozwiązań konstrukcyjnych samych aerogeneratorów staje się istotnym punktem programów proekologicznych w wielu krajach. Jednakże aerogeneratory to nie tylko wielkie elektrownie stworzone z myślą o energetyce zawodowej. Wiele zastosowań mogą znaleźć systemy stworzone do pracy w układach zamkniętych (podgrzewanie zbiorników wodnych, ładowanie pieców akumulacyjnych, zasilanie pomp nawadniających). Aerogeneratory nastawione na pracę w układach zamkniętych nie muszą generować prądu o ściśle ustalonych, niezmiennych parametrach wymaganych w sieciach przesyłowych. Pozwala to na większą swobodę przy projektowaniu tych urządzeń i ułatwia wprowadzenie nowatorskich rozwiązań. W mojej pracy będę starał się przedstawić: możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany ruchu wirnika aerogeneratora na prąd elektryczny. Zaprezentuje istniejące już rozwiązania, zarówno te przeznaczone do współpracy z liniami przesyłowymi, jak i te które pracują w układach zamkniętych. Postaram się przedstawić moje propozycje na zwiększenie efektywności uzyskiwania prądu z wiatru i porównam je z istniejącymi rozwiązaniami. Spróbuję odpowiedzieć na pytanie, czy nowatorskie rozwiązania są lepsze od konstrukcji najbardziej rozpowszechnionych i dopracowanych, oraz czy potencjalne korzyści, które za sobą niosą nie przewyższają potencjalnych problemów, które mogą stwarzać. Dane do porównań będę czerpał z udostępnianych przez producentów dokumentacji technicznych ich wyrobów, materiałów prezentowanych przez firmy zajmujące się sprzedażą elektrowni wiatrowych, oraz wszelkich dostępnych publikacji dotyczących energetyki wiatrowej. Z racji dość skromnej liczby dostępnych książek poświęconych pozyskiwaniu prądu z energii wiatru, większość materiałów będę pozyskiwał za pośrednictwem internetu, ze stron internetowych producentów turbin wiatrowych oraz specjalistycznych serwisów zarówno polskich jak i zagranicznych (głównie duńskich i niemieckich). II. Miejsce energetyki wiatrowej we współczesnym świecie. 2.1 Ogólny zarys proekologicznych tendencji w sektorze energetycznym. Współczesna energetyka ma przed sobą nowe wyzwania. Zwiększająca się świadomość ekologiczna niejako wymusza pozyskiwanie energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Najbardziej rozpowszechnionym i dostępnym sposobem na wykorzystanie energii odnawialnej na świecie są aerogeneratory. Istnieje wiele, ciekawych i efektywnych rozwiązań proekologicznych takich jak elektrownie solarne, wykorzystanie biomasy( wierzba, słoma, biogaz), elektrownie wodne czy też tzw.” wytwarzanie w skojarzeniu”, czyli kogeneracja [1 , 39]. Elektrownie wodne są źródłem taniej, czystej energii. W skali globalnej zajmują pierwsze miejsce jeżeli chodzi o pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych, jednakże budowa dużych elektrowni wodnych pochłania olbrzymie pieniądze, ma kolosalny wpływ na ekosystem w którym powstaje( proekologiczność staje się dyskusyjna), oraz ogranicza obszar ich zastosowań do obszarów o dużych zasobach wodnych. Najpowszechniej stosowane rozwiązanie kogeneracyjne polega na tym, że jednostka tego typu wytwarza zarówno energię elektryczną jak i cieplną. Energia cieplna ma formę 5 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ pary. Elektrownia wytwarzająca w skojarzeniu składa się z 3 głównych elementów: turbiny gazowej, połączonego z nią generatora oraz kotła do odzysku ciepła spalin. Mieszanka sprężonego powietrza i gazu ziemnego spalana jest w komorze spalania turbiny gazowej. Gazy o temperaturze osiągającej od 1200°C do 1300°C napędzają łopatki turbiny gazowej, która połączona jest poprzez wał z generatorem. Generator zamienia energię mechaniczną na elektryczną. Spaliny wylotowe z turbiny (o temperaturze ok. 500°C) skierowane są do kotła odzysku ciepła, gdzie oddają swoje ciepło i przekształcają wodę zasilającą kocioł w wysokociśnieniową, przegrzaną parę wodną. [38] Zastosowanie kogeneracji na skalę przemysłową daje lepsze wykorzystanie energii zawartej w paliwach, wzrost sprawności urządzeń a tym samym redukcję zużycia paliw i produkcji zanieczyszczeń (patrz załącznik 3). Do systemów kogeneracyjnych można także zaliczyć samochody o napędzie hybrydowym, spalinowo – elektrycznym, które dysponują bardzo dobrą dynamiką przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu spalania, oraz dużym odzyskiem energii bezpowrotnie traconej w zwykłych samochodach ( np. podczas hamowania energia nie jest bezpowrotnie tracona przez nagrzewanie tarcz hamulcowych ale jest przekazywana do prądnic ładujących akumulatory silnika elektrycznego). Systemami kogeneracyjnymi są także współczesne kotły gazowe odzyskujące ciepło spalin, które w starych kotłach ulatują kominem ( kocioł z odzyskiem ciepła ze spalin oddaje zimne spaliny – stąd konieczność stosowania kwasoodpornych wkładów kominowych ), jak również systemy ogrzewania budynków współpracujące z układami odzysku ciepła uciekającego kanałami wentylacyjnymi. Układ zaopatrywania budynków mieszkalnych w ciepłą wodę przy wykorzystaniu kolektorów słonecznych oraz małej elektrowni wiatrowej to także wytwarzanie w skojarzeniu. Przy bezchmurnym niebie i braku wiatru pracują tylko kolektory, przy dużym zachmurzeniu i wietrznej pogodzie tylko wiatrak. Jeżeli wystąpią dobre warunki nasłonecznienia i wietrzności mogą działać zarówno kolektory jak i wiatrak, a nadmiar energii może zostać zmagazynowany w baterii akumulatorów. Jak widać idea kogeneracji jest szeroka i na dużą skale wdrażana np. w nowo budowanych domach, czy produkowanych masowo samochodach (np. dostępna w Polsce TOYOTA PRIUS). Pozostałe proekologiczne sposoby pozyskiwania energii w skali światowej można potraktować raczej jako ciekawostki. W Polsce przyszłościowym rozwiązaniem wydaje się być spalanie biomasy( planuje się spalanie w elektrociepłowniach mieszanki wierzby opałowej i węgla). W warunkach krajowych jest to jeszcze wzmocnione faktem, że 1,7mln hektarów ziemi ornej leży odłogiem [2]. Ciekawym rozwiązaniem wydaje się też pozyskiwanie biogazu z odpadów po produkcji rolniczej. Jest to rozwiązanie raczej dla dużych ferm produkcji zwierzęcej. Koszt budowy instalacji biogazowej o pojemności 200m3 , przeznaczonej dla 200DJP (duże jednostki przeliczeniowe), z komorami gnojowymi i płytą kompostową oszacowano na 300 000 – 400 000 PLN. Technologia ta jest opłacalna przy przerobie 5-7 ton odpadów płynnych w ciągu doby [1, s264]. Wydaje się jednak w najbliższej przyszłości najbardziej dostępnym i możliwym w zastosowaniu sposobem na zwiększenie produkcji energii ze źródeł odnawialnych jest rozpowszechnienie generatorów wiatrowych. Za wykorzystaniem aerogeneratorów w produkcji energii przemawia też to, iż zasoby naturalne-kopaliny ,z których korzystamy kiedyś się skończą (rys. 1.). 6 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys. 1. Zasoby kopalin materiałów i energii wg innych źródeł [2]. Następstwa kryzysu energetycznego mogą być bardzo poważne, co zostało zobrazowane (rys. 2.) w odniesieniu do jednego z najważniejszych mediów energetycznych naszych czasów – ropy naftowej . Energetyka wiatrowa od początku lat 90-tych przeżywa burzliwy rozwój. Wielkość nowo instalowanej mocy w elektrowniach wiatrowych wzrastała przez ostatnich 8 lat przeciętnie o 40% rocznie, czyniąc energetykę wiatrową jedną z najszybciej rozwijających się gałęzi przemysł [27]. Rys. 2. Produkcja ropy i jej prognoza skojarzona z prognozą danych demograficznych i zanieczyszczenia [2]. Rozwój ten to zasługa prowadzonej polityki ukierunkowanej na umożliwienie energii wiatrowej konkurowania z już istniejącymi technologiami i uznającej korzyści płynące z energii wiatrowej, które przeważnie nie są zawarte w cenach elektryczności płaconych przez konsumentów(chodzi tutaj głównie o korzyści ekologiczne, ale także o ożywienie gospodarcze rejonów nieuprzemysłowionych, typowo rolniczych, o niskich klasach ziemi uprawnej). 7 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ 2.2 Polityka energetyczna w Polsce, dyrektywy unijne, prognozy rozwoju. W ciągu ostatniego dziesięciolecia skumulowana, zainstalowana moc wyjściowa elektrowni wiatrowych wzrastała z prędkością ponad 32% rocznie, do całkowitej wielkości prawie 13000 MW w całej Europie na koniec roku 2000, co obrazuje poniższy wykres(rys. 3.). [5] W roku 2000 Europejskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej zwiększyło swój cel dotyczący mocy elektrowni wiatrowych zainstalowanych w UE z 40 GW do 60 GW do roku 2010 [elektrownie wiatrowe], co potwierdza poważne traktowanie aerogeneratorów jako jednego z filarów produkcji energii elektrycznej. Rys3. Przyrost mocy generowanej przy pomocy generatorów wiatrowych w UE na tle produkcji światowej w latach 1990-2000 [5]. Prędkość, z jaką instalowane są nowe moce, w rzeczywistości wzrastała w tym samym okresie średnio o ponad 40% rocznie (rys 4) [5]. Polityka wspierania rozwoju energetyki wiatrowej przyjmuje różne formy: finansowanie badań i rozwoju energetyki wiatrowej z budżetu państwa, polityka rozwoju rynku energii odnawialnych itp.. Rys. 4.Procentowy przyrost mocy generowanej przez aerogeneratory w UE na tle świata [5]. Inne obszary polityki, nie będące z pozoru powiązane z sektorem energetycznym mogą mieć znaczący wpływ na wykorzystanie energii wiatru. Są to takie zagadnienia jak: 8 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ polityka dotycząca zmian klimatycznych oraz przepisy ochrony środowiska, np. z zakresu lokalnego zanieczyszczenia powietrza(chodzi tutaj głównie o emisję szkodliwych związków chemicznych do atmosfery), planowanie rozwoju gospodarczego i regionalnego, środki zapewnienia bezpieczeństwa dostaw energii( w przypadku Polski byłoby to np. uniezależnienie się od dostaw gazu z Rosji). O tym, że Europa jest swoistym światowym zagłębiem produkcji energii za pomocą aerogeneratorów świadczy jej udział w światowej produkcji energii (rys 5.) Rys. 5. Całkowita produkcja energii pozyskanej z wiatru na świecie[6]. Wszystkie trzy instytucje, Rada, Komisja i Parlament Europejski wypowiadają się w sprawie poparcia dla działań ochrony środowiska przyczyniających się do redukcji zmian klimatycznych. Taka polityka jest zgodna z zobowiązaniami UE do stosowania się do założeń Protokołu z Kioto. Obecnie w niewystarczającym stopniu korzysta się z odnawialnych źródeł energii. Wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii na szerszą skale przyczyni się do ograniczenia efektu cieplarnianego. Dyrektywa ustala cele do osiągnięcia przez Państwa Członkowskie przyczyniające się do realizacji polityki promocji odnawialnych źródeł energii na rynku energetycznym. Zgodnie z założeniami Dyrektywy cele te muszą być zgodne z globalnym założonym celem osiągnięcia 12% całkowitego krajowego zużycia energii do 2010r. Ponadto, do 2010r. odnawialne źródła energii na wewnętrznym rynku krajowym muszą stanowić 22,1% całkowitej produkcji energii [8]. Dyrektywa wymaga podjęcia środków gwarantujących przesył i dystrybucję energii elektrycznej wyprodukowanej w odnawialnych źródłach energii. W tym celu wprowadzono przepisy zobowiązujące operatorów do zapewnienia pierwszeństwa w świadczeniu usług przesyłowych energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii w krajowym systemie elektroenergetycznym. Polska jako nowy członek Unii Europejskiej będzie musiała również realizować ten program. W proponowanym projekcie zmian prawa energetycznego z dnia 9.01.2004 zakłada się nałożenie obowiązku zakupu lub wytworzenia energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, na przedsiębiorstwa energetyczne zajmujące się sprzedażą energii elektrycznej. Maja one zapewnić objęcie całej ilości energii elektrycznej wytwarzanej w kraju, według zasad wymaganych w dyrektywie UE oraz realizację celu produkcji energii ze źródeł odnawialnych na poziomie 7,5 % energii elektrycznej zużywanej brutto w kraju dla 2010 roku. Poniższa tabela obrazuje jak wygląda sytuacja w Polsce jeżeli chodzi o produkcje energii z wiatru, na tle reszty Europy (tabela 1.) Tabela 1.Wykaz zainstalowanych mocy w poszczególnych krajach [6]. 9 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rynki energetyki wiatrowej 2001 koniec 2002 2002 koniec roku roku (zainstalowanej mocy w całkowita przyłączona całkowita MW) USA 4,275 410 4,685 Północna Ameryka 4,473 450 4,923 Niemcy 8,754 3,247 12,001 Hiszpania 3,337 1,493 4,830 Dania 2,489 497 2,880 Włochy Holandia 682 486 103 217 785 688 Wielka Brytania Szwecja Grecja 474 293 272 87 35 4 552 328 276 Portugalia Francja Austria 131 93 94 63 52 45 194 145 139 Irlandia Belgia 124 32 13 12 137 44 Finlandia Luksemburg Całkowita UE 39 15 17,315 2 1 5,871 41 16 23,056 Norwegia Ukraina 17 41 80 3 97 44 Polska Reszta Europy 22 123 5 112 27 235 Reszta całkowita 2,479 435 2,914 Tabela2.Wykaz zainstalowanych w Polsce siłowni wiatrowych, stan na rok 2002 [27]. lp. Miejsce Ilość Moc Moc Producent Użytkownik Rok zainstalowania szt. elektrowni farmy startu (kW) (kW) 1 Lisewo / Pomorskie woj. 1 150 150 Nordtank Elektrownia Żarnowiec 2 Swarzewo / woj. 1 Pomorskie 95 95 Folkecenter Energa Gdańsk - 1991 3 Zawoja k. Bielsko- 1 Białej 160 160 Nowomag klasztor 1995 4 Wrocki 160 160 Nowomag prywatny 1995 1 1991 10 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ 5 Kwilcz / woj. 1 Wielkopolskie 160 160 Nowomag gmina 1996 – obecnie nieczynna 6 Słup k. Legnicy 1 160 160 Nowomag gmina 1997 7 Rembertów / woj. 1 Mazowieckie 250 250 Lagerway Van Melle Poland 8 Starbiewo / woj. 1 Pomorskie 250 250 Nordex Kaszubski Uniwer. Ludowy 1997 9 Swarzewo / woj. 2 Pomorskie 600 1200 Tacke WestWind Poland - 1997 10 Rytro Sącza k.Nowego 1 160 160 Nowomag prywatny 1994 11 Cisowo k. Darłowa 5 132 660 SeeWind prywatny 1999 12 Rymanów k.Krosna 2 160 320 Nowomag gmina 2000 13 Nowogard 1 255 255 Vestas gmina 2000 14 Barzowice 6 850 5100 Vestas prywatny 2001 15 Cisowo k. Darłowa 9 2000 18000 Vestas prywatny 2001 16 Zagórze k. Wolina 15 2000 30000 Vestas Elsam 2002 RAZEM 49 - 1997 57080 [kW] 2.3 Uwarunkowania środowiskowe do wykorzystania aerogeneratorów w produkcji energii elektrycznej. Eksploatacja elektrowni wiatrowych nie powoduje zanieczyszczeń gleb, wód podziemnych i powierzchniowych, nie powstają żadne opady, ani szkodliwe dla człowieka promieniowanie. Elektrownie wiatrowe mogą powodować następujące uciążliwości dla otoczenia [30]: • Zakłócenia wizualne, • Zagrożenia klimatu akustycznego (chociaż wiadomo, że współczesne turbiny wiatrowe spełniają wszelkie obowiązujące normy dotyczące emitowanego hałasu – praca magisterska Marcina KRAJDOCHY ) • Zagrożenia dla przelatujących ptaków, • Zakłócenia fal radiowych i telewizyjnych. Zagrożenia klimatu akustycznego. Pracująca elektrownia wiatrowa wytwarza hałas(rys. 6.). Pochodzi on głównie od obracających się łopat wirnika (opory aerodynamiczne) i w mniejszej części generatora i przekładni. Jak można zaobserwować, zmniejszanie ilości elementów łańcucha przenoszenia energii może przynieść nie tylko korzyści w postaci większej sprawności układu, ale także obniżenia poziomu hałasu. 11 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys. 6.Rozkład natężenia dźwięku dla elektrowni firmy VESTAS o mocy1650kW[29]. Jednym z argumentów przeciw rozwijaniu energetyki wiatrowej jest rzekome zagrożenie dla ptaków stwarzane przez wiatraki, jednak dane przedstawione na rys 7. zdają się temu zaprzeczać. Dzięki wyprodukowaniu 1kWh energii elektrycznej w elektrowni wiatrowej zahamowaniu ulega emisja do atmosfery( w porównaniu z elektrownią węglową) takich zanieczyszczeń[1, s82]: o 5,5g SO2 o 4,2g NOx o 700g CO2 o 49g pyłów i żużlu Rys 7. Liczba zabitych, przez różne przyczyny, ptaków w Holandii [30]. Być może podane powyżej wartości nie wydają się być imponujące, ale wystarczy przemnożyć je przez ilość energii która ma zostać wyprodukowana w 2005 roku( w Polsce) za pomocą elektrowni wiatrowych( 450 MWh), aby uzyskane wartości redukcji szkodliwych wyziewów były znaczące. 2.4. Wnioski. Elektrownie wiatrowe zyskują co raz bardziej znaczącą pozycję w świecie energetyki. Mają tam zapewnione miejsce dzięki obowiązującym regulacją prawnym, które mają zapewnić zwiększenie udziału energii uzyskanych ze źródeł odnawialnych w całkowitej produkcji energii na świecie. Wiatraki mimo swoich wad nie mają praktycznie żadnej alternatywy w kręgach urządzeń pozyskujących energię ze źródeł odnawialnych. Tylko one pozwalają na szybkie (kilka miesięcy) uruchomienie produkcji energii na wysoką skalę bez konieczności prowadzenia wielkich robót przygotowawczych (jak w przypadku budowy elektrowni wodnej) i bez konieczności wykonywania szeregu kosztownych zabiegów administracyjnych – np. przesiedlenia ludności (np. ze strefy zatapianej, przez budowę zapory na rzece ). Małe elektrownie wiatrowe także wydają się ciekawym rozwiązaniem jako dodatkowe źródło energii dla domostwa, którą można spożytkować np. na podgrzewanie ciepłej 12 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ wody lub w przypadku budynków znajdujących się poza zasięgiem infrastruktury energetycznej jako źródło prądu elektrycznego. W tym przypadku mały wiatrak jest chyba najlepszym obecnie rozwiązaniem. Konkurować z nim mogą jedynie hałaśliwe i produkujące spaliny agregaty prądotwórcze. Pomijam tu ogniwa fotowoltaniczne z racji ich niewielkiej efektywności i bardzo wysokiej ceny (w porównaniu do wiatraków i agregatów prądotwórczych). 13 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ III. Efektywność przetwarzania energii strugi powietrza na prąd w znanych aerogeneratorach małej mocy, Na efektywność przetwarzania energii strugi powietrza na prąd elektryczny ma wpływ kilka czynników: 9 Zastosowany wariant konstrukcyjny wirnika; jego podatność na podmuchy wiatru, bezwładność układu, współczynnik wykorzystania energii wiatru, 9 Zastosowana skrzynka biegów ( lub jej brak), sprawność układu przeniesienia napędu, 9 Zastosowany w układzie generator, jego rodzaj, sprawność przemiany energii mechanicznej wirnika na prąd elektryczny. 3.1. Efektywność przetwarzania, teoria, sposób obliczeń . Energia wiatru jest wprost proporcjonalna do prędkości wiatru podniesionej do trzeciej potęgi. Należy pamiętać, że prędkość wiatru zmienia się wraz z wysokością, ciśnieniem atmosferycznym, a dodatkowo zależy od ukształtowania terenu. Przy powierzchni ziemi prędkość wiatru równa się zeru, co jest spowodowane siłami tarcia. Siły ta powodują , że tylko ¼ energii kinetycznej wiatru przypada na wiatry wiejące na wysokości do 100m, resztę ¾ energii mają wiatry wiejące wyżej niż 100m[1,s72]. Jednakże względy techniczne i ekonomiczne powodują, że budowanie tak wysokich siłowni wiatrowych jest uznawane za nieekonomiczne. Przejście strumienia powietrza przez turbinę aerogeneratora przedstawia się w następujący sposób: prędkość początkowa wiatru v0 w wyniku przejścia przez skrzydła turbiny wiatrowej ulega zahamowaniu do prędkości vs. Za turbiną prędkość zmniejsza się dalej i wynosi vk.(rys 3.1) Zmniejszenie prędkości v0 i vk oraz ciśnień p’s i p’’s przed i za turbiną powoduje spadek wartości pędu, który z kolei zmienia się na pracę użyteczną w postaci momentu sił obwodowych działających na łopaty i przenoszonego przez wał wirnika. Prędkość przepływu powietrza przez wirnik jest średnią arytmetyczna prędkości wiatru przed i za wirnikiem i jest określona wzorem (3.1)[1,s72]. v + vk vs = 0 . (3.1) 2 Moc użyteczna pobierana od strumienia powietrza przepływającego przez turbinę jest różnicą energii kinetycznej wiatru przed i za wirnikiem, tak jak przedstawia to zależność (3.2) [1, s73] Pu = Qρ v02 − v k2 v 2 − v k2 v + v k v02 − v k2 ρ . = As v s ρ 0 = As 0 2 2 2 2 (3.2) Rys 3.2Przepływ strugi powietrza przez turbinę[24]. 14 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys 3.1 Schemat przepływu wiatru przez turbinę wiatrową.[1, s73] Maksimum mocy dla danej prędkości wiatru v0 i określonych wymiarów wirnika As wynika z warunku dPu/dvk=0, [1, s73]. v . ( 3.3) vk = 0 3 Przy takim (3.3) [1, s73] optymalnym zmniejszeniu prędkości powietrza teoretycznie maksymalną moc użyteczną określa wzór (3.4) [1, s74]. 8 2π 2 3 Pu ,max = As ρv03 = Ds ρv0 . (3.4) 27 27 Z teorii sił aerodynamicznego opływu śmigła wynika, że siły nośna śmigła FN i oporu śmigła Fop są opisane zależnościami (3.5) [1, s74] v2 FN / op = C N / op ρ 0 As , (3.5) 2 gdzie: CN i Cop – współczynniki siły nośnej i oporu, będące funkcją kształtu profilu śmigła. Stosunek tych współczynników jest nazywany współczynnikiem doskonałości profilu dla danej powierzchni śmigła As. Moc silnika wiatrowego opisuje wzór 3.6 uwzględniający (w przeciwieństwie do wzoru 3.2) współczynnik wykorzystania energii wiatru, wyróżnik szybkobieżności oraz kształt profilu skrzydła. [1, s74] ⎡ d s2 ⎤ ds − 1 − 1 ⎢ ⎥ d2 ⎞ C z Ds Ds2 ⎥ 2 3 1− e ⎢1 ⎛ ⎜1 − s2 ⎟ − op + (3.6) − P= πDs ρv0 , 1 + e ⎢ 2 ⎜⎝ Ds ⎟⎠ C N 3 2z 4 ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ gdzie : o e- współczynnik wykorzystania energii wiatru (e=0,3-0,4), o z-wyróżnik szybkobieżności. 15 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Sprawność przetwarzania energii wiatru na energie elektryczną jest iloczynem sprawności turbiny wiatrowej , układu przeniesienia napędu( sprzęgło i przekładnia- o ile występuje), oraz prądnicy i wynosi średnio 60%(dla układów z przekładnią główną).(rys. 3.3) Rys 3.3 Rozkład gęstości mocy uzyskanej przez generator wiatrowy w funkcji prędkości wiatru [30]. Do tego spadek temperatury od 15º do 0ºC przy stałym ciśnieniu powoduje wzrost gęstości powietrza i tym samym wzrost energii kinetycznej wiatru o ok. 6%. Wzrost temperatury powietrza od 15º do 30ºC powoduje spadek mocy o ok. 5%.[1, s74] Cechą charakteryzującą napęd aerogeneratora jest wyróżnik szybkobieżności (3.7) [1, s74], który wyraża się jako stosunek prędkości obwodowej końca wirnika U do prędkości wiatru v0 U ϖD s . ( 3.7) = z= v0 2v0 Wartości współczynnika z dla różnych konstrukcji: • z<1,5 –turbiny bębnowe, karuzelowe, rotorowe, • 1,5<z<3,5 – turbiny wielopłatowe • z>3,5 – silniki śmigłowe i Darrieusa W zależności od współczynnika szybkobieżności silnika z, prędkości wiatru za wirnikiem(vk) oraz jego sprawności mechanicznej ηs różna jest sprawność przepływowa (3.8) [1, s75] 1⎛ v η p = η s ⎜⎜1 + k z ⎝ v0 ⎞ ⎟⎟ ⎠ 2 ⎛ vk ⎜⎜1 − ⎝ v0 ⎞ ⎟⎟ ⎠ . (3.8) Znając współczynnik momentu obrotowego Ф można wyznaczyć moment obrotowy na wale silnika wiatrowego (3.9) [1, s76] ρv 2 d . ( 3.9) M 0 = Φ 0 As 2 2 Moment obrotowy silnika wiatrowego powstaje w wyniku działania wiatru na łopaty wirnika (rys.3.4) . 16 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys 3.4 Powstawanie momentu obrotowego na łopatach wiatraka[24] Siła aerodynamiczna Fa jest wypadkową siły oporu Fx powstałej wskutek naporu powietrza na łopatkę i siły nośnej Fy, której mechanizm powstawania jest nieco bardziej skomplikowany. Przyjmuje się, że ilość powietrza napływającego na krawędź natarcia łopaty o profilu np. płasko-wypukłym jest równa ilości powietrza spływającego z krawędzi spływu (zgodnie z równaniem ciągłości strugi). Ponieważ górna powierzchnia łopatki ma większą krzywiznę niż dolna, górna struga ma do przebycia w tej samej jednostce czasu dłuższą drogę, czyli jej prędkość jest większa niż dolnej. Zgodnie z prawem Bernoulliego ciśnienie górnej strugi będzie mniejsze niż dolnej. Ta różnica ciśnień jest główną przyczyną powstawania siły nośnej. Także na łopatce o przekroju symetrycznym może powstawać siła nośna, jeśli łopatka jest ustawiona pod dodatnim kątem natarcia (kąt α na rys.3.6). W takim przypadku opływ strugi powietrza na górnej i dolnej powierzchni będzie niesymetryczny, prędkość powietrza na górnej powierzchni będzie większa niż na dolnej, powstanie więc różnica ciśnień, a w wyniku tego siła nośna [24]. Siła aerodynamiczna Fa może być rozłożona na składową styczną do płaszczyzny obrotów wirnika Fobw (wzór 4.0) i normalną Fos (wzór 4.1). Składowa styczna powoduje obrót, a składowa normalna wywołuje nacisk osiowy, który jest przejmowany przez łożyska [24]. Rozkład siły aerodynamicznej przedstawia rys.3.6 . (4.0) (4.1) Rys. 3.6 Siły nośną Fy i oporu Fx wyznacza się w oparciu o charakterystykę profilu z wzorów (patrz załącznik 6) [24]. 17 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Podczas wykonywania obliczeń łopatkę wirnika dzieli się na pewną ilość elementów (rys. 3.7), dla których przeprowadza się obliczenia prędkości, kątów i sił, ponieważ wraz ze wzrostem promienia r rośnie też wartość prędkości obwodowej u, co powoduje zmianę prędkości w i kąta β. Rys. 3.7 Sposób podziału łopat wirnika na fragmenty, w celu wykonania obliczeń [24]. Dla każdego elementu (jego przekroju) dobiera się kąt zaklinowania ϕ tak, aby uzyskać właściwy kąt natarcia α (co jest warunkiem uzyskania prawidłowej pracy łopatki). Kąt α dobiera się najczęściej jako równy lub bliski kątowi maksymalnej doskonałości profilu (jest to kąt, dla którego stosunek Cy/Cx osiąga maksymalną wartość). Łopatka wiatraka jest więc zwichrowana, a kąt zaklinowania ϕ zmienia się od wartości największej u nasady (od środka) do najmniejszej przy końcówce łopaty (średnica zewnętrzna koła wiatrowego) [24]. Obliczenia związane z wirnikami elektrowni wiatrowych, a szczególnie umożliwiające dobranie optymalnego kształtu profilu skrzydła są bardzo żmudne. Obecnie do tego typu obliczeń wykorzystuje się programy komputerowe. Bardzo użytecznym a zarazem łatwo dostępnym narzędziem do wykonywania tego typu obliczeń jest dostępny w internecie program WIATRAK 1.1, który umożliwi średnio obeznanemu z tematem hobbyście uzyskanie wytycznych co do parametrów które ma spełniać jego wiatrak aby pracował z najwyższą efektywnością. 3.2 Opracowanie danych technicznych popularnych instalacji, obrazujących efektywność przetwarzania strugi powietrza na prąd elektryczny. Na początku chciałbym zaprezentować dwie elektrownie wysokiej mocy stosowane w energetyce wiatrowej. Są to dwa modele firmy GE Wind Energy, 1,5 SL oraz 1,5 S o mocy znamionowej 1,5 MW. Oba są do się obie bliźniaczo podobne, najważniejszą różnicą między nimi jest rozmiar wirnika, odpowiednio: SL 77 m; S70 m. Oba modele są aerogeneratorami o zmiennej prędkości obrotowej, kąt natarcia łopat ma możliwość pełnej regulacji [9]. Wał wirnika jest ułożyskowany na przednim łożysku głównym i w przekładni. Łożysko główne, przekładnia i generator są zamontowane na ramie podstawowej. Wirnik zbudowany jest z trzech łopat umocowanych za pośrednictwem indywidualnych własnych łożysk na żeliwnej piaście. Regulacja kąta natarcia łopat odbywa się przy pomocy silnika elektrycznego napędzającego koło zębate wewnętrzne łożyska łopaty. Wirnik jest umieszczony jako „up wind”(jako wirnik nawiewowy). W zakresie częściowego obciążenia urządzenie pracuje ze stałym kątem natarcia łopat i zmienną prędkością obrotową. Przy prędkościach wiatru przekraczających prędkość znamionową następuje regulacja mocy przez zmianę kąta natarcia łopat. Silne porywy wiatru nie są kompensowane w całości przez regulację położenia łopat; w tych wypadkach dopuszcza się krótkotrwałe wahania prędkości obrotowej. 18 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Zastosowano przekładnie zębatą walcową planetarną wysokiej mocy, o przełożeniu całkowitym i = 98,3. Przekładnia jest ułożyskowana elastycznie na ramie podstawowej z boku za pośrednictwem podpory skrętnej z elementami gumowymi. W toku projektowania szczególny nacisk położono na zminimalizowanie hałasu. Generator jest skonstruowany jako podwójnie zasilana maszyna asynchroniczna z uzwojonym wirnikiem, połączoną z obwodami zewnętrznymi przy pomocy pierścieni ślizgowych. W obwodzie wirnika znajduje się przetwornica częstotliwości, która podaje do obwodu wirnika napięcie o regulowanej częstotliwości, dzięki czemu możliwa jest regulacja prędkości obrotowej w zakresie ok. 30% synchronicznej prędkości obrotowej [9]. W tabeli 3.1 zestawiono wybrane dane techniczne w/w turbin. Są to produkty najwyższej jakości, stosowane w energetyce zawodowej, stąd ich wysoka sprawność, pomimo zastosowania przekładni. Jak widać w tabeli 3.1 sprawność przekładni to 96,8 % a generatora 96,1 %. Jeżeli porównamy te parametry z większością dostępnych na rynku konstrukcji małej mocy, to zobaczymy, że sprawność samej przekładni często spada tam nawet poniżej 90 % [11,12]. Należy też pamiętać, iż mimo wysokiej sprawności przekładni(w prezentowanych urządzeniach) straty które generuje oznaczają spadek rzędu 48 kW jeżeli elektrownia pracuje z mocą nominalną. Jest to duża wartość której zniwelowanie mogłoby np. pokryć koszty serwisu i przeglądów turbiny. Przy założeniu, że elektrownia działałaby ze średnią mocą na poziomie 40% mocy nominalnej, to zysk ze zniwelowania strat przekładni wyniósłby(w skali roku) 166 MWh, co przy realnych polskich stawkach zakupu energii na poziomie 260 PLN [40] dałoby sumę 43 160 PLN Należy tez pamiętać o dużej hałaśliwości rozwiązań z przekładnią (w porównaniu z aerogeneratorami bezprzekładniowymi). W tabeli 3.1 Umieściłem też porównywalną pod względem mocy turbinę wiatrową firmy Enercon, w której prąd jest uzyskiwany bezpośrednio z ruchu wirnika aerogeneratora, nie zastosowano skrzynki przekładniowej. Jak widać turbina firmy Enercon rozpoczyna pracę przy słabszym wietrze niż urządzenia GE Wind Energy (odpowiednio 2,5 m/s Enercon a 3 m/s w przypadku turbin z przekładnią). Należy przyjąć że na tak wysokim poziomie technologicznym jaki reprezentują wszystkie trzy opisywane elektrownie wiatrowe ich śmigła są dopracowane w podobnym stopniu jeżeli chodzi o podatność na „wyłapywanie energii podmuchu wiatru”. Praca przy niższej prędkości wiatru w przypadku turbiny Enercon wynika z mniejszych oporów ruchu, co z kolei jest spowodowane eliminacją z łańcucha energetycznego skrzynki przekładniowej. Parametrem obrazującym efektywność wykorzystania energii wiatru przez turbinę wiatrową jest wskaźnik wytwarzanej energii przypadającej na 1 m2 powierzchni zakreślanej w powietrzu przez obracający się wirnik. Jak widać turbina Enercon jest zdecydowanie bardziej wydajna od przekładniowych turbin GE. Tabela 3.1 Wybrane parametry techniczne turbin wiatrowych GE [9], oraz Enercon[18] Model turbiny GE 1.5 SL GE 1.5 SE ENERCON E66 Moc znamionowa 1500 kW 1500 kW 1800-2000kW generatora Przełożenie 98,3 89,9 Bez przekładni przekładniowa 96,8 % 96,8 % Bez przekładni Sprawność nominalna przekładni 19 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Typ konstrukcji Podwójnie zasilana Podwójnie zasilana Bezpośrednio napędzany, prądnica generatora prądnica pierścieniowy, asynchroniczna asynchroniczna synchroniczny 96,1 96,1 Nieznana Sprawność nominalna generatora Typ wirnika Średnica 77 m, liczba Średnica 70,5 m, Średnica 70m, łopat 3 liczba łopat 3 liczba łopat 3 Prędkość wiatru 3 m/s 3 m/s 2,5 m/s załączenia Znamionowa 12 m/s 12 m/s 12 m/s prędkość wiatru Wydajność z m2 0,322 kW/m2 0,39 kW/m2 0,47kW/m2zakreślanej 0,51kW/m2 powierzchni (znam. V wiatru). Prędkość wiatru 22 m/s 22 m/s 28-34 m/s odłączenia Zakres prędkości 11-22 obr/min 11-22 obr/min 10-22 obr/min obrotowej Model 1,5 SE ma przy takiej samej średnicy wirnika moc mniejszą o 300-500kW(w zależności od roku produkcji turbiny Enercon) od turbiny E-66. Jest to bardzo znacząca wartość. Na korzyść rozwiązania firmy Enercon działa też prędkość wiatru umożliwiająca jej rozruch wynosząca 2,5m/s – turbina GE potrzebuje wiatru o wartości 3 m/s. Jak widać koncepcja bezpośredniego przetwarzania ruchu wirnika aerogeneratora na prąd, jest zdecydowanie bardziej wydajnym rozwiązaniem niż generacja za pośrednictwem skrzynki przekładniowej. Do zalet systemów bez przekładniowych należy doliczyć też prostszy serwis i niższą awaryjność w porównaniu z elektrowniami wyposażonymi w przekładnie oraz niższy poziom hałasu (eliminacja skrzynki przekładniowej). Zaprezentowane powyżej elektrownie profesjonalne są rozwiązaniami trzypłatowymi. Przyglądając się produkowanym obecnie aerogeneratorom można przyjąć, że jest to obecnie optymalne rozwiązanie jeżeli chcemy uzyskiwać prąd elektryczny o dobrych parametrach z energii wiatru, przy możliwie niskich nakładach inwestycyjnych w stosunku do generowanej mocy i parametrów użytkowych wiatraka. Teraz przedstawię porównanie elektrowni o małej (za taką przyjąłem moc w okolicach 30kW) mocy (tabela 3.2) mogących służyć zarówno do wytwarzania energii na sprzedaż, jak i do produkcji na zamkniętą sieć. Tabela 3.2 Wybrane parametry małych i średnich elektrowni wiatrowych obrazujące ich efektywność przetwarzania wiatru na prąd elektryczny [10, 13, 12, 11]. Model turbiny Produkt Fortis-Boreas Dr Ząber Z-12 Czysta energia Enercon E 12 Cecha char. C-100 Moc znamionowa 30 kW 30 kW 95/30 kW 30 kW generatora Sprawność Nieznana Nieznana 94.1/90 % Nieznana urządzenia Typ generatora Asynchroniczny asynchroniczny, asynchroniczny, Bezpośrednio 20 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... 3 fazowy Praca mgr, 3-fazowy 06.04 PP WBMiZ 3-fazowy, zmienna liczba biegunów 6 / 8 płatowy, płatowy, 3 Typ wirnika 2 płatowy, 3 średnica 14 m, średnica 12m, średnica 19 m, orientacja orientacja orientacja nawietrzna nawietrzna nawietrzna Prędkość wiatru 2 m/s 4,25 m/s 3 m/s załączenia Prędkość wiatru 12 m/s 12 m/s 12 m/s znamionowa Prędkość wiatru 25 m/s 25 m/s 28 m/s odłączenia Obszar zakreślany 154 113 284 m2 przez wirnik Wydajność z m2 0,19 kW/m2 0,26 kW/m2 0,33 / 0,1 kW/m2(w zal. od napędzany, pierścieniowy, synchroniczny 3 płatowy, średnica 12m, orientacja nawietrzna 3 m/s 11 m/s 28-34 m/s 113 0,26 kW/m2 liczby biegunów) Jeżeli przeanalizujemy tabelę 3.2 zauważymy, że rozwiązania 3 płatowe zdecydowanie lepiej wykorzystują energię wiatru niż rozwiązanie dwu płatowe. Gdy porównamy wydajność z m2 zakreślanej powierzchni, możemy dojść do wniosku że stosowanie w małych elektrowniach bezprzekładnowej generacji prądu mija się z celem(por. dr Ząber-12, Enercon E-12). Należy jednak zwrócić uwagę, iż E-12 pracuje już przy wietrze 3 m/s , natomiast Z-12 dopiero przy wietrze 4,25 m/s. Jest to wielka zaleta elektrowni o generacji bezprzekładniowej. Jeżeli przyjrzymy się tabelą 3.1 i 3.2 z łatwością zauważymy, że wraz ze wzrostem średnicy wirnika rośnie współczynnik wykorzystania energii wiatru. Należy jednak pamiętać, że wraz ze wzrostem średnicy wirnika zmienia się krąg odbiorców( a także ich wymagania), cena a także zaawansowanie technologiczne oraz poziom dopracowania urządzenia. Na pewno maszyna energetyczna za kilkanaście mln PLN ma lepiej dopracowaną aerodynamikę śmigła niż maszyna za 200 tys PLN. Powyżej zaprezentowałem jak wygląda efektywność przetwarzani energii wiatru na prąd elektryczny w typowych (2-3 płatowych) aerogeneratorach. W następnym rozdziale chciałbym przedstawić ten problem w odniesieniu do mało rozpowszechnionych, ale nowatorskich i mających przyszłość rozwiązań. 3.3 Opracowanie danych technicznych rzadko spotykanych instalacji, obrazujących efektywność przetwarzania strugi powietrza na prąd elektryczny. Przedstawianie nietypowych aerogeneratorów chciałbym rozpocząć od generatora wykorzystującego efekt Magnusa. Główną cechą odróżniającą tę turbinę wiatrową od klasycznych turbin z łopatami profilowanymi jest zastosowanie zamiast łopat - obracających się wirników(rys. 3.3.1 oraz 3.3.1a), w których do obracania rotora elektrowni wykorzystuje się zjawisko Magnusa. Zjawisko Magnusa polega na powstaniu siły bocznej na obracającym się walcu lub bryle kulistej, zanurzonych w strumieniu gazu lub cieczy, gdy ma miejsce względne przemieszczenie obracającego się ciała w stosunku do strumienia. Nowy rodzaj wirnika wykazuje wyższą sprawność przy małych prędkościach wiatru, większą odporność na wiatry o zbyt dużej prędkości a co najważniejsze wirnik obraca się prawie 3 razy wolniej niż w konwencjonalnych rozwiązaniach. 21 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Mniejsza prędkość obrotowa to oczywiście mniejszy hałas szczególnie w zakresie infradzwięków i właśnie w tym można upatrywać możliwego przełomu w dalszym rozwoju energetyki wiatrowej [14]. Rolę łopat turbiny wiatrowej ACOWIND A-63 pełnią obracające się walce - wirniki. Wirniki napędzane są w sposób wymuszony przez zainstalowane wewnątrz nich silniki elektryczne i obracają się ze zmienną prędkością. Pozwala to na najbardziej optymalne ' dostrojenie się " do dowolnej prędkości wiatru. Wirniki są aktywnym elementem wzajemnego oddziaływania ze strumieniem powietrza, zapewniającym najpełniejsze wykorzystanie energii wiatru.[14] Rys 3.3.1 Wiatrak wykorzystujący efekt Magnusa ACOWIND A-63 [14] Rys.3.3.1a Zasada powstawania siły poprzecznej w ACOWIND A-63 [14,24]. Tabela 3.3.1 Dane Techniczne ACOWIND A-63, wykorzystującej efekt Magnusa [14]. Moc znamionowa generatora 1000 kW Typ generatora Asynchroniczny 4 biegunowy 22 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Typ wirnika Prędkość wiatru załączenia Prędkość wiatru znamionowa Prędkość wiatru odłączenia Obszar zakreślany przez wirnik Wydajność z m2 Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ 3 obracające się walce, średnica wirnika 56m, orientacja nawietrzna 3 m/s 12 m/s 25 m/s 2463 m2 0,4 kW/m2 Jak widać, aerogenerator oparty w działaniu o efekt Magnusa osiąga wydajność z m2 zakreślanej powierzchni lepszą od większości dużych elektrowni wiatrowych i to o większej średnicy (np. GE 1.5 SL osiąga wydajność 0,322 kW/m2, przy średnicy wirnika 77 m). Z typowych rozwiązań tylko wielkie bezstopniowe przekładnie, jak np. Enercon E-66 ma lepszą efektywność wykorzystania energii strugi powietrza(od 0,47 do 0,51 kW/m2). Należy jednak pamiętać, że ACOWIND A-63 nie jest rozwiązaniem bez przekładniowym jak E-66. Należałoby spodziewać się, że po zastosowaniu bez przekładniowej generacji prądu w aerogeneratorach o działaniu opartym o efekt Magnusa ich efektywność przetwarzania energii wiatru na prąd elektryczny przewyższyłaby najlepsze trójpłatowe konstrukcje. Nie do przecenienia jest też fakt, iż te nowatorskie konstrukcje obracają się ok. 3 razy wolniej od klasycznych wirników 3 płatowych, przez co wydajnie spada poziom emitowanego hałasu. Kolejnym rozwiązaniem o rzadko spotykanej wśród aerogeneratorów konstrukcji jest turbina z dyfuzorem( rys. 3.3.2). Zgodnie z prawem Bernouliego dotyczącym zachowania się ośrodka (np. gazu) w rurze w której występują zmiany średnicy zmienia się również prędkość przepływu gazu. W związku z tym jeśli tradycyjny wirnik zabudujemy w tunelu (a dokładnie w jego przewężeniu) będzie on wirował w powietrzu przepływającym szybciej niż wiatr poza tym tunelem. Dzięki temu da więcej energii niż wirnik bez otunelowania [27]. W latach 70-tych w zakładach Grummana badano wirniki tego typu i odkryto, że obecność szczeliny w dyfuzorze (w płaszczyźnie tunelu) powoduje wzrost sprawności takiego wirnika. Zwężający się wlot powoduje wzrost prędkości przepływu przed wirnikiem, a szczelina w dyfuzorze która znajduje się za wirnikiem powoduje dodatkowo powstanie strefy podciśnienia powodując dodatkowo przyrost prędkości przepływu powietrza przez wirnik(kształt dyfuzora powinien przypominać zarys przedstawiony przerywaną linią na rys 3.1). Komercyjne rozwiązanie o nazwie Maxi Vortec ma 54 m średnicy wirnika i daje 3,5 MW energii. Niestety nie ma dokładnych danych technicznych dotyczących tej elektrowni, ale te którymi dysponuję pozwalają mi na ustalenie, że rozwiązanie Maxi Vortec ma rewelacyjny wpółczynnik określający stosunek zakreślanej przez wirnik powierzchni do generowanego prądu. Wynosi on ok 1,5kW/m2 , przy prędkości obrotowej 27obr/min i przekładni 45:1, co jest niesamowicie dobrym ( na tle konkurencyjnych rozwiązań) wynikiem.[27] Zastosowanie dyfuzora zwiększa efektywność wykorzystania energii strugi powietrza ponad 3 krotnie w stosunku do najlepszych rozwiązań bez dyfuzora(por. tebela 3.1.1 Enercon E66). 23 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys 3.3.2 Turbina wiatrowa z dyfuzorem, rozwiązanie komercyjne firmy Maxi Vortec [27]. Generatory z dyfuzorem mają rewelacyjne parametry, lecz niestety są niesamowicie drogie. Koszt jednej elektrowni z dyfuzorem pozwala na zakup 4-5 standardowych aerogeneratorów dających w sumie taką samą moc jak wiatrak z dyfuzorem . Wymieniona już firma Vortec Energy, mimo budowy coraz doskonalszych prototypów (wirnik o średnicy 10m miał dawać 1MW ! mocy) zawiesiła prace nad konstrukcjami bardzo dużej mocy [15]. Jednak, idea turbin z dyfuzorem wydaje się doskonałym pomysłem jeżeli chodzi o wiatraki małej średnicy. Należy pamiętać że dyfuzor znacząco podnosi koszty urządzenia oraz zwiększa bezwładność układu - turbina będzie z opóźnieniem reagować na zmiany kierunku wiatru. Jednak wysoka efektywność tego rozwiązania daje możliwość zmniejszenia wymiarów wirnika. Jeżeli chcielibyśmy wykorzystać do pracy w układzie zamkniętym (np. do ogrzewania domu) turbinę z dyfuzorem o mocy ok. 10 kW, to zamiast wirnika o średnicy 7m (BERGEY EXCEL 10-klasyczna konstrukcja 3 płatowa), moglibyśmy zastosować wirnik o średnicy ok. 2.5 m. Dotychczas opisywałem tylko trzypłatowe konstrukcje, jednak należy pamiętać że do pracy w układach zamkniętych doskonale nadają się konstrukcje wolnoobrotowe wielopłatowe(rys 3.3.3), bardzo powszechne na rzadko zaludnionych terenach USA. Wiatraki te praktycznie nie znajdują zastosowania w zawodowej energetyce, ale jako dodatkowe źródło prądu dla domu lub napęd pomp wodnych sprawdzają się znakomicie. Ich największymi zaletami są: rozruch już przy bardzo słabym wietrze, duży moment obrotowy oraz prostota konstrukcji (płaty nie mają specjalnych profili aerodynamicznych) i niska cena w porównaniu z elektrowniami o dwóch lub trzech śmigłach [24]. Przykładowy wiatrak wielopłatowy o mocy 5 kW ma średnicę wirnika 5,5m, co daje współczynnik wytworzonej energii do powierzchni zakreślanej przez wirnik 0,21 kW/m2 co nie jest imponującą wartością, mniejszą od osiąganej przez przeciętne konstrukcje 3 płatowe o tej samej mocy (od 0,26-0,36 kW/m2 w przypadku małych aerogenratorów). Należy jednak mieć na względzie to, że wirnik wielopłatowy rozpoczyna produkcję energii już przy wietrze rzędu 2,1 m/s, podczas gdy dobre wirniki trzypłatowe dopiero przy wiatrach w granicach 3-4m/s (por. tabela 3.2). Moc nominalną opisywany przeze mnie aerogenerator( T550) osiąga przy wietrze 12 m/s [13], co jest wartością porównywalną do wartości nominalnej prędkości wiatru dla turbin 3 płatowych. 24 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys 3.3.3 Wiatrak wolnoobrotowy, wielopłatowy [13]. 3.4 Efektywność przetwarzania energii wiatru na prąd elektryczny w generatorach o pionowej osi obrotu. Powyżej opisałem rozwiązania które łączy wspólna cecha - pozioma oś obrotów(tzw. wiatraki HAWT Horizontal Axis Wind Turbine). Teraz opiszę efektywność rozwiązań opartych na pionowej osi obrotów(VAWT Vertical Axis Wind Turbine). Nie zdobyły one popularności maszyn o poziomej osi obrotów, i sądzę że w energetyce zawodowej jej nie zdobędą ale mają wiele zalet, które powinny skłaniać do rozwijania tych technologii i stosowania ich w systemach zamkniętych np. jako dodatkowe źródło energii w gospodarstwie domowym. Pierwszym rodzajem aerogeneratora o pionowej osi obrotu jest wirnik Darrieus’a (rys 3.4.1) Rys 3.4.1 Wirnik Darrieus’a sprzęgnięty z zapewniającym moment rozruchowy wirnikiem Savonius’a [27]. Z publikacji na temat tego wirnika wynika, że ma on praktycznie zerowy moment startowy, w związku z czym konieczne jest wstępne napędzenie. Realizuj się je za pomocą silników 25 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ elektrycznych, lub tak jak to widać na rys. 3.4.1, integrując wirnik Darrieusa’a z pomocniczymi wirnikami Savoniusa. Niestety nie udało mi się znaleźć firmy wytwarzającej elektrownie wiatrowe oparte na tym rozwiązaniu. W laboratoriach SANDIA NATIONAL LABORATORIES opracowano konstrukcję nazwaną EHD co oznacza zwiększony stosunek wysokości do średnicy(w porównaniu do typowego wirnika Darrieus’a). Wiatrak ze zmodyfikowanym wirnikiem Darrieusa o stosunku wysokości do średnicy 2,8 i średnicy 17 m dawał moc 300 kW.[27]. Jego współczynnik mocy do powierzchni zakreślanej przez wirnik miał odpowiadać typowym wartością osiąganym przez wirnik o poziomej osi obrotu o tej samej mocy. Pewną odmianą wirnika Darrieus’a jest H-rotor(rys. 3.4.2). Urządzenie to nie doczekało się komercyjnych realizacji. Istotą jego działania jest fakt, iż największy udział w produkcji energii ma zewnętrzna część wirnika - środek ma marginalne znaczenie. W przypadku Hrotora cała łopata znajduje się w maksymalnej odległości od osi obrotu. Nie jest to jednak najlepsze rozwiązanie. Jego efektywność wykorzystania energii wiatru jest optymalna tylko chwilowo i w danym momencie tylko dla jednej z łopat. Łopaty tego wirnika wraz z ruchem obrotowym stale zmieniają kąt natarcia względem wiejącego wiatru od kątów ujemnych poprzez optymalne (wtedy faktycznie chwilowa sprawność jest bardzo wysoka) aż do przekroczenia krytycznych kątów natarcia (przeciągnięcia). Gdy jedna łopata pracuje, ta która znajduje się po przeciwnej stronie wirnika wytwarza opór. Rys. 3.4.2 H-rotor o mocy 3 kW (wiatr popycha zamontowane na końcach wirnika łopaty) [31]. Laboratorium aerodynamiczne uniwersytetu w Saratowie opisało na swojej stronie internetowej wiatrak tego typu o średnicy 1,9m długości łopat 2m i wysokości masztu 5,5m. Daje on 1,5 kW [ 31]. Jeżeli za jego powierzchnię zataczania uznamy pole boczne walca, który wyznacza kręcący się rotor to uzyskamy współczynnik mocy do powierzchni 0,125 kW/m2, jeżeli natomiast za powierzchnię zataczaną uznamy poziomą płaszczyznę po której wiruje rotor to uzyskamy wartość 0,52 kW/2 co jest wysokim współczynnikiem, ale jego wyliczenie(przyjęta powierzchnia zataczania) wydaje się mało miarodajne w porównaniu z typowymi aerogeneratorami o poziomej osi obrotu. Najprostszym rozwiązaniem wśród wirników o pionowej osi obrotów jest wirnik Savoniusa( rys. 3.4.3). Wirnik ten nie może konkurować jeśli chodzi o efektywność przetwarzania energii wiatru na prąd elektryczny z typowymi wiatrakami o poziomej osi 26 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ obrotu lub z wirnikiem Darrieus’a. Jego największymi zaletami są: prostota konstrukcji, duży moment startowy(pracuje już przy wiatrach rzędu 1,5 m/s), praktycznie bezgłośna praca i odporność na huraganowe wiatry. Istotą działania jest wykorzystanie przede wszystkim siły parcia wiatru, lecz także (choć w niewielkim stopniu) siły nośnej. W trakcie badań w tunelu aerodynamicznym w Sandia Laboratories wykonano kilkanaście testów różnych konfiguracji wirnika. W podsumowaniu stwierdzono, że optymalny jest wirnik Savoniusa jedynie o dwóch łopatach, złożony z dwóch takich samych zestawów umieszczonych jeden na drugim i obróconych względem siebie o 90 stopni(jak na rys. 3.4.3). Średnica otworu (przerwy pomiędzy płatami) powinna zawierać się w granicach 0.1 0.15 średnicy jednego płata. stosunek wysokości do średnicy ma wpływ na sprawność, im wyższy stosunek wysokości do średnicy tym bardziej sprawnośc rośnie, lecz nie są to duże wartości [31]. Rotory Savonius’a nie maja przed sobą przyszłości jako generatory prądu w energetyce zawodowej z racji swojej niskiej sprawności, jednak ich cichobieżność, prostota konstrukcji i praca przy małej prędkości wiatru mogą przyczynić się do ich wykorzystania w małych przydomowych elektrowniach, montowanych np. na dachu budynku mieszkalnego. Rys. 3.4.3 Rotor Savoniusa[31]. Poza wymienionymi powyżej rozwiązaniami można spotkać się z konstrukcjami będącymi swoistym połączeniem typowych rozwiązań. Producentem takich nietypowych rozwiązań jest firma WINDSIDE. Produkuje ona mini elektrownie wiatrowe o świderkowym kształcie (rys 3.4.4). Rozwiązania te znajdują zastosowanie jako niezależne źródło energii elektrycznej dla zamkniętego systmu – np. zasilanie campingu, czy domku w górach. 27 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys. 3.4.4 Turbiny wiatrowe o świderkowych wirnikach firmy WINDSIDE [17]. Windside produkuje dwa typy wirników, które przedstawiono w tabeli 3.4.1. Tabela 3.4.1 Porównanie dwóch min elektrowni wirnikach[opracowanie własne na podstawie17]. Typ turbiny WS-2B Wygląd wirnika Wiatr załączenia 2 m/s Wiatr odpowiadający mocy 20 m/s maksymalnej Wiatr wyłączenia Nie dotyczy Obszar zataczany przez 2 m2 wirnik Rodzaj generatora Z magnesami trwałymi Moc Dla wiatru 350 W 12m/s wiatrowych o świderkowych WS-4A 1.9 m/s 18 m/s Nie dotyczy 4 m2 Z magnesami trwałymi 700 W 28 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Dla wiatru 14 600 W 1200 W m/s Współczynnik uzyskiwanej 0,3 kW/m2 0,3 kW/h mocy do zakreślanego obszaru(dla wiatru 14 m/s) Maksymalna bezpieczna dla 40 m/s 60 m/s turbiny prędkość wiatru *producent nie podaje maksymalnej mocy dla opisanych w tabeli turbin. Turbiny Windside są rozwiązaniami nietypowymi i praktycznie bez szans w energetyce zawodowej. Ich współczynnik generownej mocy do wielkości zakreślanego przez wirnik obszaru wynosi 0,3 kW/m2 .Jest to wartość dużo mniejsza od uzyskiwanej w elektrowniach zawodowych, ale zbliżona do wartości uzyskiwanej przez typowe trzypłatowe elektrownie małej mocy. Należy jednak pamiętać że wyliczenie współczynnika przeprowadzono dla wiatru 14 m/s. Przy typowej dla większości elektrowni wiatrowych znamionowej prędkości wiatru 12m/s współczynnik wyniesie 0,175 kW/m2 co jest wartością stosunkowo niską. Nie można sprawdzić jaki współczynnik odpowiada mocy maksymalnej, gdyż producent jej nie podaje. Należy tylko zaznaczyć że przy prędkościach wiatru odpowiadających mocy maksymalnej dla świderkowych turbin (ok. 20 m/s) niektóre duże 3 płatowe elektrownie wiatrowe są zatrzymywane(por. tab.3.1) W zastosowaniach do których zostały zaprojektowane (zasilanie letnich domków czy campingów) świderkowe turbiny mogą pokazać swoje zalety do których zaliczają się: 9 Cicha praca niezależnie od prędkości wiatru, 9 Możliwość montażu na dachach budynków, 9 Brak konieczności ustawiania wirników „ na wiatr”, 9 Niewielka wrażliwość na złe warunki atmosferyczne(oblodzenie, pokrycie szadzią itp.), 9 Brak konieczności stosowania masztów, 9 Szybki montaż i demontaż. Polskim odpowiednikiem turbin Windside jest wirnik typu SG-3, będący modyfikacją wirnika Savoniusa( rys 3.4.5). Aerogenerator SG-3 rozpoczyna produkcję prądu przy wietrze 1.5 m/s, a jak podaje producent dla wiatrów z zakresu 1.5-4m/s jego moc jest o 40% większa od typowych wiatraków o takiej samej powierzchni zatoczenia łopat [30]. Niestety uzyskanie bardziej konkretnych danych dotyczących tego wirnika zakończyło się fiaskiem, gdyż producent ich nie podaje. Wiadomo jedynie, że wirnik ten stosunkowo dobrze komponuje się z zabudowaniami mieszkalnymi (rys. 3.4.6). Rys 3.4.5 Wirnik SG-3 [30]. 29 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys. 3.4.6 Zamontowany wirnik SG-3 [30]. Producent SG-3 podobnie jak większość producentów mini elektrowni wiatrowych, z prądnicami prądu stałego, widzi zastosowanie swoich wyrobów w takich układach jak ten z rys. 3.4.7, czyli praca dla sieci wydzielonej, przy współpracy z grzałkami wody, lub, po dokupieniu akumulatorów i inwertera jako źródło energii elektrycznej w domu . Rys. 3.4.7 Schemat podłączenia aerogeneratora SG-3 do sieci wydzielonej [30]. Na zakończenie tego rozdziału chciałbym przedstawić i omówić dwa porównania stosowanych rozwiązań wirnika w aerogeneratorach. Na rys 3.4.8 Przedstawiono jaką energię uzyskamy budując z materiału o tej samej powierzchni( 3.2 m2) różnego typu wirniki i wystawiając je na działanie wiatru 5,6 m/s. Widać, że jeżeli za kryterium porównawcze przyjmiemy ilość materiału potrzebnego do budowy wirnika aerogeneratora, to typowe(2 płatowe) wirniki o poziomej osi obrotu są praktycznie poza konkurencją uzyskując z materiału o powierzchni 3,2 m2 wirnik o obszarze zataczania 100m2 i generując potencjalną moc 3,3 kW. Rotor Darrieusa uzyskuje powierzchnię zataczania 5,76 m2 i moc 0,221 kW (6,7 razy mniejszą od wirnika 2 płatowego), rotor Savoniusa uzyskuje moc 0.022 kW (66.6 razy mniejszą od wirnika 2 płatowego), aerogenerator z dyfuzorem uzyskuje wynik zbliżony do wirnika Savoniusa (moc 0,027 kW), gdyż większość materiału została zużyta na budowę dyfuzora. Należy jednak pamiętać że to porównanie nie uwzględnia konieczności wykonania np. masztu dla wirnika 30 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ 2 płatowego – stąd jego druzgocząca przewaga nad konkurencyjnymi rozwiązaniami w tym porównaniu. Rys. 3.4.8 Porównanie parametrów różnych wirników wykonanych z materiału o tej samej powierzchni wyjściowej [16]. Rys. 3.4.9 przedstawia inne interesujące porównanie, które odpowiada na pytanie jak wygląda stosunek zataczanej przez wirnik powierzchni do powierzchni materiału zużytego do jego budowy( współczynnik Q – quality number), w różnych wariantach konstrukcyjnych uzyskujących moc 3,3 kW przy wietrze 5,6 m/s . Rys. 3.4.9 Współczynnik określający stosunek powierzchni zataczanej przez wirnik do powierzchni materiału zużytego do jego budowy [16]. W tym porównaniu zwycięzcą wydaje się być klasyczny wirnik o poziomej osi obrotu Q=31,25 , pnemon Darrieusa uzyskał Q=1,81, rotor Savoniusa Q=0,29 a wirnik z dyfuzorem tylko Q=0,17. 31 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Z porównań tych wynika że najlepszym rozwiązaniem wirnika aerogeneratora są wirniki o poziomej osi obrotu. Rozwiązania o pionowej osi obrotu są zdecydowanie mniej wydajne ale wydaje się że ich zalety mogą pomóc im wyrobić sobie silną pozycję. Wirniki wyposażone w dyfuzor w porównaniach z rysunków 3.4.8 oraz 3.4.9 wypadły źle, jednak należy pamiętać że uzyskują one najlepszy z wszystkich stosowanych obecnie rozwiązań współczynnik zakreślanej przez wirnik powierzchni do generowanej mocy wynoszący 1,5 kW/m2 (dla Maxi Vortec). Najlepsze klasyczne wirniki szybkoobrotowe-3 płatowe osiągają ten współczynnik na poziomie 0.5 kW/m2 (por tab 3.1). Jeżeli porównamy efektywność przetwarzania strugi powietrza w znanych aerogeneratorach , oraz przyjrzymy się rysunkom 3.4.8 oraz 3.4.9 to będzie już jasne dlaczego energetyka zawodowa skupia się na wirnikach 3 płatowych o poziomej osi obrotu. Aerogeneratory z dyfuzorem wymagają jeszcze dopracowania, gdyż mimo wielu niepodważalnych zalet mają jeszcze wiele wad, które należy wyeliminować lub zredukować do minimum ich negatywny wpływ. Wirniki o pionowej osi obrotu, mimo swojej mnogości (opisałem tylko najlepiej udokumentowane rozwiązania, w rzeczywistości jest ich więcej) nie stanowią konkurencji dla wirników o poziomej osi obrotu i w profesjonalnych zastosowaniach raczej nie mają szans na zdobycie popularności. Gdyby jednak udało się znacząco zredukować ich koszt to myślę, że ich zalety (prostota konstrukcji, cicha praca itd.) pozwoliłyby im na zdobycie sporej części rynku proekologicznych rozwiązań energetycznych dla domostw. Należy jednak pamiętać, iż efektywność przetwarzania energii wiatru na ruch wirnika i dalej na produkcję energii jest generalnie o 50 % gorsza (w najlepszym przypadku porównywalna) od efektywności osiąganej przez bardzo przeciętne konstrukcję 3 płatowe o małej mocy i poziomej osi obrotów. 3.5 Szacunek kosztów wytwarzania energii w siłowni wiatrowej Jeżeli chcielibyśmy poznać rzeczywisty koszt wytwarzania energii w siłowni wiatrowej, musielibyśmy posłużyć się wzorem (4.0) [4]. h=(C1+COM)kADDHT/er (4.0) HT – koszt fabryczny wiatraka/powierzchnie omiataną wiatraka, kADD – współczynnik uwzględniający koszty instalacji, C1 – roczna stopa kosztu nakładów inwestycyjnych, COM – roczny koszt eksploatacji i konserwacji w odniesieniu do nakładów inwestycyjnych, er – szacunkowa moc uzyskana/powierzchni omiatania wirnika. Poniżej podano typowe wartości w/w współczynników [4]: HT – 350 $/m2 dla 50h , 650$/m2 dla 100h; kADD – ziemia 1,6; region przybrzeżny 1,8; morze 2,0; C1 – 0,08 (8%) (5% odsetki, 20 lat czas życia inwestycji); COM – 0,02(2%) . Wszystkie wartości pochodzą z 1997 roku. Spróbujmy obliczyć rzeczywisty koszt wytwarzania energii za pomocą elektrowni Zefir 6 o mocy 5kW. Koszt tego urządzenia to 33500 PLN, powierzchnia omiatania wirnika to 28,26 m2 , szacunkowa moc uzyskana to ok. 17 520 kWh [10,40]. Po uwzględnieniu powyższych danych uzyskamy wartość rzeczywistego kosztu wytwarzania energii w siłowni wiatrowej o wartości h= 0,09 $/kWh =90$ / MWh czyli ok. 324 PLN/MWh co przy cenach jakie oferuje grupa energetyczna ENEA wynoszącymi 260 PLN/MWh [40], wydaje się być kiepskim interesem. Należy jednak pamiętać, że wzór ten może nie uwzględniać zróżnicowania cen miedzy Polską a krajami zachodnimi –współczynniki mogą być różne. Poza tym nie uwzględniono możliwości uzyskania bezpłatnej dotacji. Dla porównania można wykonać podobne obliczenia dla elektrowni Zefir 12A o mocy 30 kW . Koszt urządzenia to 183000PLN, powierzchnia omiatana 113 m2, szacunkowa moc 32 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ uzyskana to 105120 kWh. Po podstawieniu danych do wzoru 4.0 uzyskamy rzeczywisty koszt na poziomie h=0,077 $/kWh = 77 $/MWh = 277,2PLN/MWh. Jak widać im większy wiatrak tym niższe koszty produkcji energii. Chciałbym jeszcze przedstawić wyliczenia dla polskiej elektrowni wiatrowa EW 160-22-30 – NOWOMAG. Jej moc znamionowa to 160 kW, cena ok. 500000PLN, powierzchnia omiatana to 380 m2 [43]. Szacunkowa moc uzyskana to 560640 kWh. Rzeczywisty koszt uzyskania energii przez ten aerogenerator wynosi h=0,04$/kWh = 40$/MWh = 144PLN/MWh. Widać więc wyraźnie, że w tym przypadku sprzedaż energii do zakładu energetycznego może być opłacalna. Przedstawiłem szacunki rzeczywistych kosztów dla elektrowni dostępnych na polskim rynku. Widać tutaj wyraźnie, że im większej mocy jest elektrownia tym jej instalacja jest lepiej uwarunkowana ekonomicznie. Należy jednak mieć na względzie, że małe elektrownie nie są na spalonej pozycji. Powyższa analiza została wykonana przy uwzględnieniu ceny jaką oferuje zakład energetyczny przy kupowaniu energii od producentów. Przy sprzedaży cena wzrasta 3-4 krotnie (opłaty za przesył plus zysk sprzedawcy), więc mała elektrownia zapewniająca energię dla małego zakładu produkcyjnego, czy ogrzewająca dom też może być opłacalnym rozwiązaniem. 3.6 Wnioski. W całym rozdziale III przedstawiono istniejące warianty wirników aerogeneratorów. Opisano zasady ich działania i porównano je. Uzyskane wyniki w sposób jasny precyzują, że jeżeli uwzględniano by tylko aspekty ekonomiczne, to jedynym słusznym rozwiązaniem byłyby wiatraki 3 płatowe, ewentualnie 2 płatowe lub o działaniu opartym o efekt Magnusa, o możliwie jak największej mocy możliwej do uzyskania. Wirniki wyposażone w dyfuzor nie miałyby racji bytu z powodu ich wysokiej ceny, a wirniki VAWT z powodu słabej relacji generowanej mocy/ceny. Należy jednak pamiętać że nie zawsze można postawić wysoką elektrownie 3 płatową (np. w mieście, lub strefach chronionych), która będzie źródłem szumu (duża bliskość zabudowań ludzkich). Wtedy okaże się, że wolnobieżne elektrownie wiatrowe można zamontować na krawędzi dachu budynku mieszkalnego, ładnie wkomponować je w zabudowania i nie przeszkadzając nikomu mieć własne źródło odnawialnej energii. Wirniki wyposażone w dyfuzor także nie są na straconej pozycji. Ich fenomenalne parametry pozwalają na zainstalowanie dużo mniejszego wirnika niż w przypadku klasycznej elektrowni HAWT o takiej samej mocy. Jeżeli będziemy mieli do wyboru zainstalowanie wirnika z dyfuzorem o średnicy wirnika 2,5 m, a turbiny bez dyfuzora o średnicy wirnika 12m, to cena może przestać być decydującym kryterium. 33 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ IV. Koncepcje przetwarzania ruchu wirnika na prąd - stosowane rozwiązania. 4.1.Czynniki decydujące o wyborze danego rozwiązania, założenia, którym musi sprostać generator. Obecnie producenci siłowni wiatrowych stosują wiele różnorodnych rozwiązań zamiany ruchu wirnika na prąd elektrycznych. Stosowane rozwiązania są uzależnione od takich czynników jak: 9 moc znamionowa generatora, 9 przeznaczenie aerogeneratora: praca dla sieci elektroenergetycznych, praca dla sieci wydzielonej (grzanie wody, ładowanie akumulatorów), 9 dostępna infrastruktura elektrotechniczna ( rodzaj linii przesyłowej do której ma zostać podłączone urządzenie ), 9 zasoby finansowe inwestora. Na zastosowanie konkretnego rozwiązania ma również wpływ przyjęta koncepcja konstrukcyjna aerogeneratora. Chodzi tu przede wszystkim o sposób regulacji mocy siłowni. Wśród różnych metod regulacji mocy siłowni w energetyce zawodowej stosuje się: • regulację tzw. oderwaniem, stosowaną w elektrowniach o stałej prędkości obrotowej wirnika, • regulację kąta nastawienia skrzydeł (lub tylko końcówek skrzydeł), stosowana w elektrowniach o stałej lub zmiennej prędkości obrotowej wirnika. Wybierając odpowiedni typ generatora do konstruowanej elektrowni wiatrowej należy mieć na uwadze następujące wytyczne[19]: • konstrukcja generatora powinna zapewnić długotrwałą i bezawaryjną pracę bez konieczności wymiany i konserwacji podzespołów(nie można całkowicie wykluczyć tych czynności ale należy zminimalizować ich częstotliwość), • aerogenerator lepiej wykorzystuje energię wiatru, jeżeli stosowany w nim generator jest przystosowany do pracy ze zmienną prędkością obrotową, • współczynnik mocy cosф powinien być bliski jedności (należy unikać pobierania mocy biernej przez generator), • należy zmniejszyć do minimum udział wyższych harmonicznych prądu dostarczanego do sieci, • należy utrzymywać parametry sieci(jest to szczególnie istotne przy elektrowniach podłączonych do sieci zawodowej), • należy dążyć do minimalizacji hałasu generowanego przez elektrownie oraz zwiększać sprawność urządzenia (eliminacja przekładni). 4.2 Stosowane obecnie rozwiązania, ogólna charakterystyka generatorów. Rodzaj zastosowanego generatora zależy głównie od mocy, jaką ma uzyskiwać elektrownia, „miejsca pracy” układu (sieć wydzielona czy przesyłowa) Najczęściej stosuje się w elektrowniach pracujących dla sieci wydzielonych: 9 małe prądnice trójfazowe, 9 prądnice prądu stałego. Prądnice te są przystosowane do pracy ze zmienną prędkością obrotową, najczęściej ich budowa jest oparta na magnesach stałych, uzyskiwany prąd nie musi spełniać ściśle wyznaczonych parametrów. W wypadku elektrowni pracujących dla sieci zawodowych stosuje się generatory: 9 synchroniczne(wolno i szybko obrotowe), 9 asynchroniczne (pierścieniowe i klatkowe). 34 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Jak wygląda procentowy udział różnych generatorów w zależności od mocy jaka generuje elektrownia wiatrowa można zaobserwować na rysunku 4.2.1 . Rys.4.2.1 Stosowane rodzaje generatorów w odniesieniu do wielkości generowanej mocy [30]. 4.2.1.Generatory asynchroniczne (indukcyjne). Generatory asynchroniczne pracują ze stałą, lub zmienną skokowo prędkością wirowania. Nie są one szeroko używane poza energetyką wiatrową, i małymi hydroelektrowniami. Maszyny te maja wiele zalet, są bardzo niezawodne, stosunkowo tanie i odporne na przeciążenia. Charakterystyczną cecha generatorów asynchronicznych jest występowanie zjawiska poślizgu. Dzięki niemu prądnica nieznacznie zwiększa lub zmniejsza prędkość, jeśli zmienia się moment napędowy. W energetyce zawodowej wykorzystuje się rozwiązania generatorów indukcyjnych z powiększonym poślizgiem( nawet do ok. 10%), realizowanym przez zwiększenie rezystancji wirnika w układzie zewnętrznym lub wewnętrznym. Zwiększenie poślizgu oznacza mniejsze zużycie i podatność na awarie skrzyni biegów oraz samego generatora. Występowanie zjawiska poślizgu jest największą zaletą generatorów asynchronicznych w stosunku do generatorów synchronicznych. Firma WEIER Electric w zakresie generatorów dla elektrowni wiatrowych oferuje generatory indukcyjne ze zmiennym poślizgiem realizowanym poprzez regulację prądów wirnika, tzw. system RCC (Rotor Current Control) bez układu pierścieni. Polega on na zabudowaniu wewnątrz wirnika tranzystorów mocy IGBT oraz rezystorów. Regulacja i sterowanie systemem RCC odbywa się za pomocą programowalnego sterownika z 16 bitowym procesorem. System RCC, oprócz zadań regulacyjnych, nadzoruje wszystkie parametry ruchowe i diagnostyczne. Komunikacja do i od wirującego wirnika z systemem RCC odbywa się poprzez seryjny interfejs z wirującym optycznym sprzęgłem. Do komunikacji generatorów z nadrzędnym sterownikiem zarządzającym całą elektrownią służy odpowiedni protokół [26]. Jeżeli zaistniałaby potrzeba zastosowania aerogeneratora z generatorem asynchronicznym do pracy na sieć wydzieloną, gdzie byłby jedynym źródłem energii, wtedy ujawni się wada generatorów asynchronicznych, którą jest konieczność zasilenia uzwojenia stojana (namagnesowania) przed rozpoczęciem pracy. Potrzebne wtedy będzie urządzenie, które dostarczy prąd magnesujący przed rozpoczęciem pracy (kondensatory, akumulator). Stosowanie stałej prędkości obrotowej aerogeneratora niezależnie od prędkości wiatru uniemożliwia optymalne wykorzystanie energii wiatru. Problem ten rozwiązuje się stosując generatory o zmiennej ilości aktywnych biegunów. Przy słabym wietrze mogą one pracować z mniejszą prędkością obrotową, przy większym z większą(por tabele 3.1 , 3.2). Spotyka się także rozwiązanie w postaci dwóch osobnych prądnic w jednej gondoli dla różnych prędkości wiatru [25]. 35 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys. 4.2.2.a Schemat blokowy najczęściej stosowanego rozwiązania elektrowni wiatrowej w energetyce (przyłączenie do sieci zawodowej) [22]. Zastosowanie zmiennej prędkości obrotowej w elektrowniach wiatrowych umożliwia optymalne wykorzystanie energii wiatru i daje większy uzysk energii. Wymagane jest jednak sterownie kątem natarcia łopat. Do przetwarzania energii w tych elektrowniach najczęściej stosowane są generatory indukcyjne pierścieniowe z tzw. podwójnym zasilaniem. Stojan jest przyłączony bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej, natomiast wirnik jest dołączony do tej samej sieci poprzez przekształtnik energoelektroniczny - jest to tzw. kaskada nadsynchroniczna.(rys 4.2.2a oraz 4.2.2b) Rys. 4.2.2.b Podłączenie generatora indukcyjnego pierścieniowego z tzw. podwójnym zasilaniem [20]. Stosowanie generatorów asynchronicznych wymusza stosowanie skrzynek przekładniowych w konstrukcji aerogeneratora, przez co gondola musi być bardzo rozbudowana( rys. 4.2.3.) 36 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys.4.2.4 Stojan 4 biegunowego generatora asynchronicznego [32]. Na rys 4.2.4 Przedstawiono ideowy schemat stojana generatora asynchronicznego 4 biegunowego stosowanego przez firmę Nordex a na rysunku 4.2.4b wygląd typowej klatki stosowanej w generatorach asynchronicznych klatkowych. Rys. 4.2.3. Nordex N80 [32]. Na rys.4.2.1 widać, że w energetyce zastosowanie znajdują głównie generatory asynchroniczne klatkowe dwubiegunowe. Dwubiegunowość pozwala na lepsze wykorzystanie siły wiatru. Jeżeli w stojanie maszyny asynchronicznej umieścimy dwa niezależne uzwojenia o różnej ilości biegunów, to przyłączając raz jedno, raz drugie uzwojenie do sieci, otrzymamy pola wirujące z różna prędkością synchroniczną. Silnik z dwoma uzwojeniami w stojanie jest zwykle większy, droższy wymaga zastosowania solidniejszych kostrukcji wież itd. . Korzystniejsze jest więc zastosowanie jednego uzwojenia które można przełączać tak, aby wytwarzało pola wirujące z różną prędkością. Elektrownia tego typu, pracuje z dwoma prędkościami. Dla małych prędkości wiatru, generator pracuje na większej ilości biegunów( np. 6), więc obraca się z mniejszą prędkością. Przy większych prędkościach wiatru ilość biegunów jest przełączana(np. 4) i maszyna pracuje z większą prędkością. Rozwiązanie takie pozwala to na lepsze 37 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ wykorzystanie energii zawartej w rozpędzonej strudze powietrza napędzającej wirnik aerogeneratora, niż przy jednej prędkości obrotowej. Jednak rozwiązanie to nie zapewni efektywności na poziomie elektrowni o całkowicie zmiennej prędkości obrotowej. Na rys. 4.2.5 przedstawiono jak zmienia się punkt pracy generatora po przełączeniu ilości aktywnych biegunów po zwiększeniu prędkości wiatru. Rys 4.2.4.b Klatka generatora asynchronicznego klatkowego [25]. Układ z maszyną asynchroniczną o przełączanej liczbie biegunów(rys. 4.2.6. ) znalazł szerokie zastosowanie w świecie elektrowni wiatrowych. Pomimo swoich niedoskonałości jest popularny ze względu na swoja prostotę i cenę. Generator na rys 4.2.6. pracuje nadsynchronicznie. Oddaje do sieci moc czynną, ale pobiera moc bierną, konieczna do magnesowania maszyny. Do skompensowania poboru mocy biernej indukcyjnej, na wyjściu generatora włącza się kondensatory. Prędkość wirnika maszyny jest utrzymywana przez sieć. Przy zmianie obciążenia prędkość zmienia się jedynie w zakresie poślizgu maszyny. Rys.4.2.5.Zmiana punktu pracy podczas przełączenia biegunów [20]. Układ nie wymaga synchronizacji z siecią. Rozruch elektrowni dokonywany jest za pomocą włącznika tyrystorowego, który później jest zwierany przez stycznik główny. Włącznik tyrystorowy działa tylko przez chwilę i zmniejsza on prąd rozruchowy. Jest to tak zwany „soft start” [27]. 38 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys.4.2.6 Elektrownia wiatrowa z maszyną asynchroniczną [20]. 4.2.2.Generatory synchroniczne. Innym rozwiązaniem stosowanym w elektrowniach wiatrowych są generatory synchroniczne: 9 wolnoobrotowe bez przekładni, 9 wysokoobrotowe generatory z przekładnią mechaniczną. Obydwa rozwiązania ze względu na zmienną częstotliwość napięcia wymagają stosowania przekształtników energoelektronicznych w obwodzie stojana oraz układu regulacji wzbudzenia w obwodzie wirnika. W najnowszych rozwiązaniach generatorów synchronicznych preferuje się stosowanie wzbudzenia od magnesów trwałych(np. największe elektrownie wiatrowe firmy Lagerwey) - eliminuje to układ do regulacji prądu wzbudzenia oraz pierścienie ślizgowe wraz z układem szczotek. Maszyny synchroniczne charakteryzują się tym, że ich prędkość obrotowa musi dokładnie odpowiadać częstotliwości sieci. Podczas zmian momentu zmienia się jedynie kąt pomiędzy polem elektromagnetycznym wirnika i stojana. Prędkość pozostaje taka sama. Spotyka się różne rozwiązania, ale najczęściej do wirnika, doprowadzony jest przez pierścienie prąd, który przepływając przez uzwojenia wytwarza pole elektromagnetyczne. Napędzany wirnik obraca się, jest więc źródłem ruchomego pola. W uzwojeniach stojana indukuje się siła elektromotoryczna i prądnica staje się źródłem energii.[26,27,28] Prądnica synchroniczna, mająca 2 pary biegunów musi obracać się z prędkością 1500obr/min. Prędkość ta jest praktycznie nierealna do osiągnięcia przez wirnik( końcówki wirnika miałyby ogromną prędkość i generowałyby hałas słyszalny w promieniu wielu kilometrów), dlatego też przy elektrowniach z szybkoobrotowym generatorem synchronicznym stosuje się odpowiednie przekładnie i zwiększa się liczbę biegunów w generatorze, przez co wymagane do uzyskania odpowiednich parametrów prądu obroty wirnika mogą być mniejsze. Jak spada wymagana liczba obrotów wirnika w zależności od zastosowanej liczby biegunów można zaobserwować na rys. 4.2.7 . Częstotliwość prądu Liczba biegunów 50 Hz 60 Hz 2 4 3000 1500 3600 1800 39 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ 6 1000 1200 8 750 900 10 600 720 12 500 600 Rys. 4.2.7 Obroty (obr/min) dla generatora synchronicznego w zależności od zastosowanej liczby biegunów [25]. Elektrownie oparte na generatorach synchronicznych szybkoobrotowych bezpośrednio podłączane do sieci są stosunkowo rzadko stosowane. Główną wadą tego rozwiązania w porównaniu do elektrowni z generatorem indukcyjnym jest brak poślizgu. Każdy gwałtowny podmuch wiatru stwarza zagrożenie wypadnięcia układu z synchronizmu i uszkodzenia przekładni oraz generatora. Częściej stosowanym rozwiązaniem są generatory synchroniczne podłączone przez odpowiedni przekształtnik, a rozwiązaniem, które zapewnia najlepsze wykorzystanie energii wiatru są bezprzekładniowe elektrownie oparte na wolnoobrotowym generatorze synchronicznym-rys.4.2.8 . Małe obroty i brak przekładni powoduje znaczne uproszczenie konstrukcji, zmniejszenie zużycia materiałów i generowanego hałasu. Zmienne obroty zwiększają sprawność elektrowni i jej wydajność energetyczną. Wadą tego rozwiązania jest generowana energia elektryczna o innych parametrach, niż parametry sieci. Do podłączenia takiej elektrowni do systemu elektroenergetycznego konieczne są układy elektroniczne dużych mocy. Przeciwnicy tego rozwiązania wskazują, że elektrownie o zmiennej prędkości obrotowej są 15% droższe od podobnych wielkością elektrowni o stałej prędkości obrotowej. Zwolennicy natomiast twierdzą, że są one o 15% bardziej wydajne, co kompensuje większe koszty inwestycyjne. Mimo wszystko jest to rozwiązanie obiecujące, o czym może świadczyć coraz większe zainteresowanie producentów: firmy Enercon z Niemiec czy Lagerwey z Holandii przodują w produkcji aerogeneratorów bezprzekładniowych o zmiennej prędkości obrotowej wirnika. Rys. 4.2.8 Enercon E40-bezprzekładniowa elektrownia wiatrowa [26,18]. Legenda do rys 4.2.8 : 1 - układ orientacji na wiatr, 2 - silnik układu orientacji na wiatr, 3 - stojan generatora, 4 wirnik generatora, 5 - układ zmiany kąta nastawienia skrzydła, 6 - silnik układu nastawiania skrzydła, 7 - nieruchomy wał główny, 8 - mocowanie skrzydła do piasty, 9 stopa skrzydła 40 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys.4.2.8b Bezprzekładniowa elektrownia wiatrowa firmy Enercon [18]. Generatory synchroniczne wolnoobrotowe znalazły zastosowanie w dużych, powyżej 100kW generowanej mocy, elektrowniach. Wynika to z tego, że wolna praca maszyny synchronicznej wymaga stosowania dużej ilości par biegunów, a co za tym idzie znacząco zwiększa rozmiary generatora. Turbiny bezprzekładniowe można łatwo poznać po skróconej, jajowatej gondoli z wyraźnie zaznaczoną tarczą pierścienia generatora( rys 4.2.8 i 4.2.8.b ). Jeżeli przyjmiemy, że wirnik aerogeneratora będzie wykonywał ok. 25 obr/min to aby uzyskać zadowalające parametry prądu musielibyśmy użyć 60 par biegunów. Jest to duża liczba, wiec nie powinien dziwić fakt, iż w największych obecnie stosowanych elektrowniach wiatrowych Enercon 112 o mocy 4,5 MW średnica pierścienia generatora wynosi 10m( rys.4.2.9) [21]. Jak mówi projektant tej konstrukcji Werner FRICKE, dokładność przy budowie tego generatora nie była trudna do osiągnięcia, jednak budowa generatora o połowę mniejszej średnicy jest dużym wyzwaniem [27]. Rys. 4.2.9 Połówka pierścienia generatora Enercon 112 [21]. Typowy sposób podłączenia do sieci energetycznej elektrowni wiatrowej z wolnoobrotowym generatorem synchronicznym poprzez przekształtnik obrazuje rys. 4.2.10. . Rys. 4.2.10 Elektrownia wiatrowa z generatorem wolnoobrotowym, podłączona do sieci poprzez przekształtnik [20]. 41 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Zalety stosowania aerogeneratorów bezprzekładniowych o zmiennej liczbie obrotów i regulacji konta natarcia łopatki wirnika [28]. -praca ze zmienną ilością obrotów -optymalne wykorzystanie siły wiatru -minimalne obciążenie urządzenia -płynna regulacja kąta natarcia łopat śmigła -dostosowanie mocy generatora do chwilowej prędkości wiatru -odporny na zużycie i bezpieczny system hamowania -konstrukcja bezprzekładniowa -niski poziom hałasu -wygodny dostęp do wszystkich części urządzeń od wewnątrz -niskie wymogi konserwacyjne, zminimalizowane zużycie części -brak potrzeby wymiany oleju i filtrów -synchroniczny generator pierścieniowy -optymalna regulacja obrotów poprzez wzbudzenie -optymalne wartości mocy w szerokim zakresie prędkości wiatru -brak potrzeby poboru prądu biernego -płynne załączanie do sieci -bardzo dobre dostosowanie do istniejącej sieci -bezstopniowa regulacja cosinusa ф od 0,8 ind. - 1,2 bier. -regulacja w zależności od napięcia sieciowego -tani serwis i obsługa -brak rozbudowanych mechanizmów hydraulicznych -brak skrzyni biegów i konieczności jej przeglądów, wymiany oleju oraz napraw -brak hamulca mechanicznego 4.2.3.Generatory stosowane do pracy na sieci wydzielonej. Systemy pracujące dla sieci wydzielonej są całkowicie niezależnymi źródłami energii, w których stosowane są prądnice prądu stałego lub małe trójfazowe prądnice ( z reguły synchroniczne-np. Dr Ząber Z12 o mocy 30kW), często z magnesami trwałymi. Pracują one przy zmiennej prędkości obrotowej. Układy takie zawierają najczęściej baterię akumulatorów do gromadzenia energii, regulatory napięcia, falowniki do inwersji prądu stałego na jedno- lub trójfazowy(jeżeli mają służyć np. jako źródło energii dla małego zakładu produkcyjnego) . Elektrownie z prądnicą prądu stałego wymagają zastosowania regulatora napięcia oraz akumulatorów do gromadzenia energii (rys.4.2.11a), a dodatkowo falownika, aby uzyskać prąd zmienny (rys.4.2.11b) [22]. Rys.4.2.11a Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z prądnicą prądu stałego[22]. 42 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys. 4.2.11b Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z prądnicą prądu stałego [22]. Użycie generatora prądu zmiennego również pozwala na uzyskanie odpowiedniej jakości energii prądu stałego po uprzednim wyprostowaniu i regulacji napięcia, co ilustruje rysunek 4.2.12a Ponieważ prędkość obrotowa turbin elektrowni autonomicznych zmienia się wraz ze zmianami prędkości wiatru, nie mogą one zapewnić napięcia zmiennego o odpowiedniej, niezmiennej wartości częstotliwości i amplitudy. Dlatego muszą one mieć pośredni obwód prądu stałego i falownik, dla uzyskania odpowiednich parametrów napięcia zmiennego (rys.4.2.12b). Zakres napięć nominalnych przy jakich pracują układy autonomiczne to (12-230) V prądu stałego bądź zmiennego [22]. Rys.4.2.12.a Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z prądnicą prądu zmiennego [22]. Rys. 4.2.12b Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z prądnicą prądu zmiennego [22]. Przy pracy na sieć wydzieloną parametry prądu są sprawą drugorzędną. Małe aerogeneratory takich firm jak Bergey, Lakota, Marina itd. o mocach od 100W do 10kW są zaopatrzone w generatory prądu stałego, produkujące energię przy zmiennych obrotach wirnika. Znajdują one zastosowanie głównie jako źródła zasilania grzałek czy akumulatorów, urządzeń na których wahania parametrów prądu, niedopuszczalnych w układach przeznaczonych do pracy na zawodową sieć energetyczną, nie robią większego wrażenia. 43 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, Prędkość wiatru (m/s) Moc (W) 1 0 2 2 3 21 4 58 5 122 6 224 7 365 8 515 9 681 10 856 11 1 041 12 1 167 13 1 196 14 1 167 15 1 118 16 1 065 17 1 011 18 963 19 914 20 865 06.04 PP WBMiZ Rys. 4.2.13 Moc generowana przez elektrownię Bergey XL-1 o mocy 1kW w zależności od prędkości wiatru [33]. 4.3 Wnioski. W elektrowniach wiatrowych stosuje się wiele różnych rozwiązań generatorów prądu. Jeżeli chcielibyśmy, je oceniać przez pryzmat najlepszego przetwarzania ruchu wirnika na prąd elektryczny, to najlepszą sprawność wśród elektrowni przeznaczonych do produkcji energii dla sieci zawodowej osiągnęłyby układy o zmiennej prędkości obrotowej sprzęgnięte z bezprzekładniowym wolnoobrotowym generatorem synchronicznym a następnie systemy oparte o generator asynchroniczny ze zmienną ilością biegunów. Należy jednak pamiętać, że swoje zalety generatory te zawdzięczają nowatorskim i jeszcze drogim technologiom (głównie układy bezprzekładniowe), których podstawową ale bardzo znaczącą wadą jest wysoka cena w porównaniu z rozwiązaniami tradycyjnymi. Przy wyborze konkretnego rozwiązania należy zastanowić się czy jeżeli zainstalujemy nowatorską elektrownie w danych warunkach wiatrowych, to jej wysoki koszt zdoła się spłacić podczas zakładanych 20 lat eksploatacji. W przypadku elektrowni pracujących na sieć wydzieloną, znakomita większość z nich pracuje przy zmiennych obrotach wirnika i generuje prąd stały ( w przypadku rozwiązań powyżej 10 kW zmienny). Zmienne obroty zapewniają lepsze wykorzystanie energii wiatru niż stałe, jednakże elektrownie te mają być maksymalni uproszczone i tanie, przystosowane do pracy z prostymi urządzeniami elektrycznymi jak akumulatory czy grzałki. Próżno więc szukać u nich takich wyrafinowanych rozwiązań jak sterowanie kontem natarcia każdej z łopatek wirnika( jak to ma miejsce np. w elektrowniach Enercon), a małe wymiary w zasadzie wykluczają stosowanie wolnoobrotowych generatorów synchronicznych. Tak więc sprawność i efektywność elektrowni przeznaczonych do współpracy z siecią energetyczną i elektrowni wiatrowych przeznaczonych do pracy na sieć wydzieloną jest zdecydowanie różna. 44 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ V. Podatność wirników aerogeneratora na bezpośrednie przetwarzanie ruchu wirnika na prąd elektryczny, w zależności od zastosowanego wariantu konstrukcyjnego. 5.1 Warianty konstrukcyjne wirnika aerogeneratora. Przy okazji omawiania efektywności przetwarzania energii strugi powietrza na prąd elektryczny w stosowanych obecnie aerogeneratorach (rozdział II.) część rozwiązań konstrukcyjnych została omówiona. W tym rozdziale postaram się pokazać jakie warianty konstrukcyjne najlepiej nadają się do bezpośredniego przetwarzania ruchu wirnika na prąd elektryczny. Warianty konstrukcyjne wirnika: 9 Pozioma oś obrotu: - Bębnowy, - Wielopłatowy, - Trzy płatowy, - Dwu płatowy, - Jedno płatowy, - Trzy płatowy z dyfuzorem, - Trzy walcowy wykorzystujący efekt Magnusa, 9 Pionowa oś obrotu: - Karuzelowy, - Savoniusa, - H-rotor, - Darrieus, - Wirniki świderkowe (np. Windside, daro- eco) Wirniki o poziomej osi obrotu można jeszcze podzielić ze względu na umiejscowienie wirnika w stosunku do masztu na: 9 Nawietrzne, tzw. up-wind(najczęściej spotykane rozwiązanie), 9 Zawietrzne, tzw. down-wind( rzadziej spotykane rozwiązanie). Wirniki typu up-wind są umiejscowione przed masztem na którym zostały zamocowane. Rozwiązanie to wymusza stosowanie bardzo sztywnych łopat, gdyż w razie gwałtownego podmuchu wiatru zbyt odkształcalne śmigło mogłoby zahaczyć o maszt. Takie sztywne rozwiązanie powoduje też przenoszenie dużych sił na konstrukcje elektrowni wiatrowej. Umiejscowienie wirnika „up-wind” wymusza zastosowanie systemów nastawiania wirnika na wiatr. Należy jednak pamiętać, że wirnik ustawiony przed masztem może odbierać całą powierzchnią energię rozpędzonych strug powietrza. Nie ma też niebezpieczeństwa uszkodzenia kabli podłączonych do gondoli przez ich skręcenie. Wirniki down-wind sa umiejscowione za masztem na którym zostały zamocowane (rys 5.1). Rozwiązanie to pozwala na stosowanie wirnika podatnego na podmuchy wiatru - śmigła mogą się odkształcać przy gwałtownych podmuchach wiatru, nie ma zagrożenia zawadzenia o maszt elektrowni. Przy rozwiązaniu down-wind nie ma potrzeby stosowania systemów nastawiania wirnika na kierunek wiatru, jednakże rozwiązanie to jest obarczone przynajmniej dwoma zasadniczymi wadami, które powodują śladowy udział tych konstrukcji w światowej produkcji turbin wiatrowych. 45 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ W turbinach typu down-wind istnieje realna groźba ukręcenia kabla odbierającego prąd z elektrowni w wyniku obrotów gondoli z wirnikiem wokół osi masztu. Problem ten rozwiązuje się stosując systemy „odkręcające” wirnik, jednak powodują one wzrost kosztów urządzenia i jego komplikację. Rys. 5.1 Turbina typu down wind [31]. Druga poważną wadą tego rozwiązania, jest miejscowe zmniejszenie energii wiatru wpadającego na wirnik, spowodowane ustawieniem masztu elektrowni przed wirnikiem. Powoduje to zmniejszenie efektywności całego systemu, a także zakłóca w pewnym stopniu płynność działania elektrowni. 5.2 Podatność konstrukcyjna wirników na zastosowanie bezpośredniego przetwarzania ruchu wirnika na prąd elektryczny. W energetyce wiatrowej największą popularność zdobyły wirniki o poziomej osi obrotu. Praktyczne zastosowanie mają przede wszystkim wirniki trój płatowe (najlepsze wykorzystanie energii strugi powietrza, rys 5.2.a ), dwu płatowe ( minimalizacja kosztów w stosunku do trój płatowych, rys 5.2.b) oraz jednopłatowe( dalsza minimalizacja kosztówtylko jedna łopata wirnika, rys 5.2.c). 46 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys 5.2.a Mała elektrownia wiatrowa z napędem w postaci wirnika 3 płatowego [10]. Pewne pole zastosowań maja też wirniki wielopłatowe (rys 5.2.d). Efektywność przetwarzania energii wiatru na prąd elektryczny w wymienionych powyżej typach konstrukcyjnych została już omówiona w rozdziale III. Rys. 5.2.b Wirnik 2 płatowy jako napęd elektrowni dużej mocy[27]. Teraz chciałbym przyjrzeć się tym rozwiązaniom pod kątem ich podatności na bezpośrednia generację prądu z ruchu obrotowego osi wirnika. Jak już wcześniej pisałem bezpośrednia Rys. 5.2.c Wirnik jednopłatowy – generacja bezpośrednia bardzo utrudniona [25]. generacja prądu w przypadku energetyki zawodowej ma miejsce praktycznie tylko przy wielkich elektrowniach wiatrowych ( Enercon, Lagerwey), o dużych i bardzo dużych mocach (300kW – 4,5MW), w których zastosowano wolnoobrotowe generatory synchroniczne. Rys.5.2.d Wirnik wielopłatowy – konstrukcja firmy Windmission [25]. 47 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Spełniają one podstawową zasadę bezpośredniej generacji prądu z energii wiatru, tzn. pracują ze zmienną prędkością obrotową. Niestety konstrukcja wolnoobrotowego generatora synchronicznego wyklucza jego stosowanie w aerogeneratorach małej mocy(rozdział IV.). Podstawą przeszkodą jest duża średnica pierścienia generatora (5-10 m w zależności od mocy), wynikająca z dużej liczby par biegunów. Przy ówczesnym poziomie technologii pomniejszanie średnicy generatora wiąże się z trudną do uzyskania dokładnością spasowania wykonania elementów, a duża średnica pierścienia wyklucza jego stosowanie we współpracy z niewielkimi wirnikami( 2-12 m średnicy), gdyż płaszczyzna generatora pochłaniałaby większość płaszczyzny roboczej wirnika. Pewną namiastką bezpośredniej generacji prądu są aerogeneratory o generatorach asynchronicznych z przełączaną ilością par biegunów, które pozwalają na skokową zmianę prędkości obrotowej wirnika – to rozwiązanie jest dość popularne także w przypadku elektrowni wiatrowych małej mocy ( tab.3.2 Czysta Energia C-100). W przypadku małych elektrowni 2-3 płatowych należy pamiętać, że zaczynają one produkować energię elektryczną przy prędkościach wiatru między 3 a 4.25 m/s ( 2 płatowy Fortis Boreas ma podaną prędkość startową 2 m/s ale jest to odosobniony przypadek, por tab.3.2). Należy mieć na względzie, że wiatr w granicach 3-4 m/s jest bardzo częsty na terenie Polski (wyłączając pas wybrzeża)[1, s71; 27] i w przypadku aerogeneratora o prędkości startowej >4 m/s energia wiatru nie będzie przetwarzana na energię elektryczną. Z generatorów płatowych o poziomej osi obrotu najlepiej przetwarzają wiatr na prąd elektryczny przy małych prędkościach wiatru aerogeneratory o wirniku wielopłatowym. Nie maja one zastosowania w energetyce zawodowej, ale ich zalety są oczywiste jeżeli chcemy je zastosować jako mała elektrownie do pracy na sieć wydzieloną. Wirniki wielopłatowe mają duży moment startowy w porównaniu z wirnikami 2-3 płatowymi i startują już przy wiatrach 2m/s (5 kW, średnica wirnika 5,5 m) [13]. Te cechy sprawiają, że wirniki wielopłatowe są podstawą wielu systemów pracujących na sieć zamkniętą w nieoptymalnych warunkach ( np. tereny nizinne, średnio korzystne warunki wietrzne). Jeżeli rozpatrujemy w/w konstrukcje pod kontem ich podatności na bezpośrednią generację prądu z energii wiatru, musimy pamiętać, że przy stosowanych obecnie technologiach idea ta jest możliwa do zrealizowania w małych elektrowniach, przystosowanych do pracy na sieci wydzielonej. W układach zamkniętych zmiany prędkości wiatru przekładające się na zmianę parametrów prądu nie mają wielkiego znaczenia. W przypadku elektrowni oddającej energię do sieci zawodowej takie odchylenia parametrów prądu (np. jego częstotliwości) są nie do pomyślenia. Aby przeciwdziałać zmianą parametrów stosuje się układy elektroniczne dużej mocy zapewniające stałe parametry generowanej energii. Należy zauważyć, że każde, nawet najlepsze urządzenie przekształcające prąd elektryczny powoduje straty energii a jeżeli tych urządzeń, przez które musi przejść energia jest dużo to straty też będą odpowiednio duże. Do bezpośredniej generacji prądu z wiatru nadają się przede wszystkim konstrukcje z generatorami prądu stałego przeznaczone do współpracy z grzałkami (piece akumulacyjne, bojlery) czy z bateriami akumulatorów . Wolnoobrotowe generatory synchroniczne przynajmniej na razie będą stosowane w urządzeniach o dużych mocach, a inne rozwiązania stosowane w energetyce zawodowej oddają idee bezpośredniej generacji tylko w niewielkim zakresie prędkości wiatru. Poza tym większość rozwiązań profesjonalnych wykorzystuje generatory wysokoobrotowe sprzęgnięte ze skrzynką przekładniową, która zwiększa straty w urządzeniu oraz utrudnia jego rozruch. Do opisanych powyżej rozwiązań można też dołączyć wirniki o działaniu opartym na efekcie Magnusa oraz trój płatowe wirniki z dyfuzorem, z tym że ich efektywność przetwarzania energii wiatru na ruch wirnika jest dużo lepsza niż klasycznych wirników 2-3 48 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ płatowych (rozdział 3.3). Konstrukcje te dają pewne, przynajmniej teoretyczne możliwości, realizowania bezpośredniej zamiany ruchu wirnika na prąd elektryczny. Walcowe wirniki oparte w działaniu o efekt Magnusa mogą zostać sprzęgnięte z pierścieniowym generatorem synchronicznym wolnoobrotowym np. firmy Enercon, co zwiększyłoby ich wydajność (już większą od urządzeń z klasycznymi wirnikami 3 płatowymi). Wirniki z dyfuzorem można wyposażyć w uzwojenie zatopione na łopatach wirnika, a dyfuzor mógłby zostać wyposażony w magnesy. Wydaje mi się, że takie rozwiązanie mogłoby przynieść ciekawe efekty, spróbuję je rozwinąć w kolejnym rozdziale. Do wirników o poziomej osi obrotu należy zaliczyć również wirnik bębnowy (rys. 5.3). Nie znalazłem producenta zajmującego się produkcją elektrowni wykorzystujących ten wirnik, Rys.5.3 Wirnik bębnowy – konstrukcja podatna na bezpośrednią generację [1,s76]. jednak wydaje się, że jego konstrukcja mogłaby nadawać się do bezpośredniego uzyskiwania energii elektrycznej z wiatru. Podobnie jak w przypadku elektrowni z dyfuzorem można zastosować zatopienie w płatach wirnika uzwojenia elektrycznego, a obudowa mogłaby mieć zamontowane magnesy. Wirnik bębnowy cechuje prostota konstrukcji, jednak wydaje się, że dość problematyczna byłaby kwestia ustawiania go do kierunku wiatru. Rys. 5.4 Wirnik karuzelowy – możliwość zainstalowania układu bezpośredniej generacji w podstawie i na obudowie[1,s76]. Jeżeli chodzi o wirniki o pionowej osi obrotu, to wydają się one lepiej przystosowane do bezpośredniej generacji prądu z energii wiatru niż wirniki o poziomej osi obrotu. Elektrownie wiatrowe o wirnikach z pionową osią obrotu nie potrzebują systemów ustawiających ich „na wiatr”, ani wysokich masztów koniecznych przy wirnikach śmigłowych. Wirniki: karuzelowy (rys. 5.4) oraz Savoniusa (rys. 5.5) można spróbować przystosować do bezpośredniej generacji prądu z ruchu rotora. 49 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys. 5.5 Wirnik Savoniusa - możliwość zainstalowania układu bezpośredniej generacji w podstawie [1,s76] Jeżeli mielibyśmy do dyspozycji wirnik Darrieus’a o dużej mocy (istnieją konstrukcje o mocy 300kW [27,31], można by pokusić się o instalację wolnoobrotowego generatora synchronicznego. Przy konstrukcji wirnika Darrieus’a duża średnica pierścienia generatora nie byłaby przeszkodą dla wiatru. Główny wał elektrowni mógłby bez znaczących strat przenosić moment obrotowy do generatora umiejscowionego parę metrów pod aerogeneratorem. Pionowa oś obrotów niwelowałaby konieczność stosowania przekładni kontowych, a brak wysokiego masztu i możliwość umiejscowienia generatora na ziemi sprawia, że minimalizacja ciężaru generatora nie jest priorytetem ( jak w przypadku wirników HAWT). O wirnikach typu H-rotor czy turbinach świderkowych Windside(rys. 5.6) można powiedzieć Rys.5.6 Turbina świderkowa WINDSIDE - możliwość zainstalowania układu bezpośredniej generacji w podstawie [17]. to samo co o innych wirnikach o pionowej osi obrotu. Brak konieczności stosowania wysokich masztów, na szczycie których jest umiejscowiona maszynownia pozwala na większą swobodę przy doborze generatora niż w przypadku klasycznych wiatraków. Należy pamiętać , że mimo nieobecności wirników o pionowej osi obrotu wirnika w profesjonalnej energetyce (może z wyjątkiem rotora Darrieus’a) , maja one niezaprzeczalne zalety w stosunku do rozwiązań stosowanych w energetyce. Rotory Savoniusa rozpoczynają pracę już przy wietrze 1,5 m/s [27]. Nie dysponuję dokładnymi danymi dotyczącymi wirnika karuzelowego, ale jest on zbliżony konstrukcyjnie do wirnika Savoniusa i prototypu SG3(praca przy wietrze 1,5 m/s [30]) więc sądzę że również startuje już od takiej prędkości wiatru jak wcześniej wymienione rozwiązania. 50 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys. 5.7 Zależność sprawności przepływowej i współczynnika momentu obrotowego od współczynnika szybkobieżności dla wirników o różnej liczbie łopat [1, s75]. Turbiny świderkowe firmy Windside rozpoczynają pracę przy wiatrach rzędu 2 m/s [17]. Podobnie H-rotor z regulowanym kątem natarcia łopat wirnika zaczyna pracę przy słabym wietrze. Jedynie wirnik Darrieus’a wymaga rozpędzania przed zasadniczą pracą(stosuje się rozwiązania hybrydowe z wirnikiem Savonius’a), jednakże wszystkie z wymienionych aerogeneratorów o pionowej osi obrotu mogą pracować przy praktycznie nieograniczonych, w normalnych warunkach, prędkościach wiatru, bez szkody dla siebie. Cechy te pozwalają mi sadzić, że wirniki o pionowej osi obrotu wyposażone w odpowiednie generatory bez przekładni czy też w inne układy umożliwiające bezpośrednie przetwarzanie energii wiatru na prąd doskonale realizowałyby ideę bezpośredniej generacji. W przypadku rozpatrywania podatności konstrukcji wirnika na bezpośrednią generację prądu z wiatru należy przyjrzeć się jeszcze jednemu parametrowi opisującemu wirniki a mianowicie szybkobieżności. Na rysunku 5.7 przedstawiona jest zależność sprawności przepływowej i współczynnika momentu obrotowego od współczynnika szybkobieżności dla wirników o różnej liczbie łopat. Jak widać najbardziej efektywnym rozwiązaniem są wirniki o poziomej osi obrotu z trzema płatami(wirniki z dyfuzorem i wykorzystujące efekt Magnusa traktuję jako usprawnienie i rozwinięcie wirników typowych), co zresztą zostało już opisane w rozdziale III. Wiadomo, że wolnoobrotowe wirniki o pionowej osi obrotu będą wymagały większej liczby par biegunów generatora, niż wirniki szybkoobrotowe. Nie można jednak zapominać o tym, że duża średnica generatora pierścieniowego nie stwarza tak istotnych przeszkód w stosowaniu go w generatorach o pionowej osi obrotu, jak ma to miejsce w wiatrakach o poziomej osi obrotu. Poza tym zastosowanie rozwiązań bezpośredniej generacji wydaje się dużo prostsze w wirnikach VAWT niż w wirnikach HAWT( wyjątek wydają się stanowić wirniki z dyfuzorem i praktycznie nie stosowane wirniki bębnowe), gdyż ich konstrukcja może być w łatwy sposób zmodyfikowana i zaadoptowana do bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika. 5.3 Wnioski. Jako podsumowanie tego rozdziału chciałbym przedstawić tabelę w której ocenie opisane przeze mnie warianty wirników elektrowni wiatrowych pod kątem ich podatności konstrukcyjnej na zastosowanie bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika. Tabela 5.1 Ocena podatności wirników na zastosowanie idei bezpośredniej generacji. Podatność na Rodzaj wirnika bezpośrednią uwagi generację 3 płatowy Średnia/wysoka W klasycznym układzie możliwość zastosowania pierścieniowego generatora wolnoobrotowego, ale tylko w dużych konstrukcjach, w układzie z dyfuzorem możliwość bezpośredniej generacji(magnesy na dyfuzorze, uzwojenie na płatach). 2 płatowy średnia Tylko wirniki dużej średnicy – możliwość zastosowania generatora pierścieniowego. 1 płatowy niska Specyficzna konstrukcja (wychyły gondoli w poziomie), mała prędkość obrotowa. Wielopłatowy Średnia/wysoka Podobnie jak 3 płatowy – możliwość wykorzystania dyfuzora. Bębnowy wysoka Możliwość zamontowania magnesów na obudowie i 51 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Darrieus’a wysoka Karuzelowy wysoka Savoniusa Świderkowy wysoka wysoka Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ uzwojeń na płatach – ograniczona liczba biegunów (kształt obudowy) Możliwość zastosowania generatora o dużej średnicy, bez konieczności wzmacniania masztu i znaczących trudności konstrukcyjnych Można zastosować bezpośredni generator w podstawie oraz bezpośrednią generację w uzwojonym płaciemagnes na obudowie (tylko jedna para biegunów). Można zastosować bezpośredni generator w podstawie. Można zastosować bezpośredni generator w podstawie. W tabeli przedstawiłem najbardziej typowych przedstawicieli wirników elektrowni wiatrowych. Jak widać wirniki o pionowej osi obrotów mają wysoka podatność na zastosowanie bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika. Można to zrobić niezależnie od wielkości wirnika i generowanej przez niego mocy. Z wirnikami o poziomej osi obrotów sprawa się nieco komplikuje. Co prawda są stosowane wolnoobrotowe generatory o dużej średnicy, ale można je stosować dopiero w elektrowniach HAWT dużej mocy. Małym elektrownią wiatrowym tego typu pozostaje tylko bezpośrednia generacja w turbinach w dyfuzorem, a to rozwiązanie nie znalazło jeszcze praktycznego zastosowania w produkowanych aerogeneratorach. 52 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rozdział VI. Propozycje realizacji idei bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika aerogeneratora. W tym rozdziale chciałbym zaprezentować rozwiązania, które mogłyby realizować bezpośrednią generacje prądu z ruchu wirnika aerogeneratora nie tylko w wielkich konstrukcjach dużej mocy. Jak już wcześniej napisałem, bezpośrednia, bezprzekładniowa generacja prądu w profesjonalnych elektrowniach wiatrowych jest obecnie realizowana przez synchroniczne, pierścieniowe generatory wolnoobrotowe, których wymiary zawężają ich zastosowanie tylko do aerogeneratorów o dużej i bardzo dużej mocy, a co za tym idzie dużej średnicy wirnika (powyżej 30 m ). Rozwiązanie to jest dobrze dopracowane i doskonale sprawdza się w produkowanych konstrukcjach (przykłady to produkty firm Enercon czy Lagerwey). Konstrukcje małej mocy są oparte na rozwiązaniach z przekładnią, które są odpowiedzialne za generowanie dużych strat i powstawanie hałasu. Nabiera to dużego znaczenia jeżeli weźmiemy pod uwagę fakt, iż aerogeneratory małej mocy (do ok. 5 kW) są przeważnie przeznaczane do pracy w sieci wydzielonej i znajdują się w bezpośredniej bliskości ludzkich zabudowań. 6.1 Proponowane konstrukcje dla sieci zawodowych. Specyfika sieci energetyki zawodowej praktycznie nie zezwala na stosowanie innych rozwiązań niż wolnoobrotowe pierścieniowe generatory synchroniczne sprzęgnięte z układami elektronicznymi dużej mocy stabilizującymi parametry prądu. Rozwiązanie to jest powszechnie stosowane w dużych elektrowniach trójpłatowych o poziomej osi obrotu. Wydaje się, że zastosowanie takiego generatora w wiatrowych elektrowniach wykorzystujących efekt Magnusa poprawiłoby już bardzo dobry współczynnik generowanej mocy do zataczanej przez wirnik powierzchni( tab. 3.3.1). Specyficzna konstrukcja tej maszyny ( rys 6.1) pozwoliłaby na zamontowanie generatora o dużej średnicy, bez szkody dla ogólnej wydajności systemu. Pewnym problemem mogłaby okazać się stosunkowo mała ( trzykrotnie mniejsza niż w klasycznych rozwiązaniach 3 płatowych) prędkość obrotowa musiałaby wzrosnąć średnica pierścienia generatora w stosunku do średnicy generatora możliwego do zastosowania w klasycznym aerogeneratorze 3 płatowym o takiej samej średnicy (56 m). Opisywany aerogenerator osiąga wydajność z m2 rzędu 0,4 kW/m2 (tab. 3.3.1). W przypadku turbin 3 płatowych (klasycznych), o podobnym dopracowaniu aerodynamicznym skrzydeł, zmiana generatora z asynchronicznej prądnicy podwójnie zasilanej sprzęgniętej z przekładnią na bezpośrednio napędzany generator synchroniczny owocuje wzrostem wydajności z m2 zataczanej przez wirnik powierzchni o ok 23% ( z 0.39 kW/m2 do 0,51 kW/m2 - por. tab.3.1 ). Należy mieć tu na względzie, że porównywane konstrukcje nie były identyczne ( chodzi o kształt profilu skrzydła), ale pochodziły od światowej czołówki producentów(Enercon i GE) więc myślę że porównanie było w dużym stopniu miarodajne. Przy zastosowaniu bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika (synchroniczny generator wolnoobrotowy np. firmy Enercon) w aerogeneratorze o działaniu opartym na efekcie Magnusa można, w przypadku rozpatrywanego modelu ACOWIND A-63 o mocy 1 MW, uzyskać przyrost mocy nominalnej rzędu 20%, oraz start elektrowni przy mniejszej prędkości wiatru. Są to wymierne korzyści, trudne do przecenienia. Należy jednak pamiętać, że w przypadku w/w turbiny zastosowano przekładnie hydrauliczną a nie zębatą. Producent nie podał w udostępnianych przez siebie materiałach sprawności tej przekładni, moje porównanie oparłem o założenie, iż w przypadku turbiny o działaniu opartym o efekt Magnusa będą zachodzić podobne relacje, jak w przypadku klasycznych trzypłatowych turbin HAWT z przekładnią zębatą. 53 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys.6.1 Elektrownia wiatrowa o działaniu opartym na efekcie Magnusa z generatorem wolnoobrotowym [opr. własne]. 6.2 Rozwiązania bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika, dla aerogeneratorów HAWT pracujących na sieci wydzielonej. Kolejnym rozwiązaniem, w którym widzę możliwości do wdrożenia bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika aerogeneratora są wirniki HAWT zintegrowane z dyfuzorem. Elektrownie wiatrowe zaopatrzone w dyfuzor charakteryzują się bardzo dużym (w porównaniu z innymi aerogeneratorami) współczynnikiem wydajności elektrowni z m2 zakreślanej przez wirnik powierzchni. Współczynnik ten wynosi 1,5 kW/m2 [27]. Jak widać na rysunku 6.2 dyfuzor mógłby stać się statorem generatora, a końcówki wirnika mogłyby zostać zaopatrzone w uzwojenie, lub mógłby zostać zamocowany do nich pierścień, 54 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys. 6.2 Elektrownia wiatrowa z dyfuzorem przystosowana do bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika.[opr. własne] na którym zamocowano by uzwojenie (rys. 6.3 ). Rozwiązania te mogą być stosunkowo trudne w realizacji. Jak wiadomo szczelina w generatorach prądu elektrycznego pomiędzy stojanem a rotorem powinna wynosić w urządzeniach o mocy poniżej 20kW <1mm, w przypadku urządzeń o większych mocach powinna zamknąć się w przedziale 1-3mm [3,s192]. Większa szczelina będzie powodowała znaczne straty w produkowanej energii. Te konieczne do zrealizowania postulaty ograniczają zasadność stosowania rozwiązań z rys 6.2 i 6.3 do wirników o niewielkich średnicach (do ok. 2,5 m). Elektrownia HAWT z dyfuzorem i wirnikiem zintegrowanym jako generator powinna dawać ok. 5kW mocy +ok. 20% ,czyli 6 kW. Odpowiadałoby to klasycznej elektrowni wiatrowej z wirnikiem 3 płatowym o średnicy ok. 15 m(!). Wykonywanie przedstawionej instalacji w zestawieniu z wirnikiem o większej niż 2,5m średnicy wydaje się wysoce skomplikowane technologicznie, drogie i bezzasadne. Jednakże wysoka efektywność turbin z dyfuzorem mogłaby skłaniać do wdrożenia proponowanych rozwiązań w przypadku b. małych aerogeneratorów o średnicach 1-1,5m. W tym przypadku generator nie byłby trudny technologiczne (podobne gabaryty ma wiele stosowanych obecnie urządzeń ), a poprawa (już dobrej) efektywności turbiny z dyfuzorem dałaby wysoce wydajną maszynę o zwartej konstrukcji. Rys.6.3 Elektrownia wiatrowa z dyfuzorem, z pierścieniem generatora zamontowanym na łopatach wirnika, przeznaczona do bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika [opr. własne]. Rozwiązanie z pierścieniem(rys.6.3) ma tą przewagę nad rozwiązaniem bez pierścienia, że umożliwia umieszczenie na obwodzie obręczy przymocowanej do płatów wirnika dużej liczby biegunów. Rozwiązanie z rys. 6.2 ogranicza liczbę par biegunów do 3 , a co za tym idzie uzyskany prąd byłby niskiej częstotliwości. Mimo że rozwiązanie „pierścieniowe” wydaje się lepsze, to nie wiadomo w jaki sposób zamocowanie pierścieni na płatach wpłynęłoby na przepływ strugi powietrza w dyfuzorze i jakie pociągnęłoby to za sobą konsekwencje ( zakłócenia przepływu, spadek mocy...).Poza tym należy pamiętać że duża liczba biegunów to znaczny ciężar całej konstrukcji, a co za tym idzie konieczność stosowania wytrzymałych materiałów, trudny rozruch, wysoka bezwładność wirnika( mała dynamika odpowiedzi na podmuchy wiatru). 55 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Pewnym rozwiązaniem pośrednim w stosunku do opisanych wyżej konstrukcji mogłaby być turbina wielopłatowa firmy Windside obudowana dyfuzorem, zintegrowana z magnesami i uzwojeniem(rys 6.4). Dziesięć par biegunów zapewniłoby lepsze parametry prądu niż 3 pary, a specyfika wirnika wielopłatowego pozwoliłaby na zastosowanie tego aerogeneratora w warunkach słabej i przeciętnej wietrzności. Rys. 6.4 Turbina wielopłatowa z dyfuzorem przystosowana do bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika aerogeneratora.[opr. własne] Wirnik bębnowy nie jest powszechnie stosowany przez producentów małych turbin wiatrowych, jednakże jego konstrukcja wydaje się być stworzona do bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika. Z racji tego, że wirnik ten nie jest stosowany w komercyjnych konstrukcjach, trudno jest ocenić jego efektywność, ale należy sądzić że w porównaniu z wirnikami szybkobieżnymi jest ona niewielka. Należy jednak pamiętać o prostocie tej konstrukcji i łatwości adaptacji do generacji bezpośredniej (rys. 6.5). Rys. 6.4 Wirnik bębnowy przystosowany do bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika.[opr. autor na podstawie 1,s76] 56 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys.6.6 Wirniki bębnowe generujące prąd bezpośrednio z ruchu wirnika aerogeneratora jako elementy multiaerogeneratora[opr. własne]. Sądzę że z wirników bębnowych można by skonstruować multiaerogenerator (rys 6.6), który byłby tani i prosty w wykonaniu( możliwość zastosowania płatów z tworzyw sztucznych zamiast mocnej ale także ciężkiej blachy). Liczbę zamontowanych par biegunów (dla jednego wirnika bębnowego) ogranicza szerokość szczeliny wlotowej powietrza do wirnika, lecz liczba 4 powinna być bez problemów osiągalna. 6.3 Rozwiązania bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika, dla aerogeneratorów VAWT pracujących na sieci wydzielonej. Dotychczas prezentowałem rozwiązania oparte na poziomej osi obrotu wirnika. Wirniki VAWT – o pionowej osi obrotu pozwalają na dużo prostszy montaż generatorów bezprzekładniowych niż wirniki HAWT. Zamontowany w podstawie, a nie na wysokim maszcie, generator zamiast stwarzać trudności techniczne i warunkować stosowanie bardzo mocnych (drogich) konstrukcji masztów, obniża punkt ciężkości całego urządzenia i przez to stabilizuje je. W przypadku dużych pnemonów Darrieus’a zastosowanie bezprzekładniowej generacji prądu, za pośrednictwem generatora pierścieniowego(rys. 6.7), nie powinno wpływać na przepływ strugi powietrza przez turbinę, a duża średnica pierścienia nie byłaby problemem-jak to ma miejsce w elektrowniach 3 płatowych HAWT. Wirniki karuzelowe, Savoniusa, świderkowe firmy Windside nie osiągają tak wielkich rozmiarów jak pnemony Darrieus’a, jednak ich konstrukcja pozwala na zintegrowanie generatora bezpośredniej generacji prądu w podstawie wirnika ( rys.6.7a, b, c). 57 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys.6.7 Elektrownia wiatrowa z silnikiem Darrieus’a z bezprzekładniowym generatorem pierścieniowym.[opr. własne] W celu wykonania takiej konstrukcji nie byłyby konieczne radykalne zmiany w istniejących już konstrukcjach. Z oglądanych przeze mnie wariantów tych turbin, większość praktycznie realizowała pomysł bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika ( są to małe elektrownie niewielkich mocy do pracy w sieciach wydzielonych). W przypadku wirnika karuzelowego, Rys. 6.7a Wirnik rotorowy Savoniusa z generatorem wolnoobrotowym zintegrowanym w podstawie.[opr. własne na podstawie 1,s76] 58 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys. 6.7b Wirnik karuzelowy z generatorem wolnoobrotowym zintegrowanym w podstawie [opr. własne na podstawie 1, s76]. można by pokusić się o wdrożenie generacji prądu bezpośrednio z ruchu wirnika, a nie z ruchu wału na którym jest zainstalowany wirnik(rys. 6.8). Należy jednak pamiętać, że takie rozwiązanie miałoby poważną wadę( w tym konkretnym przypadku). Obudowa wirnika karuzelowego wyklucza zastosowanie większej liczby magnesów, przez co generowany prąd byłby niezbyt dobrej jakości (wirnik karuzelowy należy do wolnoobrotowych). Jeżeli zastosowano by większą liczbę biegunów niż jeden, to prąd byłby generowany w nierównych odstępach czasowych ( pół obrotu przerwy), wynika to ze specyfiki konstrukcji obudowy wirnika. Rys.6.7c Turbina świderkowa WINDSIDE z generatorem w podstawie, do bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika[17]. 59 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys.6.8 Wirnik karuzelowy generujący prąd bezpośrednio z ruchu wirnika aerogeneratora, bez pośrednictwa generatora.[opr. autor na podstawie 1, s76] Do przedstawionych dotychczas możliwości generacji prądu z energii wiatru dodałbym jeszcze rozwiązanie z rysunku 6.9 . Przedstawia on podparte na sprężynach klapki, które są wprawiane w ruch przez podmuchy wiatru. Rys.6.9 Klapki z uzwojeniem na krawędziach, podparte na sprężynach, znajdujące się w polu magnetycznym, podatne na podmuchy wiatru [opr. własne]. Z krawędziami klapek są zintegrowane trwałe magnesy, które poruszając się wraz z klapką generują prąd elektryczny w uzwojeniu znajdującym się w pobliżu krawędzi klapek. Rozwiązanie to wydaje się możliwe do wykonania i tanie, jednakże generowany prąd byłby złej jakości – moc byłaby oddawana w sposób impulsowy, a nie ciągły a uzyskiwane moce byłyby niskie. Niemniej rozwiązanie to można by zastosować, ale raczej jako urządzenie hobbystyczne a nie dodatkowe źródło energii. Na tym tle stosowanie małych wiatraków wydaje się dużo bardziej zasadne. Należy jednak pamiętać, że w ekstremalnych warunkach pogodowych rozwiązanie to miałoby szereg zalet, takich jak: niewrażliwość na opady atmosferyczne czy oblodzenie. Poza tym konstrukcja ta powinna być cicha w porównaniu z wiatrakami. 6.4 Wykorzystanie piezoelektryków do bezpośredniej generacji prądu z wiatru. 60 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Powyżej zaprezentowałem w jaki sposób można uzyskiwać prąd elektryczny w wyniku bezpośredniej jego generacji z ruchu wirnika wiatraka. Chciałbym jeszcze przyjrzeć się możliwością wykorzystania piezoelektryków w generacji prądu elektrycznego pozyskiwanego z energii wiatru. Zjawisko piezoelektryczne występuje w kryształach mających osie biegunowe. Typowym piezoelektrykiem jest kwarc, występujący w dwóch odmianach: prawo- i lewoskrętnej (kwarc α - trwały w temperaturze poniżej 573 0C, w temperaturze powyżej przechodzi w odmianę β , która nie wykazuje zjawiska piezoelektrycznego). Kwarc ma zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji. Ta zdolność związana jest ze śrubowym ułożeniem komórek elementarnych sieci krystalicznej kwarcu [35]. Rys. 6.10 Ułożeniem komórek elementarnych sieci krystalicznej kwarcu [35]. Każda jej komórka elementarna ma trzy biegunowe osie (rys.6.10) wykazujące trwałe momenty dipolowe, jednak wypadkowy moment kryształu jest różny od zera, ze względu na symetrię rozłożenia osi biegunowych. Jeżeli kryształ poddamy ciśnieniu lub ciągnieniu w kierunku jednej ze wspomnianych osi, symetria zostaje naruszona i kryształ uzyskuje wypadkowy moment elektryczny w kierunku tej wyróżnionej osi. Moment ten jest proporcjonalny do ciśnienia. Występują również momenty w jednym z kierunków prostopadłych do wyróżnionej osi, jednak są one znacznie mniejsze. Kwarc wycięty prostopadle do osi polarnej nazywa się piezokwarcem [ 35]. Proste zjawisko piezoelektryczne polega na indukowaniu ładunków elektrycznych Q na powierzchni dielektryka pod działaniem naprężeń mechanicznych, obrazuje je wzór (6.1) [23] Q = P ⋅ S = S ⋅ d ⋅σ (6.1) W równaniu (1) P oznacza polaryzację, S oznacza powierzchnię elektrod nałożonych na dielektryk, d – moduł piezoelektryczny, σ – naprężenie. Naprężeniem nazywamy stosunek siły F działającej na powierzchnię S do wielkości tej powierzchni, jego jednostką jest Pa [23]. W zastosowaniach materiałów piezoelektrycznych do generacji prądu elektrycznego stosuje się materiały 1, 2 lub wielowarstwowe (rys 6.11a,b,c). Materiały ułożone w takiej Rys.6.11a Jednowarstwowa płytka materiału piezoelektrycznego [36]. 61 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ konfiguracji generują prąd w wyniku działania na nie siły ściskającej, którą może być wiatr (rys.6.11). Możliwy jest też układ taki jak na rysunku 6.12 , gdzie ładunki elektryczne powstają przez ściskanie warstw materiału w wyniku jego zginania. Niestety istniejąca Rys.6.11b Dwu warstwowa płytka piezoelektryczna [36]. obecnie technologia produkcji piezoelektryków (wysoki koszt), wyklucza możliwość stosowania rozwiązania z rys 6.11 czy z rys.6.12 jako urządzeń do produkcji energii elektrycznej. Materiały piezoelektryczne charakteryzują się małą sprawnością przetwarzania energii, do generacji niewielkiego impulsu potrzebny jest silny bodziec siłowy. Poza tym ich koszt jest bardzo wysoki, jeżeli porównamy potencjalne moce jakie możemy uzyskać z piezoelektryka za ok. 1000$ i z wiatraka za tą samą cenę. Różnica na korzyść wiatraka wyniesie prawdopodobnie kilkusetkrotność poziomu osiąganego przez piezoelektryk. Rys.6.11c Wielowarstwowa płytka piezoelektryczna, nacisk Fin może wywierać na płytkę wiatr [36]. Należy też pamiętać, że większość stosowanych obecnie materiałów piezoelektrycznych to kryształy (np. kwarc), które łatwo zniszczyć przykładając zbyt dużą siłę do ich powierzchni. Rys.6.12 Element piezoelektryczny podatny na zginanie, siłą zginającą może być wiatr [36]. 62 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Jak podaje producent elementów piezoelektrycznych firma Piezo Inc. z Cambridge w USA , typowy dwuwarstwowy element piezoelektryczny, obciążany masą 80g z częstotliwością 60 Hz, będzie w stanie wytworzyć napięcie miedzy elektrodami na poziomie 15 V. Jeżeli (jak podaje producent), obciążymy elektrody rezystorem R=8kΩ to uzyskamy moc na wyjściu P=3,6mW [piezo.com] . Typowy element piezo elektryczny w firmie Piezo Systems Inc. ma wymiary 72,4x72,4x0,127 mm i kosztuje od 100$ za sztukę (powyżej 100 szt. już 35$), wraz z wzrostem grubości płytki rośnie jej cena, np. płytka o grubości 2.03 mm kosztuje od 200$za sztukę (cennik elementów piezoelektrycznych jest dostępny w załącznikach). Jak widać elementy piezoelektryczne mogą znaleźć zastosowanie w energetyce wiatrowej, raczej jako dokładne czujniki np. prędkości wiatru, a nie jako generatory produkujące prąd elektryczny. Jednakże, gdyby udało się znacząco obniżyć koszty i wykorzystać elastyczne materiały (są już stosowane), które sprawdzałyby się we współpracy z wiatrem, to można by np. skonstruować wielowarstwowy żagiel łodzi (np. jachtu pełnomorskiego), będący jednocześnie jej pędnikiem i generatorem koniecznej energii elektrycznej. Możliwe wydaje się też zastosowanie hybrydowej konstrukcji, piezogeneratora i fotoogniw. Fotoogniwa na obszarach wysuniętych daleko na północ lub południe muszą być często ustawiane w taki sposób (chodzi tutaj o kąt ogniw względem powierzchni Ziemi) , że możliwe jest ich sprzęgnięcie z piezogeneratorem i wystawianie na działanie wiatru. Ponad to na obszarach podbiegunowych, działanie fotoogniw jest mocno ograniczone, natomiast wiatry wieją bardzo mocno, a płaska powierzchnia piezoelektryka jest niewrażliwa np. na oblodzenie( w przypadku turbin 3 płatowych HAWT oblodzenie może doprowadzić do poważnej awarii). 6.5 Wnioski. W rozdziale tym przedstawiono możliwości bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika aerogeneratora. Niektóre z tych rozwiązań mają szanse na wdrożenie do produkcji, a niektóre są już wykorzystywane. Mam tutaj na myśli współprace generatora pierścieniowego z wszelkiego rodzaju elektrowniami VAWT oraz z elektrownią HAWT działającą w oparciu o efekt Magnusa. Elektrownie bardzo małej mocy o pionowej osi obrotów wirnika sprzężone z prądnicą prądu stałego także można uznać za urządzenia generujące prąd bezpośrednio z ruchu wirnika aerogeneratora. Koncepcja wykorzystania turbin HAWT z dyfuzorem, do bezpośredniej generacji wydaje się być bardziej problematyczna niż w przypadku w/w rozwiązań. Jednakże duża potencjalna wydajność takiego rozwiązania i małe rozmiary w stosunku do generowanej mocy mogą sprawić, że któryś z producentów małych elektrowni wiatrowych montowanych na budynkach zainteresuje praktycznym wdrożeniem tej idei. W dobie wzrastającego zainteresowania małymi przydomowymi elektrowniami wiatrowymi multiaerogenerator oparty o wirniki bębnowe także może znaleźć swoich potencjalnych nabywców. Bezpośrednia generacja w oparciu o elementy piezoelektryczne oraz ruchome klapki zawieszone na sprężynach może znaleźć sobie niszę, którą może być chęć uzyskania prądu z energii wiatru w ekstremalnych(np. arktycznych) warunkach, które wykluczają stosowanie wiatraków HAWT i VAWT. 63 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ VII. Podsumowanie. W pracy tej przyjrzałem się w pierwszej kolejności konstrukcjom aerogeneratorów, które obecnie oferuje rynek. Opisałem też pomysły na poprawienie wydajności turbin wiatrowych. W równym stopniu starałem się opisać produkty high-end , czyli bardzo drogie elektrownie wiatrowe dużej mocy, jak i produkty dla zapaleńców i hobbystów o małej mocy i niskiej cenie, nierzadko do wykonania we własnym zakresie. Starałem się pokazać różnice w stosowanych rozwiązaniach, ich wady , zalety, oraz możliwości usprawnienia. Głównym kryterium porównawczym była wielkość mocy jaką turbina wiatrowa była w stanie wygenerować z m2 zataczanej przez jej wirnik powierzchni. Tutaj bezkonkurencyjne okazały się turbiny HAWT wyposażone w dyfuzor, jako kolejne były odpowiednio: wirniki wykorzystujące efekt Magnusa, trzypłatowe wirniki HAWT, dwupłatowe wirniki o takiej samej osi obrotów wirnika, wirniki wielopłatowe (ze szczególnym wskazaniem na rozwiązanie oferowane przez firmę Windmission). Dalej były już wirniki VAWT z pnemonem Darrieus’a na czele. Jeżeli jednak jako kryterium przyjęlibyśmy współczynnik będący stosunkiem ceny oferowanego rozwiązania do ceny jaką za nie trzeba zapłacić, to aerogeneratory z dyfuzorem znalazłyby się na szarym końcu. Bezkonkurencyjne byłyby natomiast wirniki dwupłatowe i trzypłatowe oraz wielopłatowe. W pracy został wprowadzony podział na elektrownie przeznaczone dla sieci zawodowej oraz dla sieci zamkniętej. 7.1 Elektrownie przeznaczone do pracy w sieci zawodowej. W przypadku sieci zawodowej jedyne liczące się dzisiaj rozwiązania to elektrownie HAWT trzypłatowe i dwupłatowe oraz o działaniu opartym na efekcie Magnusa (jeszcze niezbyt popularne), elektrownie z dyfuzorem w przypadku dużych instalacji praktycznie nie są stosowane z uwagi na bardzo wysokie koszty zakupu urządzenia [16,15]. Wprowadzanie w tym wypadku rozwiązań bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika aerogeneratora praktycznie ogranicza się do stosowania wielkośrednicowych, wolnobieżnych generatorów synchronicznych (generowany prąd musi spełniać wymogi sieci zawodowej). W takim układzie elektrownia może być nawet o 22-24 % bardziej wydajna (jeżeli chodzi o oddawaną moc) od podobnej elektrowni, ale pracującej za pośrednictwem przekładni z generatorem szybkobieżnym. Jest też bardziej cicha i rozpoczyna pracę przy niższych prędkościach wiatru oraz pracuje ze zmienna prędkością obrotową, która gwarantuje lepsze wykorzystanie energii wiatru. Generalnie przyjmuje się, że im mniejszej mocy jest generator tym jego sprawność jest niższa [3, s192], stąd bierze się różnica w efektywności rozwiązań (jeżeli porównamy elektrownie dużej i małej mocy przez współczynniki mocy oddawanej z m2 zataczanej przez wirnik powierzchni). Dlatego też elektrownie wiatrowe dużej mocy pracujące dla sieci zawodowej są bardzo wydajne w porównaniu z małymi elektrowniami wiatrowymi. Należy jednak pamiętać że profesjonalne aerogeneratory są kilkudziesięciokrotnie droższe i bardziej zaawansowane technologicznie od małych elektrowni dla sieci wydzielonych (można posłużyć się tutaj porównaniem sportowego motocykla i roweru – oba pojazdy służą do poruszania się na dwóch kołach, ale dzieli je przepaść technologiczna). Gdy świadomość ekologiczna społeczeństwa wzrasta, duże wiatraki są wypierane z naszego otoczenia na tereny niezamieszkałe, do krajów rozwijających się czy też na tereny przybrzeżne (off-shore). Przedstawiciele organizacji ekologicznych twierdzą, że duże wiatraki niszczą krajobraz, stwarzają zagrożenie dla migrującego ptactwa, nietoperzy. Hałas 64 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ turbin ma wpływać negatywnie na przebywających w pobliżu ludzi. Jednak przyjęta przez UE dyrektywa 2001-77-EC nakłada na zrzeszone (w UE) państwa obowiązek uzyskania udziału energii odnawialnej w wysokości 12% z całkowitej produkcji energii danego państwa w roku 2010 (Polska jako członek UE też musi przestrzegać tej dyrektywy) . Bez udziału turbin wiatrowych, przy obecnym zaawansowaniu technologii produkcji energii ze źródeł odnawialnych ten poziom jest niemożliwy do osiągnięcia, więc można być pewnym że producenci wiatraków będą rozwijać swoje produkty, a idea bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika aerogeneratora w połączeniu z pracą przy zmiennych prędkościach obrotowych będzie jednym z priorytetów (na razie stosuje je Enercon i Lagrewey). 7.2 Turbiny wiatrowe przeznaczone do pracy w sieci wydzielonej. Jeżeli przyjrzymy się małym elektrownią wiatrowym pracującym dla sieci wydzielonej to jawią się nam wielkie możliwości wdrażania idei bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika. Faktem jest że elektrownie te mają małą efektywność w porównaniu z profesjonalnymi rozwiązaniami, jednak są też dużo tańsze, nie wymagają skomplikowanej technologii, a bezpośrednia generacja jest w nich łatwiejsza do zrealizowania. Myślę, że producenci małych turbin wiatrowych będą szli właśnie w tym kierunku (niektórzy już to robią), gdyż zwiększają w ten sposób efektywność swoich rozwiązań a tym samym ich konkurencyjność. Małe turbiny (zwłaszcza o pionowej osi obrotu wirnika), mogą łatwo znaleźć swoją niszę. Wygląda na to, że nadchodzą sprzyjające warunki dla rozwoju i zastosowania technologii małych, cicho pracujących turbin wiatrowych, możliwych do zamontowania np. na dachu budynku. Energetyka wiatrowa jest jedną z najbardziej dynamicznie rozwijających się gałęzi energetyki odnawialnych źródeł energii. W chwili obecnej turbiny wiatrowe na całym świecie wytwarzają elektryczność dla ok. 35 milionów ludzi, dając zatrudnienie 100 tys. osób [7]. Potrzeba przezwyciężenia problemów związanych z dużymi aerogeneratorami, a zarazem chęć dalszego rozwoju energetyki wiatrowej spowodowała wzrost zainteresowania stosowaniem małych (o mocy od 0,1 kW do 100 kW) turbin wiatrowych, często o konstrukcji z pionową osią, które nie stwarzają w/w problemów (hałas, zagrożenie dla ptactwa itp.). W przypadku konstrukcji o pionowej osi kształt wirnika pozwala nie przejmować się huraganowymi wiatrami - maksymalna prędkość obrotowa reguluje się sama (po osiągnięciu określonych obrotów maksymalnych wirnik nie może już bardziej się rozpędzać) [17,30]. Niepotrzebne są też układy nastawiania wirnika na wiatr. Rynek małych turbin rozwija się, ciągle pojawiają się nowe zastosowania systemów opartych właśnie na nich. Nie bez znaczenia jest zwiększanie przez poszczególne kraje udziału energii odnawialnej w całej jej produkcji. Szereg firm zaczęło opracowywać i wprowadzać na rynek swoje produkty. W przypadku odizolowanych stanowisk małe turbiny wiatrowe stanowią konkurencję dla generatorów opartych na silnikach spalinowych czy paneli fotowoltaicznych. Ogólnie niższa wydajność energetyczna małych turbin (w porównaniu z dużymi) powoduje, że koszt zainstalowania jednostki mocy w przypadku małych turbin jest wyższy. W USA koszt energii uzyskanej z małych elektrowni wiatrowych wynosi od 0,8-0,12 USD/kWh [7]. Małe turbiny wiatrowe, zwłaszcza VAWT nie psują krajobrazu, są łatwe do wkomponowania w otoczenie, a nawet możliwe jest uczynienie z nich elementów dekoracyjnych. Obecnie pojawiają się projekty interesujących, cichych "elementów architektonicznych" komponujących się z bryła budynku. Jako przykład może służyć duże centrum handlowe w Finlandii, gdzie zainstalowano dwie turbiny "świderkowe" o sumarycznej mocy 50 kW [17]. Niestety, koszt takich elementów jest obecnie jeszcze wysoki. Przykładowa turbina "świderkowa" o wysokości ok. 1,5 m (wraz z generatorem) 65 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ zaczyna pracować przy prędkości wiatru 2-3 m/s produkując przy tej prędkości moc ok. 2 W, a przy prędkości 14 m/s 120 W. Wytrzymuje wiatr o prędkości 60 m/s [17]. Generowana moc jest więc niewielka, jednak wystarczająca np. do ładowania baterii, zasilania systemów pomiarowych czy sygnalizacyjnych. Małe turbiny wiatrowe w przeciwieństwie do dużych stają się coraz bardziej popularne na terenach wysoko zurbanizowanych. Pojawiają się projekty jak najściślejszego wykorzystania energii wiatrowej dla potrzeb budynków. Istotne jest to, że budynki i turbina wzajemnie na siebie działają. Koncepcja ta jest w fazie projektu, rozważane jest m.in. umieszczanie turbin wiatrowych w takich położeniach, jak: - pomiędzy budynkami jako dyfuzorami, wykorzystuje się tutaj efekt koncentracji prędkości wiatru przez budynki w najwęższym miejscu pomiędzy budynkami[40] (załącznik 4), - w kanale przechodzącym przez budynek, zwiększony przepływ powierza wywołuje różnica ciśnień pomiędzy stroną wietrzną i zawietrzną[40,16](załącznik 4), - na dachu budynku, symulacje komputerowe pokazują ok. 30% zwiększenie prędkości wiatru kilka metrów nad dachem w porównaniu do przepływu bez obecności budynku [7]. Najbardziej realna i najprostsza do upowszechnienia może być koncepcja umieszczania turbin wiatrowych na dachu. W tym celu został opracowany specjalny typ konstrukcji nazwany Turby wykorzystujący zarówno wiatry wiejące poziomo, jak i pod różnymi kątami (częsta sytuacja zwłaszcza przy krawędziach dachu). Jedna turbina "Turby" waży ok. 90 kg , jest łatwa do montażu. Wszystkie elementy kontrolne i regulacyjne są sprzęgnięte z generatorem. Została ona opracowana przez firmę TU Delft z Holandii. Parametry typowej turbiny to: średnica rotora 2 m , wysokość wieży 5- 7,5 m , moc 2,5 kW. Według obliczeń holenderskich, w związku z koncentrującym działaniem budynków, 5 m ponad dachem budynku o wysokości 20 m panują podobne warunki wiatrowe jak w terenie niezabudowanym na wysokości 10 m . W takim przypadku turbina "Turby" o mocy 2,5 kW jest w stanie wytworzyć rocznie ok. 1800 kWh energii elektrycznej (dla obszarów o średniej prędkości wiatru 4,3 m/s)[39,7] (więcej informacji na temat Turby w załącznikach). Jak więc widać rynek małych turbin wiatrowych będzie się prawdopodobnie rozwijał, a dużo większa swoboda w konstrukcji (w porównaniu z elektrowniami profesjonalnymi) pozwoli na realizowanie idei bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika aerogeneratora na szeroką skalę. 7.3 Generacja prądu z energii wiatru bez wykorzystania wirników. W pracy tej poświeciłem też trochę miejsca na przyjrzenie się możliwością wykorzystania elementów płaskich (płytki, piezoelektryki) w produkcji energii elektrycznej z wiatru. Wydaje mi się, że rozwiązania te, przynajmniej w najbliższym czasie, nie znajdą swojego miejsca wśród generatorów wiatrowych. Należy mieć jednak nadzieję że kiedyś dokona się przełom w produkcji materiałów piezoelektrycznych, ich właściwości ulegną poprawie a ceny spadną. Będzie wtedy możliwe wykorzystanie ich jako źródeł energii np. na żaglowcach (piezoelektryczne żagle, hybryda z ogniwami fotowoltanicznymi) czy w ekstremalnych warunkach pogodowych. 7.4 Wnioski. Wielu ludzi na hasło „elektrownia wiatrowa” ma przed oczami turbinę HAWT z trzema płatami. Po zapoznaniu się z ofertą producentów aerogeneratorów można przekonać się, że rynek oferuje bardzo wiele różniących się zasadniczo od siebie rozwiązań. Mają one swoje wady i zalety, które zostały przeze mnie opisane. W zależności od tego do jakich celów potrzebujemy wiatraka, pewne cechy mogą stać się bardzo pożądane, a wady mniej istotne 66 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ , np. niska hałaśliwość wirników VAWT kosztem mniejszej efektywności od turbin HAWT, będzie cechą decydującą przy zakupie turbiny mającej pracować na dachu budynku mieszkalnego. Z kolei przy stawianiu turbiny komercyjnej na odludnych nadmorskich, albo nawet przybrzeżnych terenach najistotniejszym parametrem będzie efektywność przetwarzania energii wiatru na prąd. Tak, jak wiele jest różnych turbin wiatrowych, tak wiele jest możliwości zrealizowania za ich pośrednictwem idei bezpośredniej generacji. W mojej pracy opisałem rozwiązania które stosują producenci, oraz moje propozycje na wprowadzenie bezpośredniej generacji prądu z energii wiatru. Niektóre z tych pomysłów wydają się dość proste w realizacji, inne będą musiały jeszcze poczekać na rozwinięcie obecnych technologii oraz na nowe materiały, ale również wydają się możliwe do zrealizowania. Jedynym problemem może być ich cena, która, w przypadku gdy jest zbyt wysoka, może negować zasadność wprowadzania danego rozwiązania. Reasumując, przemysł elektrowni wiatrowych zarówno tych małych jak i dużych ma się dobrze, a wszystko wskazuje na to , że energetyka wiatrowa będzie się rozwijać a wraz z nią nowe bardziej wydajne sposoby generacji, z bezpośrednią generacją prądu z energii wiatru na czele. Jest więc tu miejsce na nowe pomysły, zwłaszcza dla aerogeneratorów pomocniczych pracujących na sieć wydzieloną. 67 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Literatura/Źródła [1] Lewandowski M.W., Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002,s310. [2] Cempel C., Ekogospodarka – nowe wyzwania w kształceniu, badaniach i technologii, publikacja udostepniona przez autora on-line na stronie http://neur.am.put.poznan.pl/cempel/ , Poznań 2003, s15. [3] [4] Nieciejowski E., Elektrotechnika,PWSZ Warszawa 1966, s319. Johansson A., Czysta technologia, środowisko, technika, przyszłość, WNT, Warszawa 1997, s212 [5] Pollard V., Energetyka wiatrowa w Europie; prezentacja na konferencje Vis Venti, udostępniono on-line na elektrownie-wiatrowe.org.pl [6] European Wind Energy Association&American Wind Energy Association, Raport ze światowego rynku energetyki wiatrowej za rok 2002, udostępniono on-line na http://elektrownie-wiatrowe.org.pl . [7] Filipowicz M., Małe turbiny wiatrowe... ,Nafta & Gaz Biznes - kwiecień 2004, udostępniono on-line na http://elektrownie-wiatrowe.org.pl . [8] Dyrektywa 2001-77-EC, Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 września 2001 w sprawie promowania energii elektrycznej produkowanej z odnawialnych źródeł na wewnętrznym rynku energetycznym, udostępniono on-line na http://elektrownie-wiatrowe.org.pl . [9] GE Wind Energy, Dokumentacja techniczna turbin wiatrowych GE 1.5 SL oraz GE 1.5 SE, udostępniono on-line na http://elektrownie-wiatrowe.org.pl . [10] Dr Ząber, Dokumentacja techniczna turbiny wiatrowej Z-12, udostępniona na stronie producenta www.zaber.com.pl [11] Fortis, Dokumentacja techniczna turbiny wiatrowej Fortis Boreas, udostępniona na stronie internetowej firmy SUNFLOWER www.icppc.sfo.pl . [12] Solar Energy Aliance, Dokumentacje techniczne turbin wiatrowych Enercon, Bergey,Fortis, Rutland, Ampair ... , udostępniono on-line na www.gosolar.u-net.com [13] Ekoland, Dane techniczne turbiny wiatrowej C-100, udostępniono on-line na www.ekoland4.com/wiatrowe_ce100.html . [14] Eneco, Elektrownie wiatrowe wykorzystujące efekt Magnusa-dane techniczne turbiny wiatrowej ACOWIND A-63, artykuł udostępniono na http://elektrowniewiatrowe.org.pl . 68 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... [15] Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Henderson G., Vortec closure no suprise, 2001, artykuł z archiwum serwisu www.wind-works.org . [16] Dorner H., Publikacje dotyczące turbin wiatrowych wyposażonych w dyfuzor, udostępniono na stronie internetowej http://www.ifb.uni- autora stuttgart.de/~doerner/diffuser.html . [17] Windside, Dokumentacja techniczna produktów firmy Windside, udostępniono na stronie www.windside.com . [18] Enercon. Opisy i dokumentacje techniczne produktów firmy Enercon, udostępniono na stronie www.enercon.de . [19] Schoepp K. Zieliński P. Wolnoobrotowy dwustopniowy generator synchroniczny z magneśnicą swobodną, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów nr 23.2003, udostępniono on-line na http://pc150.imne.pwr.wroc.pl . [20] Klonowski M., Analiza współczesnych rozwiązań generatorów wiatrowych, Praca dyplomowa pod kierunkiem prof.nadzw. dr hab. Inż. E. Bogaleckiej na Akademii Morskiej w Gdyni, udostępniona przez autora on-line na http://mrufkaz4.webpark.pl [21] de Vries E., Największa turbina komercyjna na świecie, Reneweble Energy World, tłumaczenie Włoch P., udostępniono na http://elektrownie-wiatrowe.org.pl . [22] Barzyk G., Techniczne aspekty współpracy elektrowni wiatrowych z systemem elektroenergetycznym-wspomaganie procesu decyzyjnego, Energia Gigawat,05.2003, udostępniono przez autora na jego stronie internetowej http://zakelp.ps.pl/publikacje/gb/publikacje.htm . [23] Kurzynowski P. Poprawski R., Zastosowanie odwrotnego zjawiska piezoelektrycznego i elektrostykcji w światłowodowych czujnikach przesunięcia, udostępniono on-line pod adresem http://www.if,pwr.wroc.pl . [24] Wstęp teoretyczny do programu WIATRAK 1.1, napisany w oparciu o publikacje: • W. Jagodziński „Silniki wiatrowe”, PWT, Warszawa 1959 • Władysław Niestoj „Profile modeli latających”, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1980. Projekty turbin wiatrowych, amatorskie konstrukcje wskazówki dla wykonawców. http://darmowa-energia.eko.org.pl/pliki/wiatr.html . [25] Duński serwis Danish Wind Industry Association ,zajmująca się szeroko pojętą energetyką wiatrową http://www.windpower.org/en/core.htm . [26] Europejskie Centrum Energii odnawialnej http://www.ibmer.waw.pl . 69 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ [27] Polski serwis zajmujący się problematyką dotyczącą zagadnień związanych z budową i eksploatacją elektrowni wiatrowych http://www.elektrownie-wiatrowe.org.pl . [28] Dystrybutor aerogeneratorów firmy LAGREWEY w Polsce, strona inernetowa: http://www.energetykawiatrowa.pl . [29] Producent turbin wiatrowych, firma VESTAS, strona internetowa : www.vestas.com . [30] Serwis internetowy poświęcony zagadnieniom energetyki wiatrowej: http://elektrownie.lh.pl . [31] Zbiór informacji na temat turbin wiatrowych, zdjęcia opisy itp. Dostępne on-line: http://free.polbox.pl/s/scalak . [32] Producent turbin wiatrowych firma NORDEX, strona internetowa: www.nordex-online.com . [33] Producent turbin wiatrowych firma BERGEY, strona internetowa: www.bergey.com . [34] Producent turbin wiatrowych firma WINDMISSION, strona internetowa: www.windmission.dk . [35] Strona internetowa Pomorskiej Akademii Pedagogicznej, materiały on-line Instytutu Fizyki http://if.pap.edu.pl . [36] Producent materiałów piezoelektrycznych Piezo Systems, Inc., strona internetowa: http://piezo.com . [37] Polski producent prądnic do elektrowni wiatrowych KOMEL, strona internetowa: http://www.komel.katowice.pl . [38] Strona internetowa dostawcy rozwiązań energetycznych firmy ELECTRABEL: www.electrabel.pl . [39] Ferox Energy Systems Sp. z oo. , firma produkująca urządzenia kogeneracyjne, strona internetowa: www.ferox.com.pl . [40] Informacja własna na temat wysokości realnej zapłaty za produkowaną energię, uzyskana w Grupie Energetycznej ENEA. [41] Strona internetowa producenta turbiny wiatrowej Turby zoptymalizowanej do pracy w terenie zabudowanym.: www.turby.nl . 70 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ [42] Serwis internetowy zawierający opisy nietypowych konstrukcji turbin wiatrowych: www.eru.rl.ac.uk . [43] Firma NOWOMAG, producent urządzeń dla górnictwa, oraz polskiej turbiny wiatrowej średniej mocy – informacja własna na temat danych technicznych turbiny wiatrowej EW160-22-30. 71 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Spis rysunków. Rozdział II 1. Zasoby kopalin materiałów i energii [2] .............................................................................4 2. Produkcja ropy i jej prognoza skojarzona z prognozą... [2]. ............................................4 3. Przyrost mocy generowanej w UE... [5]............................................................................ 5 4. Procentowy przyrost mocy generowanej przez aerogeneratory w UE... [5]. .....................5 5. Całkowita produkcja energii pozyskanej z wiatru na świecie [6]. ......................................6 6. Rozkład natężenia dźwięku dla elektrowni wiatrowej................[29, 30/ekologia]. ...........9 7. Liczba zabitych, przez różne przyczyny, ptaków w Holandii [30/ekologia]. ....................9 Rozdział III. 3.1 Schemat przepływu wiatru przez turbinę wiatrową.[1, s73]. .........................................12 3.2 Przepływ strugi powietrza przez turbinę[24]. ................................................................ 11 3.3 Rozkład gęstości mocy uzyskanej przez generator wiatrowy [30/energia]. ...................13 3.4 Powstawanie momentu obrotowego na łopatach wiatraka[24]. .....................................14 3.6 Siły: nośną Fy i oporu Fx wyznacza się... [24]. .............................................................14 3.7 Sposób podziału łopat wirnika na fragmenty, w celu wykonania obliczeń [24]. .......... 15 3.3.1 Wiatrak wykorzystujący efekt Magnusa ACOWIND A-63 [14/t_magnus]. ..............19 3.3.1a Zasada powstawania siły poprzecznej w ACOWIND [14/t_magnus,24/magnus]. ..19 3.3.2 Turbina wiatrowa z dyfuzorem... [27/t_typy_ewi]. ....................................................21 3.3.3 Wiatrak wolnoobrotowy, wielopłatowy [13]. .............................................................22 3.4.1 Wirnik Darrieus’a sprzęgnięty z wirnikiem Savonius’a [27/t_typy_ewi]. ..................22 3.4.2 H-rotor o mocy 3 kW [31/vawt]. .................................................................................23 3.4.3 Rotor Savoniusa[31/vawt]. ...........................................................................................24 3.4.4 Turbiny wiatrowe o świderkowych wirnikach firmy WINDSIDE [17]. .....................25 3.4.5 Wirnik SG-3 [30/sg3]. ..................................................................................................26 3.4.6 Zamontowany wirnik SG-3 [30/sg3]........................................................................... 27 3.4.7 Schemat podłączenia aerogeneratora SG-3 do sieci wydzielonej [30/sg3]. ................27 3.4.8 Porównanie parametrów różnych wirników... [16]. ....................................................28 3.4.9 Współczynnik określający stosunek powierzchni zataczanej... [16]. ..........................28 Rozdział IV. 4.2.1 Stosowane rodzaje generatorów... [30/generatory]. ....................................................32 4.2.2.a Schemat blokowy najczęściej stosowanego... [22]. ..................................................33 4.2.2.b Podłączenie generatora indukcyjnego pierścieniowego... [20]. ...............................33 4.2.4 Stojan 4 biegunowego generatora asynchronicznego [32]. .........................................34 4.2.3. Nordex N80 [32]. ........................................................................................................34 4.2.4.b Klatka generatora asynchronicznego klatkowego [25]. ............................................35 4.2.5.Zmiana punktu pracy podczas przełączenia biegunów [20]. .......................................35 4.2.6 Elektrownia wiatrowa z maszyną asynchroniczną [20]. ..............................................36 4.2.7 Obroty (obr/min) dla generatora synchronicznego w zależności... [25]. .....................37 4.2.8 Enercon E40-bezprzekładniowa elektrownia wiatrowa [26,18]. .................................37 4.2.8b Bezprzekładniowa elektrownia wiatrowa firmy Enercon [18]. .................................38 4.2.9 Połówka pierścienia generatora Enercon 112 [21]. .....................................................38 4.2.10 Elektrownia wiatrowa z generatorem wolnoobrotowym... [20]. ..............................38 4.2.11a Przykładowe schematy układów pracy... [22]. .......................................................39 4.2.11b Przykładowe schematy układów pracy... [22]. .......................................................40 4.2.12.a Przykładowe schematy układów pracy... [22]. ......................................................40 4.2.12b Przykładowe schematy układów pracy... [22]. .......................................................40 4.2.13 Moc generowana przez elektrownię Bergey XL-1... [33]. ........................................41 Rozdział V. 72 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ 5.1 Turbina typu down wind [31]. ........................................................................................43 5.2.a Mała elektrownia wiatrowa z napędem w postaci wirnika 3 płatowego [10]. ............43 5.2.b Wirnik 2 płatowy jako napęd elektrowni dużej mocy[27/t_typy_ewi] .......................44 5.2.c Wirnik jednopłatowy – generacja bezpośrednia bardzo utrudniona [25]. ..................44 5.2.d Wirnik wielopłatowy – konstrukcja firmy Windmission [25]. ....................................44 5.3 Wirnik bębnowy – konstrukcja podatna na bezpośrednią generację [1,s76]. .................46 5.4 Wirnik karuzelowy...[1,s76]. ..........................................................................................46 5.5 Wirnik Savoniusa... [1,s76]. ........................................................................................... 46 5.6 Turbina świderkowa WINDSIDE [17]. ..........................................................................47 5.7 Zależność sprawności przepływowej... [1, s75]. .............................................................48 Rozdział VI. 6.1 Elektrownia wiatrowa z generatorem wolnoobrotowym [opr. własne]. .........................51 6.2 Elektrownia wiatrowa z dyfuzorem...[opr. własne]. ......................................................51 6.3 Elektrownia wiatrowa z dyfuzorem, z pierścieniem... [opr. własne]. .............................52 6.4 Turbina wielopłatowa z dyfuzorem...[opr. własne]. .......................................................53 6.4 Wirnik bębnowy przystosowany do bezpośredniej... [opr. własne na podstawie 1,s76] 53 6.6 Wirniki bębnowe jako elementy multiaerogeneratora[opr. własne]. ..............................54 6.7 Elektrownia wiatrowa z silnikiem Darrieus’a...[opr. własne] .........................................55 6.7a Wirnik rotorowy Savoniusa...[opr. własne na podstawie 1,s76] ...................................55 6.7b Wirnik karuzelowy z generatorem... [opr. własne na podstawie 1, s76]...................... 56 6.7c Turbina świderkowa WINDSIDE z generatorem w podstawie...[17]........................... 56 6.8 Wirnik karuzelowy generujący prąd...[opr. autor na podstawie 1, s76] .........................57 6.9 Klapki z uzwojeniem na krawędziach...[opr. własne] ................................................... 57 6.10 Ułożeniem komórek elementarnych sieci krystalicznej kwarcu [35]. ..........................58 6.11a Jednowarstwowa płytka materiału piezoelektrycznego [36]....................................... 58 6.11b Dwu warstwowa płytka piezoelektryczna [36]............................................................59 6.11c Wielowarstwowa płytka piezoelektryczna... [36]........................................................59 6.12 Element piezoelektryczny podatny na zginanie, siłą zginającą może być wiatr [36]....59 Spis tabel. Tabela 1.Wykaz zainstalowanych mocy w poszczególnych krajach [6]. ...............................6 Tabela2.Wykaz zainstalowanych w Polsce siłowni wiatrowych, stan na rok 2002 [27]. .......7 Tabela 3.1 Wybrane parametry techniczne turbin wiatrowych GE [9], oraz Enercon[18] .16 Tabela 3.2 Wybrane parametry małych i średnich... [10, 13, 12, 11]. .................................17 Tabela 3.3.1 Dane Techniczne ACOWIND A-63, wykorzystującej efekt Magnusa [14]. ..20 Tabela 3.4.1 Porównanie dwóch min elektrowni...[17]. ......................................................25 Tabela 5.1 Ocena podatności wirników na zastosowanie... [opr własne].............................48 73 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Załącznik 1. Piezo Systems, Inc. Dane techniczne oraz ceny oferowanych przez firmę elementów piezoelektrycznych. Delivery Custom Cutting In most cases, we can cut Our single layer the sheets to size for you piezoceramic sheets are (delivery of custom cut available in the standard sheets is usually 1-2 size (2.85" square) for weeks). Contact us for a immediate delivery. price quote. Large A4 Single Sheets Thickness Capacitance mm in nF (±10%) T105-A4E-602 .127 .005 650 T107-A4E-602 .191 .0075 430 T110-A4E-602 .267 .0105 315 T120-A4E-602 .508 .020 162 T140-A4E-602 1.02 .040 80 T180-A4E-602 2.03 .080 40 Part Number PIEZOELECTRIC Composition Lead Zirconate Titanate Material Designation Type 5A4E (Industry Type 5A, Navy Type II) Relative Dielectric Constant (@ 1 KHz) Piezoelectric Strain Coefficient Piezoelectric Voltage Coefficient Coupling Coefficient KT3 1800 d33 390 x 10-12 meters/Volt d31 -190 x 10-12 meters/Volt g33 24.0 x 10-3 Volt meters/Newton g31 -11.6 x 10-3 Volt meters/Newton k33 0.72 k31 0.32 Polarization Field Ep 2 x 106 Volts/meter Initial Depolarization Field Ec 5 x 105 Volts/meter MECHANICAL Density 7800 Mechanical Q 80 Elastic Modulus Kg/meter3 YE3 5.2 x 1010 Newtons/meter2 YE1 6.6 x 1010 Newtons/meter2 74 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Poisson's Ratio V Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ ~.31 THERMAL Thermal Expansion Coefficient ~4 x 10-6 meters/meter °C Curie Temperature 350 °C Przykładowe cenniki, dalsze dostępne na www.piezo.com/en-us/dept_40.html . T105-A4E-602 2.85 x 2.85 x .005 inches Quantity 1 5 72.4 x 72.4 x .127 mm Pricing pc. + T105-A4E-602 (prices $ $ Weight: 0.05 lbs are 100 70 "each") 25 100 500+ + + $ $ Call 50 35 T140-A4E-602 2.85 x 2.85 x .040 inches 72.4 x 72.4 x 1.02 mm T140-A4E-602 Weight: 0.10 lbs Quantity Pricing 1 pc. 5 + (prices $ are $ 150 115 "each") 25 100 500+ + + $ $ Call 80 65 T180-A4E-602 2.85 x 2.85 x .080 inches 72.4 x 72.4 x 2.03 mm T180-A4E-602 Weight: 0.10 lbs Quantity Pricing (prices are "each") 1 25 100 5+ 500+ pc. + + $ $ $ $ Call 200 150 100 80 Załącznik 2. Oferta firmy KOMEL, polskiego producenta prądnic do małych turbin wiatrowych [37]. 75 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ PRĄDNICE SYNCHRONICZNE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI DO ELEKTROWNI WIATROWYCH I WODNYCH Nasz Ośrodek wykonuje prądnice synchroniczne 3-fazowe z magnesami trwałymi budowane na bazie produkowanych w Polsce silników indukcyjnych. Prądnice cechuje bardzo wysoka sprawność sięgająca nawet 95%. Tak wysoka sprawność powoduje, iż straty przy przetwarzaniu energii wiatru na energię elektryczną są małe. Stosując zatem prądnice z magnesami trwałymi można z wiatraka uzyskać większą moc elektryczną niż przy zastosowaniu innego rodzaju prądnic. Poniżej przedstawiono moce znamionowe wybranych prądnic. Prędkość obrotowa n=1500 obr/min Moc [kW] Masa [kg] 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 22 ~ 12 ~ 18 ~ 20 ~ 28 ~ 40 ~ 45 ~ 140 Prędkość obrotowa n=1000 obr/min Moc [kW] Masa [kg] 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 22 ~ 18 ~ 20 ~ 30 ~ 35 ~ 43 ~ 72 ~ 208 Prędkość obrotowa n=750 obr/min Moc [kW] Masa [kg] 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 ~ 24 ~ 35 ~ 40 ~ 43 ~ 76 ~ 92 76 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ ~ 240 22 Prędkość obrotowa n=375 obr/min Moc [kW] Masa [kg] ~ 35 ~ 43 ~ 76 ~ 80 ~ 400 1,5 2,2 3,0 4,0 18,5 Prędkość obrotowa n=188 obr/min Moc [kW] Masa [kg] 3,0 5,5 240-320 320-360 Wszystkie prądnice mogą być trwale przeciążane nawet o 50%. Oferowane przez nas prądnice z magnesami trwałymi są wykonywane na napięcie znamionowe wg indywidualnych wymagań klienta. Przy wyborze prądnicy proszę zwrócić uwagę na fakt, iż wraz ze zmniejszaniem znamionowej prędkości obrotowej i przy utrzymaniu tej samej mocy znamionowej, gabaryty i masa prądnicy stają się coraz większe. Także koszt robocizny dla wykonania maszyny o mniejszej prędkości obrotowej jest większy. Czas realizacji zamówienia to 9 – 12 tygodni od chwili przyjęcia zamówienia. Bezpośrednio do zacisków prądnicy można podłączyć odbiorniki takie jak np. rezystancyjne podgrzewacze wody, powietrza itp. Prądnice z magnesami trwałymi generują napięcie liniowo zależne od prędkości obrotowej. Przy znamionowej prędkości obrotowej i znamionowym obciążeniu, na zaciskach prądnicy uzyskiwane jest napięcie znamionowe, natomiast przy dalszym wzroście prędkości obrotowej napięcie na jej zaciskach nadal rośnie, gdyż sama prądnica nie jest wyposażona w żaden ogranicznik prędkości obrotowej czy napięcia. Należy to mieć na uwadze przy projektowaniu np. małej elektrowni wiatrowej. Ceny oferowanych przez nas prądnic są znacznie niższe od cen prądnic importowanych. Oto przykładowe ceny: PRĄDNICA O MOCY ZNAMIONOWEJ 2,2 KW n = 1500 obr/min n = 1000 obr/min n = 750 obr/min n = 375 obr/min 2.000 zł 2.200 zł 2.400 zł 2.750 zł 77 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ PRĄDNICA O MOCY ZNAMIONOWEJ 4,0 KW n = 1500 obr/min n = 1000 obr/min n = 750 obr/min n = 375 obr/min 2.550 zł 2.750 zł 3.300 zł 3.850 zł Załącznik 3. 78 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Porównanie rozpływu energii podczas procesu spalania paliwa w kotle standardowym, oraz w urządzeniu kogeneracyjnym. Proces standardowy [39]. Proces kogeneracyjny [39]. 79 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Załącznik 4. Elektrownia wiatrowa dużej mocy wyposażona w dyfuzor. Nietypowe rozwiązania zastępujące dyfuzor. Turbina wiatrowa dużej mocy wyposażona w dyfuzor (Maxi Vortec, 3,5 MW) [16]. Propozycja wkomponowania turbin w architekturę [40]. 80 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Testy wpływu budynków na pracę turbiny wiatrowej [40]. Propozycja przydomowej, małej turbiny wiatrowej wyposażonej w dyfuzor [16]. 81 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Załącznik 5. Poprzeczna dwustopniowa tubina przepływowa [24], opis turbiny Turby [41-pdf on-line]. Poprzeczna Dwustopniowa Turbina Przepływowa (Zdzisława Pawlaka) zgłoszona w Urzędzie Patentowym w 1985 roku – P 251710 [24] rys.1 W wersji wiatrowej można zaliczyć ją do rodziny turbin wiatrowych o osi pionowej. Turbinę cechuje: • • • • • Duży moment startowy Wysoka sprawność Mała szybkobieżność Cichobieżność Brak konieczności naprowadzania na wiatr 82 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ • Wirnik znajduje się wewnątrz turbiny a cała turbina może być opleciona siatką o małych oczkach, co wyeliminuje ewentualne zagrożenie dla ludzi i ptaków • Turbina jest maszyną dwustopniową. • Turbina ta dobrze zachowuje się przy wiatrach porywistych . W okresie ciszy rozpędzona wypompowuje ze środka powietrze tworząc podciśnienie, w efekcie tego każdy następny podmuch powietrza w strefie turbiny znajduje najmniejszy opór. • Turbina ta jest maszyną nieodwracalną tzn. nie może być wentylatorem ani pompą. • Turbina tej konstrukcji ma jednakowe warunki pracy niezależne od kierunku wiejącego wiatru. 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. Turbina pracując oddziaływuje na większą przestrzeń niż zewnętrzny przekrój turbiny ze względu na wirowe zaburzenia brzegowe. rys.2 a - wieniec kierownicy b - wirnik turbiny Turbina w praktyce 83 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rysunek 3 przedstawia przykład praktycznego wykonania turbiny wiatrowej. Najkorzystniejszym materiałem dla tej turbiny jest cienki laminat zbrojony włóknem szklanym lub węglowym, zastosowany w konstrukcji zbliżonej do plastra miodu. Większe konstrukcje powinny być wykonane techniką modułową. Rys.3 Poprzeczna Dwustopniowa Turbina Przepływowa może być stosowana również w wersji jako konwerter energii fal i prądów morskich. Zasada działania turbiny wodnej jest podobna do tej przedstawionej na rysunku 2. Wersję tę cechuje możliwość konwersji energii całego widma fal na jednokierunkowy ruch wirnika turbiny. Jakikolwiek ruch wody ( falowy czy postępowy ) jest zamieniany na moc użytkową. 84 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Załącznik 6. Wyprowadzenie wzorów opisujących pracę turbiny wiatrowej [1,24]. Cięciwa profilu łopaty w pewnym przekroju odległym o r od osi wirnika tworzy z płaszczyzną wirnika kąt zaklinowania ϕ. Prędkość wiatru v ma kierunek prostopadły do płaszczyzny wirnika. Uwzględniając prędkość obwodową (unoszenia) łopatki gdzie n – prędkość obrotowa w [obr/min] wynikającą z ruchu obrotowego koła wiatrowego otrzymuje się prędkość względną w strugi powietrza W stosunku do cięciwy profilu prędkość ta tworzy z cięciwą profilu kąt natarcia α, a z płaszczyzną obrotu kąt napływu prędkości względnej β [24]. Rys. 3.6 Siły nośną Fy i oporu Fx wyznacza się w oparciu o charakterystykę profilu z wzorów [24]. gdzie Cy - współczynnik aerodynamiczny siły nośnej Fy, Cx - współczynnik aerodynamiczny siły oporu Fx, współczynniki Cy i Cx dobiera się z charakterystyki profilu w zależności od kąta natarcia α , ρ - gęstość powietrza w [kg/m3], A – powierzchnia wycinka łopaty o wymiarach s⋅ l (rys.9 i 10) w [m2]. [24] Na rys. 3.6 można zauważyć, że pomiędzy cięciwą profilu i siłą aerodynamiczną Fa oraz pomiędzy prędkością względną w i siłą nośną Fy są kąty proste. Wynika stąd, że pomiędzy siłą Fa i osią wirnika jest kąt β-α, pomiędzy Fy i Fa kąt α. Można więc wyprowadzić wzór na siłę wywierającą nacisk osiowy Fos [24]: 85 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Jeśli zrzutujemy siły Fx i Fy na płaszczyznę obrotu to otrzymamy z Fx siłę przeciwdziałającą obrotowi wirnika Fham (siłę hamującą), a z Fy siłę wirnika Fnap (napędzającą). Między siłami Fx i Fham oraz między Fy i osią obrotu jest kąt β (rys.3.6). Z tych i poprzednich zależności (sinβ=v/w, cosβ=u/w) wyprowadzić można wzory na Fham i Fnap [24]:działającą zgodnie z kierunkiem obrotu Różnica Fnap i Fham to nic innego jak siła obwodowa Fobw, czyli siła powodująca obrót koła wiatrowego [24]: Jak wcześniej wspomniano siły Fy i Fx oblicza się wykorzystując współczynniki Cy i Cx (spotyka się także oznaczenia współczynnika Cy jako Cz). Wartości tych współczynników wyznacza się doświadczalnie podczas odmuchiwania płatów o różnych profilach w tunelach aerodynamicznych, dokonując pomiaru sił Fy i Fx dla różnych kątów natarcia, a następnie oblicza się Cy i Cx z przekształconych wzorów na Fy i Fx [1]: gdzie v – prędkość powietrza napływającego na płat. 86 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Rys.3.9 Wykres funkcji Cy(Cx) (nazywany biegunową profilu) z zaznaczonymi kątami natarcia profilu [24]. Uzyskane wyniki podaje się w postaci wykresów Cy(α), Cx(α) lub najczęściej jako wykres funkcji Cy(Cx) (nazywany biegunową profilu) z zaznaczonymi kątami natarcia profilu (rys.3.9). Wielkości Cy i Cx zależą nie tylko od kształtu profilu, jego kąta natarcia, szybkości wiatru, ale i od stosunku długości płata l do szerokości s (w tym przypadku mowa o wymiarach całego płata, skrzydła, a nie wycinku łopatki). Dzieje się tak, ponieważ na skutek różnicy ciśnień nad i pod płatem następuje przepływ powietrza na końcach spod jego spodu na jego wierzch (rys.4.0). Ten ruch powietrza nakłada się na ruch powietrza napływającego na płat, a będąc do niego prostopadłym, wywołuje dwa wiry rozciągające się za końcami płata. Energia potrzebna do wytworzenia tych wirów może być dostarczona tylko przez płat, co ujawnia się dla niego jako pokonywanie pewnego oporu nazywanego oporem indukcyjnym (wzbudzonym). Opór ten jest tym mniejszy im stosunek długości do szerokości jest większy [4]. Rys.4.0 Wpływa on również na zmniejszenie kąta natarcia przy końcach płata. Stosunek l do s nazywa się rozpiętością względną albo wydłużeniem λ: Charakterystykę profilu sporządza się najczęściej dla λ = 5 lub λ = ∞ (dane dla λ = ∞ uzyskuje się np. przez zastosowanie rozpiętości płata większej lub równej szerokości tunelu aerodynamicznego). Ponieważ powietrze nie opływa łopatki równomiernie, tzn. prędkość powietrza względem łopatki (w) rośnie wraz z odległością od środka do średnicy zewnętrznej koła wiatrowego, przyjmuje się najczęściej profile o λ = ∞. Jeśli charakterystyka profilu jest wyznaczona dla innej wartości λ, np. równej 5, to można przeliczyć współczynniki Cy i Cx oraz kąt natarcia α dla λ = ∞ wykorzystując poniższe wzory [3]: 87 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Dla wyznaczonej biegunowej profilu podaje się też tzw. liczbę Reynoldsa [4]: gdzie: v – prędkość powietrza, m/s, l – długość profilu, m, µ - współczynnik tarcia wewnętrznego, kg/m⋅s, ρ - gęstość powietrza, kg/m3. Stosunek µ do ρ nazywany jest kinematycznym współczynnikiem lepkości ν, który w warunkach tzw. atmosfery normalnej (temperatura 15 [°C], ciśnienie 101357 [Pa], gęstość 1.225 [kg/m3]) przyjmuje wartość 0.0000143 [m2/s]. Czyli Re równa się [4]: Re = 70000⋅ v⋅ l Gdy dwa płaty o profilach geometrycznie podobnych (posiadających wymiary liniowe proporcjonalne, a kąty jednakowe) znajdują się w strumieniach powietrza o pewnych prędkościach, to przepływy tego powietrza wokół płatów są mechanicznie podobne pod warunkiem, że liczba Reynoldsa jest dla nich taka sama (iloczyn prędkości powietrza i długości cięciwy każdego z profili muszą być sobie równe). Z warunku tego wynika, że prędkość w tunelu aerodynamicznym powinna być tyle razy większa od prędkości wiatru, ile razy jest mniejszy badany profil od tego zastosowanego w łopatce [1]. Liczba Re jest różna dla łopatki w zależności od promienia łopatki i jej szerokości. Dla uproszczenia w wiatrakach o małych mocach (o średnicach do 10 [m]) można przyjąć jeden profil o ustalonej liczbie Re. Do tego celu można zastosować profile stosowane w modelarstwie lotniczym (o Re bliskich 200000, 400000). Szerokość łopatki s oblicza się na podstawie zasady równości zmiany pędu i popędu poruszającego się ciała (powietrza). Pędem ciała nazywamy iloczyn jego masy i prędkości (m⋅ v) [6]. Popędem lub impulsem siły nazywamy iloczyn jej wartości i czasu przez jaki działa (F⋅ t) [6]. Zmiana pędu ciała jest równa popędowi siły działającej na to ciało [6]: F⋅ t = ∆(m⋅ v) F⋅ t = ( m⋅ v1) - (m⋅ v2) = m⋅ (v1- v2) W naszym przypadku powietrze o masie m zmienia swoją prędkość z v0 do v2 (zmiana pędu = m⋅(v0v2) ). Dzieje się to pod wpływem działania na nie siły hamującej, pochodzącej od koła wiatrowego, równej co do wartości sile osiowej Fos, lecz o przeciwnym zwrocie (popęd siły = Fos⋅ t). Ponieważ przeprowadzamy obliczenia łopaty dzieląc ją na mniejsze elementy o wymiarach l⋅ s, to masę m będzie stanowić powietrze przepływające przez pierścień o powierzchni ⋅π(r+l/2)2-⋅π(r-l/2)2=2⋅π⋅r⋅l (rys.10). Natomiast siłę Fos liczy się dla jednego wycinka (l⋅ s) łopaty pomnożonego przez liczbę łopat i. Można więc przekształcić równanie zmiany pędu i popędu siły jak poniżej: czyli F⋅ t = m⋅ (v1- v2) przyjmie postać: Stąd mamy szerokość łopatki s: 88 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ Moc jednego wycinka łopatki jest równa iloczynowi siły Fobw i prędkości obwodowej u dla tego elementu, a moc wiatraka jest sumą mocy poszczególnych elementów jednej łopatki pomnożonej przez ilość łopatek i i przez sprawność wiatraka. gdzie: n – liczba elementów obliczeniowych na które podzielono łopatkę (rys.9), k – numer kolejnego elementu, Fobwk – siła obwodowa dla k-tego elementu, uk – prędkość obwodowa dla k-tego elementu, ηa – sprawność aerodynamiczna silnika wiatrowego, ηm – sprawność mechaniczna silnika wiatrowego. Moment obrotowy jest sumą momentów poszczególnych elementów jednej łopatki pomnożonej przez ilość łopatek oraz przez sprawność wiatraka. gdzie: n – liczba elementów obliczeniowych na które podzielono łopatkę, k – numer kolejnego elementu, Fobwk – siła obwodowa dla k-tego elementu, rk – promień (odległość od osi wirnika do środka k-tego wycinka), ηa – sprawność aerodynamiczna silnika wiatrowego, ηm – sprawność mechaniczna silnika wiatrowego. Sprawność mechaniczna ηm wiatraka uwzględnia straty powstałe w wyniku tarcia w łożyskach i przekładniach. Natomiast sprawność aerodynamiczna ηa to straty wywołane oporem indukowanym profilu, odpływem powietrza na zewnątrz koła wiatrowego, zawirowaniem powietrza za wiatrakiem (ruch śrubowy powietrza przeciwny do obrotów wiatraka), oporem profilowym (zależy od gładkości powierzchni łopat) oraz oporem interferencyjnym (spowodowany jest wzajemnym oddziaływaniem sąsiednich łopatek na przepływ powietrza, zwłaszcza w częściach przylegających do piasty). Do wstępnego określenia mocy wiatraka o średnicy D można obliczyć moc wiatru przepływającego przez płaszczyznę omiataną łopatkami i pomnożyć ją przez współczynnik wykorzystania (ξt) energii wiatru i sprawność wiatraka (ηa, ηm). Moc wtedy będzie równa: Dla szybkobieżnego silnika wiatrowego można np. przyjąć ξt=0.593, ηa=0.64, ηm=0.8. Można też przekształcić ten wzór do następującej postaci: Możemy za jego pomocą obliczyć jaką powinien mieć średnicę silnik wiatrowy, aby uzyskał moc użyteczną N. 89 W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii... Praca mgr, 06.04 PP WBMiZ 90
Podobne dokumenty
Energetyka wiatrowa - dr Barzyk Consulting
tylko ich wybiórczą część. Atutem siłowni wiatrowych jest nie tylko brak emisji pyłów, ale równieŜ moŜliwość zapewnienia energii elektrycznej - bez konieczności budowy linii przesyłowych (m.in. pol...
Bardziej szczegółowoplik PDF 4,29MB
tylko ich wybiórczą część. Atutem siłowni wiatrowych jest nie tylko brak emisji pyłów, ale również możliwość zapewnienia energii elektrycznej - bez konieczności budowy linii przesyłowych (m.in. pol...
Bardziej szczegółowo