BADANIA WIRNIKA TURBINY WIATRROWEJ O REGULOWANYM

BADANIA WIRNIKA TURBINY WIATRROWEJ O REGULOWANYM

BADANIA WIRNIKA TURBINY WIATRROWEJ O REGULOWANYM
POŁOŻENIU ŁOPAT ROBOCZYCH
Zbigniew Czyż, Zdzisław Kamiński
Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny,
Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych
Opiekun naukowy: Prof. dr hab. inż. Mirosław Wendeker
1. Wstęp
Ustawiczne zwiększanie się zużycia energii elektrycznej w gospodarstwach
domowych wpływa na rozwój tzw. małej wiatrowej energetyki autonomicznej.
W zastosowaniach tej klasy energetyki najlepiej sprawdzają się turbiny wiatrowe
o pionowej osi obrotu ze względu na ich cichą pracę, małą prędkość startową i dużą
efektywność niezależnie od kierunku wiatru. Efektywność przetwarzania energii
strumienia wiatru na prąd elektryczny związana jest z kilkoma czynnikami:
zastosowany wariant konstrukcyjny wirnika, jego podatność na podmuchy
wiatru, bezwładność układu, współczynnik wykorzystania energii wiatru,
zastosowana skrzynka biegów (lub jej brak), sprawność układu przeniesienia
napędu,
zastosowany w układzie generator, jego rodzaj, sprawność przemiany energii
mechanicznej wirnika na prąd elektryczny.
Turbozespół wiatrowy odbiera energię kinetyczną cząstek powietrza
przepływającego przez wirnik. Uderzając o łopaty zamienia swoją energię na ruch
obrotowy rotora. Daje to podstawę do oszacowania górnego pułapu mocy generowanej
przez turbinę wiatrową ze względu na moc strumienia wiatru napierającego na wirnik
turbiny. Korzystając z podstawowych zależności fizycznych na energię kinetyczną można
wyprowadzić wzór na moc strumienia wiatru przechodzącego przez powierzchnię
poprzeczną do jego kierunku.
1
PW
A
V3
2
gdzie: Pw – moc strumienia wiatru [W],
A– powierzchnia poprzeczna do jego kierunku wiatru [m2],
ρ – gęstość powietrza [kg/m3],
V– prędkość wiatru [m/s],
Moc teoretyczna turbiny wiatrowej opisana jest równaniem:
1
P
cp
A
V3
2
gdzie: cp – współczynnik mocy,
η- sprawność mechaniczna/elektryczna
Silnik wiatrowy, jakim jest turbina wiatrowa nie może przekształcić całej energii
wiatru na energię mechaniczną. Teoretycznie maksymalny współczynnik wykorzystania
energii wiatru przez wirnik wynosi około 0, 59 (wg wykresu Betza). Największą
sprawność uzyskuje się, gdy prędkość przepływu strumienia powietrza przez wirnik
wynosi V1=2/3 V zaś prędkość powietrza za wirnikiem V2=1/3 V. Wirnik generuje
różnego rodzaju straty aerodynamiczne wpływając tym samym na zmniejszenie ilości
energii możliwej do uzyskania pracy. Współczynnik wykorzystania energii wiatru jest
zatem mniejszy od teoretycznego i dla nowoczesnych turbin zawiera się w granicach
0,30–0,45 w zależności od konstrukcji i wielkości wirnika. Największe współczynniki
wykorzystania energii wiatru charakteryzują elektrownie wiatrowe o poziomej osi obrotu.
Dla analizowanego przypadku jest on mniejszy od 0,30.
Problemy badawcze na ogół dotyczą uzyskania jak największej sprawności układu
w zakresie optymalnych prędkości wiatru. Jednak istotnym zagadnieniem do rozważenia
jest wytrzymałość turbiny w warunkach dużej prędkości wiatru. Niezbędną wiedzę
dotyczącą zachowania się turbiny w granicznych stanach oraz możliwość kontroli jej
pracy można uzyskać dzięki badaniom tunelowym modeli urządzeń z zachowanymi
kryteriami podobieństwa.
2. Materiał i metody
Proponowana turbina składa się z czterech powierzchni nośnych, z których każda
posiada mechanizm zmiany ich kąta rozwarcia. Przyjmuje się docelowo, że kąt rozwarcia
będzie powiązany funkcjonalnie z prędkością wiatru tak, aby uzyskać stałą moc
w szerokim jej zakresie oraz uniknąć zniszczenia bądź wytężenia materiału przy ponad
granicznych wartościach wiatru.
Ryc. 1. Koncepcja turbiny wiatrowej ze zmiennym kątem rozwarcia powierzchni
roboczych
Ze względu na ograniczenia rozmiarów obiektu pomiarowego uwarunkowane
wymiarami gabarytowymi przestrzeni pomiarowej tunelu aerodynamicznego
postanowiono użyć wirniki stałe (bez zmiennego kąta rozwarcia powierzchni nośnych)
◦
◦
◦
◦
wytworzone w kilku wersjach odpowiednio dla kątów 0 , 30 , 60 , 90 . Na podstawie
nabytych doświadczeń przy konstruowaniu modelu demonstracyjnego stwierdzono, że do
wytworzenia tych wirników zostanie użyta drukarka proszkowa. Jest to uwarunkowane
m.in. kryteriami dokładności, estetyki oraz czasu wykonania.
Ryc. 2. Zespół turbiny wiatrowej użyty do badań w tunelu aerodynamicznym
Ryc. 3. Badane wirniki turbiny wiatrowej o kącie rozwarcia powierzchni roboczych
◦
◦
◦
◦
równym odpowiednio (od lewej) 90 , 60 , 30 , 0
Stanowisko badawcze (ryc. 4) składa się z uniwersalnego masztu 1, do którego
montowane są wymienne wirniki 3 przedstawione na ryc. 3. Część zewnętrzna masztu
została zamodelowana i wydrukowana na drukarce 3D, natomiast oś 2 jest stalowa
i ułożyskowana na łożyskach tocznych. Do osi (poniżej komory pomiarowej) został
sprzęgnięty silnik elektryczny M prądu stałego, pełniący funkcję prądnicy. Przy
obciążeniu danym rezystorem w zależności od prędkości wiatru odczytywane są natężenie
i napięcie prądu.
3
1
2
A
M
V
Ryc. 4. Schemat układu obciążającego turbinę wiatrową
Podstawowym
narzędziem
aerodynamiki
doświadczalnej
jest
tunel
aerodynamiczny (ryc. 5). Wyposażony w specjalistyczne układy pomiarowe, w zależności
od przeznaczenia pozwala przenosić wyniki badań modelowych na obiekty naturalne
z uwzględnieniem kryteriów podobieństwa i odpowiednich współczynników
korekcyjnych. Do badań wykorzystano tunel o obiegu otwartym z zamkniętą przestrzenią
pomiarową – GUNT model HM 170. Taki układ powoduje ograniczenia ze względu na
interferencję ze ściankami tunelu oraz poziomy gradient ciśnienia dp/dx. Z kolei zaletą
jest zmniejszona pulsacja ciśnienia oraz mniejsze opory przepływu. Podstawowe dane
techniczne przedstawiono w tab. 1.
Ryc. 5. Układ konstrukcyjny tunelu: 1 – wlot, 2 – prostownica strug powietrza,
3 – konfuzor, 4 – komora pomiarowa, 5 – badany obiekt, 6 – waga, 7 – układ pomiaru sił,
8 – dyfuzor, 9 – panel obsługi, 10 – układ odczytu prędkości, 11 wentylator
Tab. 1. Dane techniczne tunelu aerodynamicznego GUNT model HM 170
Nazwa parametru lub właściwości technicznej
Wartość parametru
Przekrój poprzeczny komory badawczej
(szerokość x wysokość)
Długość
Maksymalna prędkość strugi powietrza
Różnica ciśnień
Maksymalny przepływ objętościowy
Moc silnika elektrycznego
Maksymalna prędkość obrotowa wentylatora
Zasięg pomiaru sił
Zasięg pomiaru ciśnień
292x292 mm
450 mm
28 m/s
500 Pa
9000 m³/h
2.25 kW
2850 obr/min
0...5 N i 0...10 N
0...500 Pa
Plan badań turbiny wiatrowej obejmował cztery komplety łopat z kątem rozwarcia
równym 0◦, 30◦, 60◦, 90◦. Pomiary przeprowadzono w 20 punktach pomiarowych
w zakresie prędkości wiatru V = 4,5 ÷ 10. Opracowane stanowisko hamowniane (ryc. 6)
umożliwiło odczyt prędkości wiatru, prędkości obrotowej wirnika oraz mocy generowanej
przez prądnicę.
Ryc. 6. Stanowisko do badań turbiny wiatrowej w tunelu aerodynamicznym: 1 -wlot do
tunelu (konfuzor), 2 - przestrzeń pomiarowa z zamontowaną turbiną, 3 - zasilacz, 4 regulator prędkości wiatru, 5 - multimetr do pomiaru napięcia, 6 -wyświetlacz prędkości
3. Wyniki
Na ryc. 7 i 8 przedstawiono wyniki badań mocy oraz prędkości obrotowych
testowanych wirników.
Ryc. 7. Charakterystyka prędkości obrotowej turbiny w funkcji prędkości wiatru dla
różnych wartości kąta rozwarcia powierzchni roboczych
Ryc. 8. Charakterystyka mocy turbiny w funkcji prędkości wiatru dla różnych wartości
kąta rozwarcia powierzchni roboczych
4. Dyskusja
Wirnik o regulowanym położeniu łopat umożliwia regulację mocy turbiny
w szerokim zakresie wartości prędkości obrotowej wału głównego turbiny, w zależności
od wartości prędkości i kierunku wiatru. Nie dopuszcza do zniszczenia elementów
składowych turbiny oraz nie pozwala na wytężenie materiałów, z których jest ona
wykonana, w przypadku oddziaływania wiatru, o co najmniej granicznej wartości jego
prędkości przepływu. Umożliwia on regulacje mocy turbiny bądź utrzymywanie jej na
ustalonym (założonym) poziomie w szerokim zakresie prędkości wiatru. Wirnik
o regulowanym położeniu łopat roboczych nie wymaga jak w przypadku większości
klasycznych turbin wiatrowych modyfikacji ustawiania części roboczych względem
kierunku napływającego wiatru.
5. Wnioski
Zastosowanie zmiennego kąta rozwarcia powierzchni roboczych turbiny wiatrowej
umożliwia kontrolę jej prędkości obrotowej a w konsekwencji kontrolę nad generowaną
mocą. Zmniejszenie kąta rozwarcia powierzchni roboczych z 90 ◦ do 60◦ powoduje
zmniejszenie prędkości obrotowej średnio o 60% w początkowym zakresie badanej
prędkości oraz o 32 % w końcowym zakresie prędkości obrotowej. Przy zastosowanym
generatorze prądu wiąże się to ze zmniejszeniem mocy elektrycznej o 78%
w początkowym zakresie badanej prędkości oraz o 48% w końcowym zakresie. Jeżeli
łopaty wirnika zostaną złożone do 30◦ to w odniesieniu do kąta rozwarcia 60◦ nastąpi
całkowite zatrzymanie wirnika w początkowym zakresie badanej prędkości wiatru (wtedy
moc generowana równa jest 0) oraz zmniejszenie o 46 % prędkości obrotowej
w końcowym zakresie prędkości wiatru odpowiadające spadkowi mocy o 48%.
6. Literatura
Jagodziński W. 1959 Silniki wiatrowe. PWT, Warszawa.
Wood D. 2011. Small wind Turbines- Analysis, design and Application, Springer- Verlag
London Limited.