Temat: Pomiar charakterystyk modelowej siłowni wiatrowej

Ćwiczenie 7
Temat: Pomiar charakterystyk modelowej siłowni wiatrowej
1. Cel ćwiczenia
Szczegółowym zadaniem ćwiczenia jest wykonanie badań mających na celu
wyznaczenie charakterystyk siłowni tzn. związków między mocą oddawaną przez
siłownię i momentem na wale a prędkością wiatru (napływającego na wirnik siłowni
czynnika).
2. Konstrukcje siłowni wiatrowej
NajwaŜniejszym elementem siłowni jest wirnik przekształcający energię wiatru
w energię mechaniczną przekazywaną do generatora. Oprócz generatora w gondoli
(rys. 2.1) znajdują się takŜe przekładnia, urządzenia sterujące, układy smarowania,
chłodzenia, hamulec tarczowy itp. Osadzony na wale wolnoobrotowym wirnik
posiada zwykle trzy łopaty, wykonane ze wzmocnionego poliestrem włókna
szklanego. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością od 15 do 30 obrotów na
minutę. Prędkość ta zostaje następnie zwiększona przez przekładnię do 1500 obrotów
na minutę. Gondola i wirnik obracane są w kierunku wiatru przez silniki
i przekładnię zębatą znajdującą się na szczycie wieŜy, na której umieszczona jest
gondola. WieŜa jest stalowa, w kształcie rury, rzadziej o konstrukcji kratownicowej.
Budowa siłowni wiatrowych o niewielkich mocach jest znacznie prostsza. Nie
posiadają one na przykład mechanizmów ustawienia łopat, a ich konstrukcja
umoŜliwia wyłączenie elektrowni poprzez pionowe ustawienie wirnika.
Turbiny wiatrowe są wyposaŜone w układ kontroli, który pozwala uniknąć
mechanicznego uszkodzenia elektrowni i umoŜliwia jak najefektywniejsze
wykorzystywanie jej potencjału.
Rys. 2.1. Uproszczony schemat budowy siłowni wiatrowej.
1
3. Budowa stanowiska pomiarowego
W stanowisku pomiarowym wykorzystano, jako siłownię wiatrową model Rutland
503. Siłownia wiatrowa typu Rutland 503 [2] jest przeznaczona do zasilania prądem
stałym, za pośrednictwem akumulatorów, róŜnego rodzaju osprzętu elektrycznego,
oświetleniowego itp. Źródłem energii dla generatora jest wiatr działający na
odpowiednio ukształtowane łopatki wirnika siłowni. Do magazynowania energii
słuŜą bądź to akumulatory ołowiowe 12V lub zestawu połączonych szeregowo dwu
akumulatorów 6V.
Zasadniczym elementem siłowni jest wirnik wykonany w postaci jednolitej
wytłoczki z tworzywa plastycznego osadzony wciskowo na osi trójfazowej
prądniczki. Układ prostowniczy przekształca prąd trójfazowy w prąd stały.
Średnica zewnętrzna wirnika wynosi 510 mm a końce łopatek połączone są ze sobą
jednolitym bandaŜem. Wewnętrzna średnica wirnika przy piaście wynosi 130mm, co
jest spowodowane koniecznością ukrycia przed wpływami atmosfe-rycznymi
wspornikowego układu podparcia konstrukcji, prądniczki i układu prostowniczego.
Wskazanym przez wytwórcę przeznaczeniem siłowni jest stanowienie źródła energii
elektrycznej w turystyce jachtowej np. zasilanie oświetlenia awaryjnego
i aparatury pokładowej a takŜe w miejscach oddalonych od innych źródeł energii
elektrycznej takich jak stacje meteorologiczne, przekaźnikowe, tablice informacyjne
itp.
Za nominalne napięcie uzyskiwane podczas pracy siłowni wytwórca uznaje poziom
12V i zaleca by nie był on przekraczany.
Siłownia zgodnie z przytoczoną poniŜej, na rys. 1 charakterystyką wytwórcy,
wiąŜącą wartość uzyskiwanego natęŜenia prąd z względną prędkością omywania
wirnika przez powietrze, moŜe pracować przy wiatrach zmieniających się w granicach 3 do 20 m/s
2
prąd do akumulatora 12V [A]
6
5
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
prędkość względna wiatru [m/s]
Rys.3.1. Charakterystyka siłowni Rutland 503 w układzie SI
NaleŜy podkreślić, Ŝe powyŜsza charakterystyka nie obrazuje całej energii (za
energie uznajemy tu jej odpowiednik w postaci natęŜenia prądu) odbieranej od
przepływającego przez wirnik strumienia powietrza. Całkowita energia odebrana jest
tu pomniejszona o straty mechaniczne związane z tarciem w łoŜyskach i elektryczne
w prądniczce i w układzie prostowniczym.
3.1. Lokalizacja siłowni i sond pomiarowych wewnątrz tunelu
Siłownię wiatrową umieszczono w tunelu aerodynamicznym w końcowym jego
segmencie na specjalnie zaprojektowanej i wykonanej podstawie umoŜliwiającej
przemieszczanie siłowni w kierunku pionowym i jej obrót w płaszczyźnie pionowej.
Zmiana połoŜenia siłowni względem podłogi tunelu daje moŜliwość „zanurzenia”
wirnika siłowni w warstwie przyściennej, a jej „kątowe” ustawienie względem
kierunku napływu umoŜliwia określenie charakterystyki w warunkach
nienominalnych kierunków napływu wiatru.
Sondę Pitota ciśnienia dynamicznego zlokalizowano przed wirnikiem siłowni
w takiej odległości, by ślad aerodynamiczny za nią nie miał wpływu na pole
prędkości na wlocie do wirnika siłowni.
Zestaw aparatury pomiarowej i miejsce usytuowania siłowni w tunelu aerodynamicznym przedstawiono na fotografii – rys. 2, zaś schemat połączeń układów
pomiarowych; elektrycznego i pneumatycznego na rys. 3.
3
obrotomierz
Wentylator
tunelu
Opornica
regulowana
Amperomierz
Woltomierz
cyfrowy
Wirnik
siłowni
Miernik
obrotów
Rys. 3. 2. Widok stanowiska pomiarowe do badania mocy
modelowej
siłowni wiatrowej
4
Manometr
pochylny
C
Statyczna
rurka
Pitota pd
A
V
obrotomierz
Opornica
Manometr pochylny
Rys. 3.3. Schemat układu pomiarowego
3.2. Opis aparatury pomiarowej
Jako przyrządów pomiarowych w obwodzie odbioru mocy wykorzystuje się:
multimetr cyfrowy 34401A firmy Hewlett Packard do pomiaru napięcia, i multimetr
analogowy C4354CHL4 do pomiaru natęŜenia prądu.
Do pomiaru prędkości wirowania wiatraka siłowni wykorzystano dystansowy
miernik laserowy przeznaczony do pracy w układzie fali odbitej
z mikroprocesorowym czytnikiem Microlog CMVA60 f-my SKF.
Do pomiaru ciśnienia całkowitego i statycznego na wlocie do siłowni, wewnątrz
tunelu aerodynamicznego stosuje się sondę ciśnieniową Pitota ciśnienia
dynamicznego o średnicy czułki równej 8 mm.
Odczytu róŜnicy ciśnień z statycznej rurki Pitota będącej miarą prędkości czynnika
na wlocie do wirnika dokonuje się przy pomocy U-rurki pochylnej o przełoŜeniu
1:20.
5
Dodatkowo, w celu wyznaczenia gęstości powietrza niezbędnej do określenia
prędkości C, winny być mierzone:
• ciśnienie barometryczne pot
• temperatura otoczenia tot
4. Przebieg pomiarów i obliczeń
4.1 Wielkości zmienne
Wielkością zmienną w trakcie wyznaczania charakterystyki jest prędkość napływu
czynnika na wirnik siłowni, przy czym jej zmianę realizuje się poprzez zmianę
prędkości obrotowej silnika napędzającego wirnik wentylatora tunelu
aerodynamicznego.
Układ odbioru mocy umoŜliwia regulację oporu omowego a przez to utrzymywanie
na załoŜonym poziomie napięcia U. NaleŜy przyjąć poziom napięcia 12V zakładając,
Ŝe przy takim napięciu winna pracować siłownia przeznaczona, z załoŜenia, do
ładowania akumulatora ołowiowego 12 woltowego.
Pomiary wykonuje się przy ustalonej, z załoŜenia w czasie, prędkości napływu na
wirnik. Przetwarzana w prądnicy energia „wiatru” jest „wytracana” na opornicy
suwakowej o regulowanej oporności, przy zakresie regulacji oporu 5-45 Ohm.
Charakterystykę siłowni wyznacza się w funkcji prędkości napływu, przy czym
napięcie prądu w obwodzie utrzymuje się na stałym poziomie poprzez zmianę oporu
omowego.
Prędkość obrotową wirnika siłowni odczytuje się bezpośrednio z wyświetlacza
specjalizowanego mikrokomputera Microlog.
Ciśnienie powietrza w pomieszczeniu tunelowym odczytywano z barometru
aneroidowego a temperaturę z termometru rtęciowego.
Wyniki pomiaru wpisuje się do specjalnie przygotowanej tablicy. Wzór takiej tablicy
przedstawiono na następnej stronie instrukcji.
4.2 Tabela pomiarowa
6
Tabela pomiarowa
Nr
Data pomiaru
ciśnienie otoczenia
pot
temperatura otoczenia
tot
gęstość powietrza
p
gęstość cieczy
manometrycznej
m
Parametry stałe
lm
mm
jedn.
αpz - kąt odchylenia osi wirnika od osi tunelu
poziom
αpp - kąt odchylenia osi wirnika od osi tunelu
i - przełoŜenie manometru
pion
E
V
I
A
n
obr/min.
R
Ω
pd
Pa
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
7
C
m/s
ω
1/s
N
W
M
Nm
4.3. Opracowanie wyników pomiaru
Moc oddawaną przez prądniczkę siłowni określa się zgodnie ze związkiem:
N = U ⋅ I [W ]
(1)
gdzie:
U [V] - napięcie mierzone na opornicy
I [A] – natęŜenie prądu w obwodzie elektrycznym
Moment obrotowy wyznacza się wykorzystując moc i prędkość obrotową wirnika
siłowni
M = N / ω [ Nm ]
(2)
gdzie
N [W] – moc siłowni przy danej prędkości obrotowej,
ω
[1/s] - prędkość kątowa wirnika siłowni
Prędkość kątową wyznaczyć naleŜy z zaleŜności:
ω=
π ⋅n
30
gdzie:
n – obroty wiatraka [obr/min.]
Prędkość napływu powietrza na wirnik siłowni określana jest zgodnie z
uproszczonym klasycznym wzorem
C=
2 ⋅ lm ⋅ ρ m ⋅ g ⋅ i
ρ
[m / s]
gdzie:
lm- wysokość słupka cieczy manometrycznej
g – przyspieszeniem ziemskim (g = 9,81 [m/s2])
gęstością powietrza [kg/m3]
3
m– gęstością cieczy manometrycznej [kg/m ]
i – przełoŜeniem manometru
8
(3)
Podany wyŜej ustalony zestaw danych pomiarowych i zaleŜności obliczeniowych
pozwala na przedstawienie w odpowiedniej postaci charakterystyk siłowni.
Literatura
1. Raport wewnętrzny IMC nr 1/2002 „Stanowisko do badań z zakresu energetyki wiatrowej –
projekt wykonawczy”
2. Rutland 503 – Windcharger Owners Manual – Marlec Engineering Company Limited
England
9