eos_03

Ćwiczenie 3
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. Opis siłowni wiatrowej
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, różnego rodzaju osprzętu elektrycznego,
oświetleniowego itp. Źródłem energii dla generatora jest wiatr działający na
odpowiednio ukształtowane łopatki wirnika siłowni. Do magazynowania energii
służą 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 bandażem. Wewnętrzna średnica wirnika przy piaście wynosi
130mm, co jest spowodowane koniecznością ukrycia przed wpływami atmosferycznymi 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 także 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 poniżej, na rys. 1 charakterystyką wytwórcy,
wiążącą wartość uzyskiwanego natężenia prąd z względną prędkością omywania
wirnika przez powietrze, może pracować przy wiatrach zmieniających się w granicach 3 do 20 m/s
1
prąd do akumulatora 12V [A]
6
5
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
prędkość względna wiatru [m/s]
Rys. 1. Charakterystyka siłowni Rutland 503 w układzie SI
Należy podkreślić, że powyższa charakterystyka nie obrazuje całej energii (za
energie uznajemy tu jej odpowiednik w postaci natężenia prądu) odbieranej od
przepływającego przez wirnik strumienia powietrza. Całkowita energia odebrana jest
tu pomniejszona o straty mechaniczne związane z tarciem w łożyskach i elektryczne
w prądniczce i w układzie prostowniczym.
3. Budowa stanowiska pomiarowego [1]
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 umożliwiającej
przemieszczanie siłowni w kierunku pionowym i jej obrót w płaszczyźnie pionowej.
Zmiana położenia siłowni względem podłogi tunelu daje możliwość „zanurzenia”
wirnika siłowni w warstwie przyściennej, a jej „kątowe” ustawienie względem
kierunku napływu umożliwia 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.
2
Wentylator
tunelu
Opornica
regulowana
Wirnik
siłowni
Czujnik
laserowy
Amperomierz
Woltomierz
cyfrowy
Miernik
obrotów
Manometr
pochylny
Rys. 2. Widok stanowiska pomiarowe do badania mocy modelowej
siłowni wiatrowej
3
C
Sonda
Pitota pd
V
Zasilacz
Opornica
Microlog CMVA60
Laser
A
Manometr pochylny
Rys. 3. Schemat układu pomiarowego
3.2. Opis aparatury pomiarowej
Jako przyrządów pomiarowych w obwodzie odbioru mocy wykorzyuje się:
multimetr cyfrowy 34401A firmy Hewlett Packard do pomiaru napięcia, i multimetr
analogowy C4354CHL4 do pomiaru natężenia 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 różnicy ciśnień z sondy Pitota będącej miarą prędkości czynnika na
wlocie do wirnika dokonuje się przy pomocy U-rurki pochylnej o przełożeniu 1:20.
4
Dodatkowo, w celu wyznaczenia gęstości powietrza niezbędnej do określenia
prędkości C, winny być mierzone:
• ciśnienie barometryczne pb
• temperatura otoczenia to
Pomiaru tych wielkości dokonuje się dwukrotnie przed i po zakończeniu serii
pomiarowej przyjmując do obliczeń ich średnią arytmetyczną.
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 umożliwia regulację oporu omowego a przez to
utrzymywanie na założonym poziomie napięcia U. Należy przyjąć poziom napięcia
12V zakładając, że przy takim napięciu winna pracować siłownia przeznaczona, z
założenia, do ładowania akumulatora ołowiowego 12 woltowego.
Pomiary wykonuje się przy ustalonej, z założenia 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
5
Tabela pomiarowa
Nr
wilgotność pow. φ
Data pomiaru
ciśnienie otoczenia
pbp
temperatura otoczenia
pbk
Parametry stałe
jedn.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
pc
mm
tok
h - wznios łopatki ponad podłogę tunelu
αpz - kąt odchylenia osi wirnika od osi tunelu
poziom
αpp - kąt odchylenia osi wirnika od osi tunelu
i - przełożenie manometru
pion
ps
mm
top
∆p
mm
ns
% obr
nw
obr/min.
6
I
mA
U
V
N
W
c
m/s
R
Ohm
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] – natężenie 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 napływu powietrza na wirnik siłowni określana jest zgodnie z
uproszczonym klasycznym wzorem
2lm ⋅ ρ m ⋅ g
C=
[m / s ]
ρ ⋅i
(3)
W którym
lm [mC2 H 5OH ] ≈ ps − pc = pd
jest odczytaną z manometru pochylnego wysokością słupka cieczy odpowiadającą
ciśnieniu dynamicznemu,
natomiast
g – przyspieszeniem ziemskim (g = 9,81 [m/s2])
ρ − gęstością powietrza [kg/m3]
ρ m– gęstością cieczy manometrycznej [kg/m3]
i – przełożeniem manometru
Podany wyżej ustalony zestaw danych pomiarowych i zależności obliczeniowych
pozwala na przedstawienie w odpowiedniej postaci charakterystyk siłowni.
7
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.
8