Praca dyplomowa - Politechnika Poznańska

Komentarze

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
ƒ
polityka dotycząca zmian klimatycznych oraz przepisy ochrony środowiska, np. z
zakresu lokalnego zanieczyszczenia powietrza(chodzi tutaj głównie o emisję
szkodliwych związków chemicznych do atmosfery),
ƒ planowanie rozwoju gospodarczego i regionalnego,
ƒ 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:
ƒ
praca dla sieci elektroenergetycznych,
ƒ
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

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 szczegółowo

plik PDF 4,29MB

plik 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