Temat: Pomiar charakterystyk modelowej siłowni wiatrowej

Transkrypt

1 Ćwiczenie 7 Temat: Pomiar charakterystyk modelowej siłowni wiatrowej 1. Cel ćwiczenia Szczegółowym zadaniem ćwiczenia jest wykonanie badań mających na celu wyznaczenie charakterystyk siłowni tzn. związków między mocą oddawaną przez siłownię i momentem na wale a prędkością wiatru (napływającego na wirnik siłowni czynnika). 2. Konstrukcje siłowni wiatrowej NajwaŜniejszym elementem siłowni jest wirnik przekształcający energię wiatru w energię mechaniczną przekazywaną do generatora. Oprócz generatora w gondoli (rys. 2.1) znajdują się takŝe przekładnia, urządzenia sterujące, układy smarowania, chłodzenia, hamulec tarczowy itp. Osadzony na wale wolnoobrotowym wirnik posiada zwykle trzy łopaty, wykonane ze wzmocnionego poliestrem włókna szklanego. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością od 15 do 30 obrotów na minutę. Prędkość ta zostaje następnie zwiększona przez przekładnię do 1500 obrotów na minutę. Gondola i wirnik obracane są w kierunku wiatru przez silniki i przekładnię zębatą znajdującą się na szczycie wieŝy, na której umieszczona jest gondola. WieŜa jest stalowa, w kształcie rury, rzadziej o konstrukcji kratownicowej. Budowa siłowni wiatrowych o niewielkich mocach jest znacznie prostsza. Nie posiadają one na przykład mechanizmów ustawienia łopat, a ich konstrukcja umoŝliwia wyłączenie elektrowni poprzez pionowe ustawienie wirnika. Turbiny wiatrowe są wyposaŝone w układ kontroli, który pozwala uniknąć mechanicznego uszkodzenia elektrowni i umoŝliwia jak najefektywniejsze wykorzystywanie jej potencjału. Rys Uproszczony schemat budowy siłowni wiatrowej. 1

2 3. Budowa stanowiska pomiarowego W stanowisku pomiarowym wykorzystano, jako siłownię wiatrową model Rutland 503. Siłownia wiatrowa typu Rutland 503 [2] jest przeznaczona do zasilania prądem stałym, za pośrednictwem akumulatorów, róŝnego rodzaju osprzętu elektrycznego, oświetleniowego itp. Źródłem energii dla generatora jest wiatr działający na odpowiednio ukształtowane łopatki wirnika siłowni. Do magazynowania energii słuŝą bądź to akumulatory ołowiowe 12V lub zestawu połączonych szeregowo dwu akumulatorów 6V. Zasadniczym elementem siłowni jest wirnik wykonany w postaci jednolitej wytłoczki z tworzywa plastycznego osadzony wciskowo na osi trójfazowej prądniczki. Układ prostowniczy przekształca prąd trójfazowy w prąd stały. Średnica zewnętrzna wirnika wynosi 510 mm a końce łopatek połączone są ze sobą jednolitym bandaŝem. Wewnętrzna średnica wirnika przy piaście wynosi 130mm, co jest spowodowane koniecznością ukrycia przed wpływami atmosfe-rycznymi wspornikowego układu podparcia konstrukcji, prądniczki i układu prostowniczego. Wskazanym przez wytwórcę przeznaczeniem siłowni jest stanowienie źródła energii elektrycznej w turystyce jachtowej np. zasilanie oświetlenia awaryjnego i aparatury pokładowej a takŝe w miejscach oddalonych od innych źródeł energii elektrycznej takich jak stacje meteorologiczne, przekaźnikowe, tablice informacyjne itp. Za nominalne napięcie uzyskiwane podczas pracy siłowni wytwórca uznaje poziom 12V i zaleca by nie był on przekraczany. Siłownia zgodnie z przytoczoną poniŝej, na rys. 1 charakterystyką wytwórcy, wiąŝącą wartość uzyskiwanego natęŝenia prąd z względną prędkością omywania wirnika przez powietrze, moŝe pracować przy wiatrach zmieniających się w granicach 3 do 20 m/s 2

3 prąd do akumulatora 12V [A] prędkość względna wiatru [m/s] Rys.3.1. Charakterystyka siłowni Rutland 503 w układzie SI NaleŜy podkreślić, Ŝe powyŝsza charakterystyka nie obrazuje całej energii (za energie uznajemy tu jej odpowiednik w postaci natęŝenia prądu) odbieranej od przepływającego przez wirnik strumienia powietrza. Całkowita energia odebrana jest tu pomniejszona o straty mechaniczne związane z tarciem w łoŝyskach i elektryczne w prądniczce i w układzie prostowniczym Lokalizacja siłowni i sond pomiarowych wewnątrz tunelu Siłownię wiatrową umieszczono w tunelu aerodynamicznym w końcowym jego segmencie na specjalnie zaprojektowanej i wykonanej podstawie umoŝliwiającej przemieszczanie siłowni w kierunku pionowym i jej obrót w płaszczyźnie pionowej. Zmiana połoŝenia siłowni względem podłogi tunelu daje moŝliwość zanurzenia wirnika siłowni w warstwie przyściennej, a jej kątowe ustawienie względem kierunku napływu umoŝliwia określenie charakterystyki w warunkach nienominalnych kierunków napływu wiatru. Sondę Pitota ciśnienia dynamicznego zlokalizowano przed wirnikiem siłowni w takiej odległości, by ślad aerodynamiczny za nią nie miał wpływu na pole prędkości na wlocie do wirnika siłowni. Zestaw aparatury pomiarowej i miejsce usytuowania siłowni w tunelu aerodynamicznym przedstawiono na fotografii rys. 2, zaś schemat połączeń układów pomiarowych; elektrycznego i pneumatycznego na rys. 3. 3

4 Wentylator tunelu obrotomierz Wirnik siłowni Opornica regulowana Amperomierz Woltomierz cyfrowy Miernik obrotów Manometr pochylny Rys Widok stanowiska pomiarowe do badania mocy modelowej siłowni wiatrowej 4

5 C Statyczna rurka Pitota p d A V obrotomierz Opornica Manometr pochylny Rys Schemat układu pomiarowego 3.2. Opis aparatury pomiarowej Jako przyrządów pomiarowych w obwodzie odbioru mocy wykorzystuje się: multimetr cyfrowy 34401A firmy Hewlett Packard do pomiaru napięcia, i multimetr analogowy C4354CHL4 do pomiaru natęŝenia prądu. Do pomiaru prędkości wirowania wiatraka siłowni wykorzystano dystansowy miernik laserowy przeznaczony do pracy w układzie fali odbitej z mikroprocesorowym czytnikiem Microlog CMVA60 f-my SKF. Do pomiaru ciśnienia całkowitego i statycznego na wlocie do siłowni, wewnątrz tunelu aerodynamicznego stosuje się sondę ciśnieniową Pitota ciśnienia dynamicznego o średnicy czułki równej 8 mm. Odczytu róŝnicy ciśnień z statycznej rurki Pitota będącej miarą prędkości czynnika na wlocie do wirnika dokonuje się przy pomocy U-rurki pochylnej o przełoŝeniu 1:20. 5

6 Dodatkowo, w celu wyznaczenia gęstości powietrza niezbędnej do określenia prędkości C, winny być mierzone: ciśnienie barometryczne p ot temperatura otoczenia t ot 4. Przebieg pomiarów i obliczeń 4.1 Wielkości zmienne Wielkością zmienną w trakcie wyznaczania charakterystyki jest prędkość napływu czynnika na wirnik siłowni, przy czym jej zmianę realizuje się poprzez zmianę prędkości obrotowej silnika napędzającego wirnik wentylatora tunelu aerodynamicznego. Układ odbioru mocy umoŝliwia regulację oporu omowego a przez to utrzymywanie na załoŝonym poziomie napięcia U. NaleŜy przyjąć poziom napięcia 12V zakładając, Ŝe przy takim napięciu winna pracować siłownia przeznaczona, z załoŝenia, do ładowania akumulatora ołowiowego 12 woltowego. Pomiary wykonuje się przy ustalonej, z załoŝenia w czasie, prędkości napływu na wirnik. Przetwarzana w prądnicy energia wiatru jest wytracana na opornicy suwakowej o regulowanej oporności, przy zakresie regulacji oporu 5-45 Ohm. Charakterystykę siłowni wyznacza się w funkcji prędkości napływu, przy czym napięcie prądu w obwodzie utrzymuje się na stałym poziomie poprzez zmianę oporu omowego. Prędkość obrotową wirnika siłowni odczytuje się bezpośrednio z wyświetlacza specjalizowanego mikrokomputera Microlog. Ciśnienie powietrza w pomieszczeniu tunelowym odczytywano z barometru aneroidowego a temperaturę z termometru rtęciowego. Wyniki pomiaru wpisuje się do specjalnie przygotowanej tablicy. Wzór takiej tablicy przedstawiono na następnej stronie instrukcji. 4.2 Tabela pomiarowa 6

7 Tabela pomiarowa Nr Data pomiaru ciśnienie otoczenia p ot temperatura otoczenia t ot gęstość powietrza p gęstość cieczy m manometrycznej Parametry stałe α pz - kąt odchylenia osi wirnika od osi tunelu poziom α pp - kąt odchylenia osi wirnika od osi tunelu pion i - przełoŝenie manometru l m E I n R p d C ω N M jedn. mm V A obr/min. Ω Pa m/s 1/s W Nm

8 4.3. Opracowanie wyników pomiaru Moc oddawaną przez prądniczkę siłowni określa się zgodnie ze związkiem: gdzie: N = U I [W ] (1) U [V] - napięcie mierzone na opornicy I [A] natęŝenie prądu w obwodzie elektrycznym Moment obrotowy wyznacza się wykorzystując moc i prędkość obrotową wirnika siłowni gdzie M = N / ω[ Nm] (2) N [W] moc siłowni przy danej prędkości obrotowej, ω [1/s] - prędkość kątowa wirnika siłowni Prędkość kątową wyznaczyć naleŝy z zaleŝności: gdzie: n obroty wiatraka [obr/min.] n ω = π 30 Prędkość napływu powietrza na wirnik siłowni określana jest zgodnie z uproszczonym klasycznym wzorem C = 2 l m ρ ρ m g i [ m / s] (3) gdzie: l m - wysokość słupka cieczy manometrycznej g przyspieszeniem ziemskim (g = 9,81 [m/s 2 ]) gęstością powietrza [kg/m 3 ] m gęstością cieczy manometrycznej [kg/m 3 ] i przełoŝeniem manometru 8

9 Podany wyŝej ustalony zestaw danych pomiarowych i zaleŝności obliczeniowych pozwala na przedstawienie w odpowiedniej postaci charakterystyk siłowni. Literatura 1. Raport wewnętrzny IMC nr 1/2002 Stanowisko do badań z zakresu energetyki wiatrowej projekt wykonawczy 2. Rutland 503 Windcharger Owners Manual Marlec Engineering Company Limited England 9