I. Wyznaczenie prędkości rozruchowej trójpłatowej turbiny wiatrowej

Transkrypt

1 I. Wyznaczenie prędkości rozruchowej trójpłatowej turbiny wiatrowej Płyta główna Dmuchawa z regulacją napięcia (0-12V) Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o wyprofilowanych łopatkach, 25 o ) 2. Pomiary Rys.1. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania prędkości rozruchowej turbiny wiatrowej 1. Zmontuj układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys Ustawiając różne wartości napięcia U na zasilaczu dmuchawy obserwuj model siłowni wiatrowej. 3. Ustal prędkość wiatru, dla której siłownia wiatrowa zostaje uruchomiona, zanotuj tą wartość. 4. Wyłącz dmuchawę, usuń turbinę wiatrową oraz włącz ponownie dmuchawę. Dokonaj pomiaru prędkości podmuchu powietrza przy pomocy urządzenia do pomiaru prędkości wiatru, zachowując przy tym odpowiedni dystans.

2 II. Wyznaczanie zależność prędkości wiatru od napięcia pomiar napięcia Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12 V) Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o wyprofilowanych łopatkach, 25 ) Przewodowy x 2 Miernik napięcia 2. Pomiary Rys. 2.1 Schemat układu pomiarowego 1. Zmontuj układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys Dokonaj pomiarów napięcia wytwarzanego przez turbinę wiatrową dla różnych wartości napięcia zasilającego dmuchawę U 0. Zapisz wyniki pomiarów w tabeli U 0 [V] v [m/s] U gen [V] 3. Analiza wyników pomiarów 1. Sporządź wykres zależności napięcia generowanego przez turbinę od prędkości wiatru 2. Skomentuj otrzymane wyniki

3 III. Wyznaczanie zależność prędkości wiatru od mocy pomiar mocy Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12V) Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o wyprofilowanych łopatkach, 25 ) Moduł oporu elektrycznego (33 ) Przewody x 4 Miernik napięcia Miernik natężenia prądu 2. Pomiary Rys.3.1 Schemat układu pomiarowego 1. Podłącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys Ustawiając różne wartości napięcia U 0 na zasilaczu dmuchawy dokonaj pomiarów napięcia i prądu wytwarzanego przez turbinę wiatrową. 3. Dokonaj pomiaru prędkości wiatru przy pomocy urządzenia do pomiaru prędkości wiatru 4. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli U 0 [V] v [m/s] U gen [V] I gen [ma]

4 3. Analiza wyników pomiarów Informacja dodatkowa: W prawdziwych elektrowniach wiatrowych, w których łopatki wirnika są na stałe przymocowane do piasty, występuje w nich następująca zależność pomiędzy mocą turbiny a prędkością wiatru wirnika. 1. Oblicz moc elektryczną dla poszczególnych wartości U Sporządź wykres zależności mocy turbiny wiatrowej od prędkości wiatru. 2. Przeprowadź dyskusję otrzymanych wyników określ związki zachodzące pomiędzy mocą elektryczną wytwarzaną przez turbinę a prędkością wiatru. 3. Jakie wnioski można wyciągnąć z przeprowadzonej obserwacji w odniesieniu do funkcjonowania prawdziwych elektrowni wiatrowych ()?

5 IV. Porównanie prędkości rozruchowych turbiny rotorowej Savonius z turbiną trójpłatową Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12V) Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o wyprofilowanych łopatkach, 25 ) Turbina rotorowa Savoniusa z modułem generowania prądu 2. Pomiary Rys.4.1 Schemat układu pomiarowego

6 V. Zmiana napięcia wytwarzanego przez turbinę przy podłączeniu oporników Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12V) Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o wyprofilowanych łopatkach, 25 ) Zestaw oporników Przewody x 4 Miernik napięcia 2. Pomiar Rys.5.1 Schemat układu pomiarowego 1. Połącz układ bez podłączania modułu oporu elektrycznego. 2. Ustaw na zasilaczu napięcie 12 V oraz uruchom dmuchawę. Dokonaj pomiaru napięcia wytwarzanego przez generator prądu (U 0 ). 3. Podłącz moduł oporu elektrycznego do odpowiedniego gniazda (Rys.5.1) i dokonaj pomiaru napięcia, które powstaje przy podłączonym oporze (V obciążenie ) 3. Analiza wyników pomiarów 1. Oblicz różnicę wartości napięcia pomiędzy biegiem jałowym a biegiem pod obciążeniem powstającym poprzez podłączenie oporu elektrycznego. 2. Dlaczego w przypadku podłączenia opornika zmienia się napięcie? Wyjaśnij przyczynę tego zjawiska.

7 VI. Bilans energetyczny turbiny wiatrowej Bilans energetyczny stanowi porównanie energii kinetycznej powietrza (energii wiatru) przed wirnikiem z energią zużytą przez turbinę wiatrową. W celu jego ustalenia oblicza się iloraz faktycznie wykorzystanej przez turbinę mocy pędu powietrza i mocy wiatru przed wirnikiem. Współczynnik ε jest ilorazem tych wielkości. Wartość ta wskazuje, jaką część energii wiatru turbina jest w stanie faktycznie przemienić w energię elektryczną. Przy czym ε jest porównywalne ze współczynnikiem wydajności turbiny wiatrowej, który jest obliczany w inny sposób. Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12V) Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o wyprofilowanych łopatkach, 25 ) Moduł oporu elektrycznego (53 ) Przewody x 4 Miernik napięcia Miernik natężenia 2. Pomiar Rys.6.1 Schemat układ pomiarowego 1.Podłączyć generator wiatru i ustaw wartość na napięcia zasilającego 12 V. 2. Przy pomocy anemometru dokonaj pomiaru prędkości wiatru 3. Podłącz układ pomiarowy zgodnie z Rys Dokonaj pomiaru napięcia i natężenia dla wartości napięcia zasilającego generator wiatry ustawiony na 12V 4. Dodatkowo zmierz temperaturę powietrza w pomieszczeniu oraz średnicę wirnika turbiny wiatrowej d. 5. Pomiarów umieść w tabeli pomiarowej V wiatru [m/s] T [ o C] d [m] [kg/m 3 ] U [V] I [ma]

8 3. Analiza wyników pomiarów 1. Oblicz powierzchnię pracy wirnika oraz energię wiatru przed wirnikiem Powierzchnia pracy wirnika: Energia wiatru: ( ) 2. Na podstawie otrzymanych wartości oblicz moc znamionową turbiny wiatrowej 3. Oblicz iloraz rzeczywiście wykorzystanej przez turbinę mocy pędu powietrza i mocy wiatru przed wirnikiem 4. Energia wiatru nie została w pełni przetransformowana przez turbinę wiatrową. Co spowodowało utratę energii? W jakie formy energii została przemieniona energia wiatru?

9 VII. Wyznaczanie współczynnika wydajności turbiny wiatrowej Energia wiatru nie jest w pełni wykorzystywana przez turbinę wiatrową. Fizyk Albert Betz obliczył jaką maksymalną moc może osiągnąć turbina wiatrowa. Nazywa się ją idealną wartością Betz a (P idbetz ). Współczynnik ten zależy od siły wiatru i może być obliczony przy pomocy następującej formuły: Wartość C p = i jest taka sama dla wszystkich rodzajów turbin wiatrowych. Energia wiatru zależy natomiast od prędkości wiatru, powierzchni pracy wirnika oraz gęstości powietrza i może być obliczona przy pomocy następującego równania: ( ) Przy pomocy wartości mocy idealnej oraz ustalonej na postawie eksperymentu, można obliczyć współczynnik wydajności turbiny wiatrowej η Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12V) Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o wyprofilowanych łopatkach, 25 ) Moduł oporu elektrycznego (53 ) Przewody x 4 Miernik napięcia Miernik natężenia 2. Pomiar Rys.7.1 Schemat układ pomiarowego 1.Podłączyć generator wiatru i ustaw wartość na napięcia zasilającego 12 V. 2. Przy pomocy anemometru dokonaj pomiaru prędkości wiatru 3. Podłącz układ pomiarowy zgodnie z Rys Dokonaj pomiaru napięcia i natężenia dla wartości napięcia zasilającego generator wiatry ustawiony na 12V

10 4. Dodatkowo zmierz temperaturę powietrza w pomieszczeniu oraz średnicę wirnika turbiny wiatrowej d. 5. Pomiarów umieść w tabeli pomiarowej V wiatru [m/s] T [ o C] d [m] [kg/m 3 ] U [V] I [ma] 3. Analiza wyników pomiaru 1. Oblicz powierzchnię pracy wirnika 2. Na podstawie otrzymanych wartości oblicz moc znamionową turbiny wiatrowej 3. Oblicz współczynnik wydajności turbiny wiatrowej. 4. Sprawdź jak kształtują się współczynniki wydajności prawdziwych elektrowni wiatrowych oraz porównaj je z twoimi wynikami z przeprowadzonego eksperymentu. Opisz możliwe przyczyny odchyleń od tej wartości.

11 VII. Wyznaczanie napięcia wytwarzanego przez rotorową turbinę Savonius i turbinę trójpłatową Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12V) Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o wyprofilowanych łopatkach, 25 ) Turbina rotorowa Savoniusa Przewody x 2 Miernik napięcia 2. Pomiar Rys.8.1 Schemat układ pomiarowego 1. Podłączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys Włącz dmuchawę oraz zmierz napięcie generowane prze turbinę rotorową Savoniusa (U Savonius ) 3. Wyłącz dmuchawę, zdemontuj turbinę rotorową Savoniusa. Zamontuj wirnik trójpłatowy (szare oznaczenie). 4. Włącz dmuchawę i zmierz napięcie wirnika trójpłatowego (U 3-płat.) 5. Zanotuj wartości pomiarów oraz inne twoje obserwacje. 3. Analiza wyników pomiarów 1. Przeprowadź dokładniejszą analizę turbiny rotorowej Savoniusa. Spróbuj opisać zasadę działania tej turbiny oraz ją naszkicować. 2. Wyznacz różnicę napięć generowanych przez te dwa typy wirników modelowych? Wyjaśnij przyczyny zaobserwowanej różnicy napięć generowanych przez turbiny

12 XI. Wyznaczanie mocy wytwarzanej przez rotorową turbinę Savonius i turbinę trójpłatową Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12V) Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o wyprofilowanych łopatkach, 25 ) Turbina rotorowa Savoniusa Moduł oporu elektrycznego (33 ) Przewody x 4 Amperomierz Woltomierz 2. Pomiar Rys Podłącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys.9 dla turbiny rotorowej Savoniusa. 2. Zmierz napięcie i natężenie prądu generowane prze turbinę rotorową Savoniusa dla określonych w tabeli wartości napięcia zasilającego dmuchawę. 3. Włącz zasilacz dmuchawy, zdemontuj turbinę rotorową Savoniusa. Zamontuj wirnik trójpłatowy. 4. Przeprowadź analogiczny eksperyment z wirnikiem trójpłatowym (dla różnych napięć). 5. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli Trurbina Savoniusa U dmuchawy [V] v [m/s] U s [V] I s [ma] P s [W] U dmuchawy [V] Trurbina trójpłatowa v U 3 [m/s] [V] I 3 [ma] P 3 [W]

13 3. Analiza wyników pomiaru 1. Oblicz moc turbin dla określonych wartości napięcia zasilającego dmuchawy 2. Wykonaj wykres zależności mocy turbiny Soneniusa (3-płatowej) od prędkości v 3. Porównaj oba rodzaje wirników, uwzględniając przy tym następujące aspekty: formę / konstrukcję oś obrotu szybkość obracania się prędkość rozruchową moc znamionową 4. Podaj przyczyny rzadkiego stosowania turbin rotorowych Savoniusa do wytwarzania energii elektrycznej.

14 X. Wyznaczanie napięcia wytwarzanego przez turbinę w zależności od ilości łopatek wirnika Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12 V) Turbina wiatrowa (wirnik dwu, trój i czteropłatowy o wyprofilowanych łopatkach, 25 ) Przewody x 2 Woltomierz 2. Pomiar Uwaga! Poszczególne wirniki turbin wiatrowych potrzebują różnych okresów czasu do osiągnięcia stałej prędkości obwodowej i tym samym do generowania stałego napięcia. Dlatego też pomiar napięcia powinien być dokonany w sytuacji, gdy nie będzie ono już ulegać wahaniom. Rys.10.1 Schemat układu pomiarowego 1. Podłącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rys.10.1, podłączając turbinę z wirnikiem dwupłatowym. 2. Włącz dmuchawę zaczynając od najmniejszej wartości napięcia zasilającego 3. Wykonaj pomiar napięcia wytwarzanego przez turbinę wiatrową dla różnych Wartości napięcia dmuchaw. 4. Wyłącz dmuchawę. 5. pomiary powtórzyć dla turbin z wirnikiem trój i czteropłatowym. 6. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli. U dmuchawy [V] v [m/s] U 2 [V] U 3 [V] U 4 [V]

15 3. Analiza wyników pomiarów 1. Narysuj wykres napięcia generowanego przez turbiny od prędkości wiatru. 2. Wyznacz ilość łopatek wirnika, dla której zostaje osiągnięte najwyższe napięcie. 3. Określ zależność pomiędzy ilością łopatek wirnika a wytwarzanym napięciem. Przy zmianie prędkości wiatru zmienia się także wytwarzane przez turbinę napięcie. Uzasadnij na podstawie wyników przeprowadzonego eksperymentu celowość zastosowania w prawdziwych elektrowniach wiatrowych wirników trójpłatowych a nie dwu lub czteropłatowych

16 XI. Wpływ kierunku wiatru na wartość napięcia wytwarzanego przez turbinę 2. Pomiar Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12 V) Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o profilowanych łopatkach, 25 ) Przewody x 2 Woltomierz Podczas ustawiania kąta turbiny do kierunku wiatru należy patrzeć na skalę kątową prostopadle. Linia czarne 0 powinna być widoczna ponad białą linią szyny. UWAGA! Podczas przekręcania podstawy turbiny nie dotykać wirnika Niebezpieczeństwo powstania urazu! Podczas jej przekręcania należy wyłączyć dmuchawę. Rys Połącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rys Na początku ustaw kąt podstawy turbiny wiatrowej na Włącz dmuchawę oraz zmierz wytwarzane przez turbinę napięcie 4. Dokonaj pomiaru napięcia w zależności od kąta natarcia co Wyniki pomiarów zapisz w tabeli

17 3. Analiza wyników pomiarów 1. Wykonaj wykres zależności napięcia wytwarzanego przez turbinę od ką 2. Wartość cos α jest miarą powierzchni natarcia wiatru na turbinę (tak jak przedstawiono to na rysunku poniżej). Opisz zależność napięcia od kąta i powierzchni natarcia wiatru na turbinę. Kierunek wiatru oddziaływującego na łopatki wirnika turbiny wiatrowej ma duże znaczenie dla wartości wytwarzanego przez turbinę napięcia. Opisz, w jaki sposób można byłoby zmienić konstrukcję turbiny wiatrowej, aby wytwarzała zawsze możliwie maksymalne napięcie.

18 XII. Wpływ kierunku wiatru na wartość mocy wytwarzanej przez turbinę 2. Pomiar Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12 V) Turbina wiatrowa (wirnik trójpłatowy o profilowanych łopatkach, 25 ) Przewody x 2 Woltomierz Moduł oporu elektrycznego Amperomierz Podczas ustawiania kąta turbiny do kierunku wiatru należy patrzeć na skalę kątową prostopadle. Linia czarne 0 powinna być widoczna ponad białą linią szyny. UWAGA! Podczas przekręcania podstawy turbiny nie dotykać wirnika Niebezpieczeństwo powstania urazu! Podczas jej przekręcania należy wyłączyć dmuchawę Rys Połącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rys Na początku ustaw kąt podstawy turbiny wiatrowej na Włącz dmuchawę oraz zmierz napięcie i natężenie wytwarzane przez turbinę wiatrową 4. Dokonaj pomiaru napięcia i natężenia wytwarzanego przez turbinę w zależności od kąta natarcia co Wyniki pomiarów zapisz w tabeli

19 3. Analiza wyników pomiarów 1. Wykonaj wykres P( ) oraz P(cos ) 2. Wartość cos jest proporcjonalna do powierzchni, jaką tworzą obrazujące się łopatki wirnika. 3. Opisz zależność między mocą a kątem.

20 XIII. Wpływ kąta nachylenia łopatek wirnika na wartość prędkości i wartość wytwarzanej mocy 2. Pomiar Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12 V) Turbina wiatrowa (wirnik płatowy o profilowanych łopatkach, wszystkie kąty) Przewody x 4 Woltomierz Moduł oporu elektrycznego (regulowany) Amperomierz Anemometr 1. Podłącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys Załóż wirnik o trzech łopatkach i kącie nachylenia 20 na turbinę wiatrową oraz włącz dmuchawę. 3. Potencjometrem ustaw maksymalną wartość oporu elektrycznego (1k 100 ). Zmierz napięcie i natężenie turbiny. 4. Zmniejszaj napięcie co 0.2 V za pomocą potencjometru i dokonaj odczytu napięcia i natężenia prądu. Po każdej zmianie oporu odczekaj aż wartości natężenia i napięcia się ustabilizują. 5. Za każdym razem dokonaj również pomiaru prędkości obrotowej łopatek wirnika. 6. pomiaru powtórzyć dla pozostałych katów nachylenia łopatek (25, 30, 50 ) 7. Powtórz pomiary dla płaskich łopatek wirnika. 8. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli pomiarowej Przykładowa tabela =20 o Ilość obrotów U [V] I [ma] P [W]

21 3. Analiza wyników pomiarów 1. Sporządź wykres I(U) oraz P(U) 2. Wyznacz maksymalną moc wytwarzaną przez każdą z łopatek 3. Określ zależność między kątem nachylenia łopatek a prędkością kątową Optymalny profil = Płaskie łopatki U MPP [V] P MPP [W] D max

22 XIV. Wyznaczanie mocy i napięcia generowanego przez turbinę wiatrową w zależności od kształtu wirnika łopatek. 2. Pomiar Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12 V) Turbina wiatrowa (wirnik płatowy o profilowanych łopatkach, 25 o ) Przewody x 4 Woltomierz Moduł oporu elektrycznego (regulowany) Amperomierz Anemometr Rys Podłącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys Załóż wirnik o trzech łopatkach i kącie nachylenia 25 na turbinę wiatrową oraz włącz Dmuchawę (12V). 3. Potencjometrem ustaw maksymalną wartość oporu elektrycznego (1k 100 ). Zmierz napięcie i natężenie turbiny. 4. Zmniejszaj napięcie co 0.2 V za pomocą potencjometru i dokonaj odczytu napięcia i natężenia prądu. Po każdej zmianie oporu odczekaj aż wartości natężenia i napięcia się ustabilizują. 5. Za każdym razem dokonaj również pomiaru prędkości obrotowej łopatek wirnika. 6. Pomiary powtórzyć dla pozostałych łopatek o różnych profilach 7. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli pomiarowej

23 Przykładowa tabela kształt łopatki: Ilość obrotów U [V] I [ma] P [W] 3. Analiza wyników pomiarów 1. Sporządź wykres I(U) oraz P(U) 2. Wyznacz maksymalną moc wytwarzaną przez każdą z łopatek

24 XV. Charakterystyczna prądowo-napięciowa i wyznaczenie prędkość obrotowej turbiny wiatrowej 2. Pomiar Płyta główna Dmuchawa z zasilaczem (0-12 V) Turbina wiatrowa (wirnik płatowy o profilowanych łopatkach, 25 o ) Przewody x 4 Woltomierz Moduł oporu elektrycznego (regulowany) Amperomierz Anemometr Rys Podłącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys Załóż wirnik o trzech łopatkach i kącie nachylenia 25 na turbinę wiatrową oraz włącz Dmuchawę (12V). 3. Potencjometrem ustaw maksymalną wartość oporu elektrycznego (1k 100 ). Zmierz napięcie i natężenie turbiny. 4. Zmniejszaj napięcie co 0.2 V za pomocą potencjometru i dokonaj odczytu napięcia i natężenia prądu. Po każdej zmianie oporu odczekaj aż wartości natężenia i napięcia się ustabilizują. 5. Za każdym razem dokonaj również pomiaru prędkości obrotowej łopatek wirnika. 6. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli pomiarowej