Badanie pionowych turbin wiatrowych w aspekcie zastosowań militarnych

Transkrypt

1 MALECZEK Stanislaw 1 MALICKI Wojciech 1 CEBRAT Andrzej 2 Badanie pionowych turbin wiatrowych w aspekcie zastosowań militarnych WSTĘP Alternatywne źródła energii stają się obecnie coraz bardziej istotnym elementem systemów zasilania, nabierającym szczególnego znaczenia w czasie obecnego kryzysu energetycznego. Coraz częściej do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystywana jest energia wiatru, która powstaje dzięki różnicy temperatur mas powietrza spowodowanej nierównomiernym nagrzewaniem się powierzchni ziemi. Metoda ta jest znana od wielu lat, a turbiny wiatrowe możemy spotkać w różnych zastosowaniach cywilnych i specjalnych. Niestety nie jest jeszcze ona praktycznie wykorzystywana w Siłach Zbrojnych RP. Niniejszy artykuł jest próbą zmiany tej sytuacji poprzez wskazanie możliwych zastosowań militarnych pionowych turbin wiatrowych. 1 ENERGIA WIATRU [2] Siła i kierunek wiatru są złożonymi funkcjami bardzo wielu zmiennych związanych ze zjawiskami zachodzącymi na powierzchni ziemi, w wodzie i atmosferze. Masa 1m 3 suchego powietrza o temperaturze 20 C na poziomie morza wynosi około 1,2 kg, a jego energia kinetyczna wyrażona jest iloczynem masy i kwadratu jego prędkości. Dla 20 C można przyjąć uproszczony wzór: E k = 0.6*t*S *v 3 (1) (gdzie S to powierzchnia, t- czas, a v - prędkość wiatru) Wielkość mocy wiatru przypadająca na 1m 2 podana jest w tabeli poniżej. Tab. 1.Wielkość mocy wiatru przypadająca na 1m2 Prędkość [m/s] Moc [W] Bardziej obrazowe, dla przedstawienia energii wiatru, jest posłużenie się skalą Beauforta. Opisy zawarte w tabeli ukazują zjawiska, które występują przy określonych prędkościach wiatru. 1 Wojskowy Instytut Techniki Inżynieryjnej Wrocław 43, ul. Obornicka 2 SolTech Service - Telcom Wrocław 43, Al. LudomiraRóżyckiego 1c 7032

2 Rys. 1. Opis zjawisk pogodowych dla określonych prędkości wiatru w skali Beauforta [8] 2 TURBINY WIATROWE O PIONOWEJ OSI [1] [3] [6] Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu nie są powszechnie stosowane. Ich rozwój następował zdecydowanie wolniej niż turbin o poziomej osi, co wynikało głównie z mniejszej sprawności. Jednak ze względu na bezsporne zalety polegające na tym, że nie wymagają układu naprowadzania na kierunek wiatru, cichą pracę (nawet przy maksymalnej prędkości obrotowej), odporność na silny wiatr, odporność w warunkach zimowych na pokrycie szadzią, szronem czy lepkim śniegiem, niską prędkość obrotową zapewniającą bezpieczeństwo obsługi oraz to, że mogą być montowane na bezpośrednio na obiektach (nie wymagają masztów),znajdują zastosowanie w nowych obszarach takich jak: telemetria, żeglarstwo, turystyka itp.po mimo tego stanowią obecnie zaledwie niewielki procent wszystkich turbin wiatrowych. Najbardziej znane turbiny wiatrowe o pionowej osi to: turbiny Darrieusa i Savoniusa. Ta ostatnia będzie przedmiotem niniejszego artykułu. Turbina Savoniusa charakteryzuje się względnie prostą i zwartą konstrukcją, która może zawierać w jednej kompaktowej obudowie układy przeniesienia napędu oraz generator prądu, co szczególnie predysponuje ją do zastosowań specjalnych. Jest odporna na silny wiatr i zmienne warunki atmosferyczne a ponadto praca jej jest bardzo cicha. Poglądowy widok turbiny Savoniusa jest przedstawiony na rysunku 2. Rys. 2.Turbina Savoniusa a) schemat poglądowy budowy wirnika b) zasada działania [7] 7033

3 3 PIONOWE TURBINY WIATROWE FIRMY LEADING EDGE [5] W wyniku przeprowadzenia wstępnych analiz znajdujących się na rynku turbin wiatrowych do zastosowań militarnych, wybrana została ze względu na jakość wykonania, turbina: LE-V50 produkowana przez firmę LeadingEdge. Turbina ta pokazana jest na fotografii 1. Fot.1.Turbina wiatrowa LE-V50 [5] Parametry techniczne turbiny LE-V50: Średnica rotora mm, Wysokość rotora mm, Typ rotora trójłopatkowy, Materiał aluminium, Moc wyjściowa przy wietrze 8 m/s - 12 W, Szczytowa moc wyjściowa - 70W, Minimalna prędkość wiatru - 4 m/s, Masa - 9 kg, Napięcie wyjściowe - 12 V lub 24 V. 4 BADANIA TURBINY LE-V50 Przedstawione w artykule badania (faza wstępna) zostały ograniczone tylko do pomiarów mocy, ponieważ jest to jeden z najbardziej istotnych parametrów warunkujących wykorzystanie turbin w technice wojskowej. Badania zostały przeprowadzone w laboratorium WITI z wykorzystaniem następującej aparatury: Źródło wiatru - dmuchawa Miernik prędkości wiatru - Anemometr TESTO Obciążenie - ARRAY 3711A DC; V/360 W Wyniki badań mocy turbiny w funkcji prędkości strumienia powietrza[5], przedstawia tabela 2. Tab. 2.Wyniki badań mocy turbiny w funkcji prędkości strumienia powietrza Prędkość wiatru [m/s] Moc wyjściowa [W] Wykres na rysunku 3 przedstawia moc turbiny w funkcji prędkości strumienia powietrza. (badania wykonane przez producenta). 7034

4 Rys.3. Moc turbiny w funkcji prędkości wiatru Tabela 3 przedstawia wyniki badań mocy i napięcia wyjściowego w funkcji zmiany obciążenia (badania wykonane w WITI) Tab. 3.Wyniki badań mocy turbiny w funkcji zmian obciążenia Napięcie wyjściowe [V] 34,7 34,1 33,4 32,7 31,8 30,1 29,5 28,0 24,0 19,8 Rezystancja obciążenia [Ω] 35,0 32,5 30,0 27,5 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 Moc wyjściowa [W] 34,4 35,8 37,2 38,9 40,4 42,3 43,5 44,8 38,4 31,4 Wykres na rysunku 4 obrazuje przebieg funkcji mocy turbiny w zależności od obciążenia przy stałej prędkości wiatru 20 m/s. Rys.4.Moc i napięcie wyjściowe turbiny w funkcji rezystancji obciążenia Przedmiotem badań byłafabrycznie nowa turbina LE-V50. W WITI uzyskano wynikpomiaru mocy przy prędkości wiatru 20 m/s nieco niższy od deklarowanej przez producenta, jednakmogło mieć na to wpływ zastosowanie innej aparatury badawczej, mało liczna próbka pomiarowa oraz sam sposób pomiaru. Analizując otrzymane wyniki należy stwierdzić, że. realne możliwości wykorzystania turbiny występują przy silnym wietrze powyżej 10 m/s, występuje maksimum mocy przy zmianie wielkości obciążenia dla zadanej prędkości wiatru, co sugeruje zastosowanie układów dopasowujących - podobnie jak w systemach fotowoltaicznych, wysokie napięcie biegu jałowego (przy dużej prędkości wiatru) wymusza zastosowanie układów zabezpieczających, możliwa jest praca pozioma turbiny (wymagane naprowadzenie na kierunek wiatru), ze względów bezpieczeństwa istotne jest zastosowanie siatkowej osłony rotora. 7035

5 W perspektywie planuje się wykonanie badań środowiskowych oraz wpływu narażeń mechanicznych, które pozwolą na określenie trwałości turbiny w warunkach bojowych. Wydaje się jednak, że badany egzemplarz przeznaczony do pracy na morzu powinien spełnić normy militarne. Fotografia 2 przedstawia widok stanowiska pomiarowego zestawionego do wykonania badań. Fot.2.Zestaw pomiarowy w laboratorium WITI 5 PRZEWIDYWANE ZASTOSOWANIE PIONOWYCH TURBIN WIATROWYCH W WOJSKU Mając na uwadze względy bezpieczeństwa, które są bardzo istotne na polu działań żołnierzy, wydaje się że w technice wojskowej powinny znaleźć zastosowanie przede wszystkim turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu. Przewidywać można zatem wykorzystanie ich w: poligonowych systemach zasilania, obiektach pływających, systemach łączności jako uzupełniające źródło zasilania, systemach hybrydowych. Przykładem wykorzystania turbin wiatrowych w Siłach Zbrojnych RP może być koncepcja, w której celowe jest zastosowanie pionowej turbiny jako elementu uzupełniającego w elektrowni fotowoltaicznej oraz w fotowoltaicznym systemie zasilania filtru oczyszczania wody. Oba te projekty zostały zrealizowane w Wojskowym Instytucie Techniki Inżynieryjnej i podczas prac koncepcyjnych przewidziano w nich, jako opcję dodatkową wyposażenie układów zasilania w turbinę wiatrową. Fotografia 3 przedstawia opracowany w WITI filtr wody z fotowoltaicznym systemem zasilania. Fot.3.Filtr wody z zasilaniem fotowoltaicznym 7036

6 Na fotografii 4 pokazano elektrownię fotowoltaiczną o mocy 1000W, którą można uzupełnić o dodatkowe źródło energii elektrycznej w postaci turbiny wiatrowejlub zestawu złożonego z wielu turbin. Fot.4.Polowa elektrownia fotowoltaiczna [4] Na rysunku 5 pokazano koncepcję wykorzystania turbiny wiatrowej jako dodatkowego źródła energii elektrycznej w systemie elektrowni fotowoltaicznej. Rys.5.Koncepcja elektrowni fotowoltaicznej wyposażonej w turbinę wiatrową [4] 7037

7 WNIOSKI W wyniku przeprowadzonej analizy należy stwierdzić, że jest celowe i możliwe zastosowanie pionowych turbin wiatrowych w Siłach Zbrojnych RP. Jest to szczególnie istotne w związku z wprowadzaniem w wojsku oszczędnych technologii. Opinia ta jest zgodna z dokumentem Priorytetowe kierunki badań w resorcie obrony narodowej na lata w zakresie przełomowych technologii. Potwierdzają to również wyniki analiz i badań.należy mieć jednak na względzie to, że turbiny wiatrowe mogą stanowić uzupełniające źródło zasilania. Według naszych przewidywań wybrane rozwiązania powinny znaleźć zastosowanie podczas działań nie tylko na obszarach na których występują silne wiatry lub niewyposażonych w bogatą strukturę sieci energetycznych, ale także w każdej sytuacji gdzie zależy nam na jak najdłuższym przetrwaniu na polu walki (dotyczy to zarówno pojedynczego żołnierza jak i systemów załogowych oraz bezzałogowych). Nie ulega wątpliwości, że w obszarze energetyki potencjał aplikacyjny przedkładanej koncepcji jest w zasadzie nieograniczony. Konkludując, posiadanie technologii aplikacji turbin wiatrowych powoduje zwiększenie zainteresowania na produkcję tego typu elementów jak również zwiększenie ilości konsumentów i to nie tylko w zakresie produkcji specjalnej ale również powszechnego użytku a także pozwoli na uzyskanie przez armię dodatkowego uzupełniającego systemu zasilania.. Streszczenie W niniejszym artykule przedstawiono wstępne badania pionowej turbiny wiatrowej Savoniusa, przeznaczonej do sprzętu pływającego, typu LE-V50 produkowanej przez firmę LeadingEdge. Badania przeprowadzono w celu wykonania analizy potencjalnego zastosowania tego typu turbin w sprzęcie wojskowym i specjalnego przeznaczenia. Pierwsza część artykułu (teoretyczna) wprowadza w specyfikę energii wiatru oraz jego energię a także omawia zasadę działania turbiny Savoniusa. Następnie w oparciu o badania producenta oraz własne wyniki dokonano oceny turbiny LE-V50 w aspekcie zastosowan miltarnych. Określono przewidywane zastosowanie przedstawiając przykładową koncepcję wykorzystania turbiny w polowej elektrowni fotowoltaicznej i fotowoltaicznym systemie zasilania filtru oczyszczania wody projektach, które zostały zrealizowane w Wojskowym Instytucie Techniki Inżynieryjnej. W końcowej części artykułu w ramach wniosków i podsumowania nakreślono perspektywy rozwoju i zastosowania pionowych turbin wiatrowych z uwzględnieniem specyfiki działań wojska.. Tests of the vertical wind turbine in terms of military applications Abstract The paper presents initial tests of a Savoniuswind turbine, such as Leading Edge s LE-V50 to be used to power vessels. The tests have been done in order to analyse the potential application of such type of wind turbine in the military- and special purpose equipment. In the first part of the paper (dedicated to theory), special characteristic features of wind and its energy have been introduced and the operating principle of a Savoniuswind turbine has been discussed. Then, basing on both the manufacturer s and own test results, LE-V50 turbine was assessed in terms of military applications. Potential application has been specified and a concept of applying the turbine as an element of a field photovoltaic power generator and of a photovoltaic water treatment filter powering system has been presented. These two projects were developed at the Military Institute of Engineer Technology. In the last part of the paper, development perspectives and the application of vertical axis wind turbines in the military have been outlined as part of summary and conclusions. BIBLIOGRAFIA 1. Jagodziński W., Silniki wiatrowe;pwt Warszawa Cebrat A., Energia odnawialna na jachtach; Szkwał 06/ Konieczny R., Silnik wiatrowy Savoniusa; Czysta Energia 03/ Maleczek St. J., Malicki W., Stoga D. Specjalne systemy fotowoltaiczne do zastosowania w siłach zbrojnych RP - realizacja wniosku rozwojowego, Elektronika-konstrukcje, technologie zastosowania, 2011/4 5. Materiały reklamowe firmy LeadingEdge 7038

8 6. Polak Artur, Barański Marcin, Porównanie turbin wiatrowych; Zeszyty Problemowe; Maszyny Elektryczne Nr 74/ http//generatory-wiatrowe.pl 7039