ŁUKASZ CEJROWSKI KAMIL DZIADOSZ JÓZEF FLIZIKOWSKI Wydział Mechaniczny, Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy Konstrukcja łopat siłowni wiatrowej Magnus a Streszczenie: Energetyka wiatrowa jest jedną z najdynamiczniej rozwijających się dziedzin przemysłu zajmującego się produkcją proekologicznych procesorów energii. Energia z wiatru w przeciwieństwie do innych odnawialnych źródeł energii ma realne szanse powodzenia i zastosowania. Procesor wiatrowy wykorzystujący efekt Magnus a jest przykładem alternatywnego rozwiązania konstrukcyjnego, pozwalającego na najefektywniejsze wykorzystanie energii tkwiącej w nieskończonych zasobach wiatru. Słowo kluczowe: energia wiatru, procesor wiatrowy, efekt Magnus a Construction of spades of wind mill Magnus a Key word: wind energy, wind processor, effect Magnus a Wstęp Na początku XXI wieku można stwierdzić, że odnawialne źródła energii są niebagatelnym elementem wpływającym na obecną i przyszłą egzystencję człowieka. Ciągle rosnące zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii skłania nas do poszukiwania różnorodnych i coraz bardziej zróżnicowanych konstrukcyjnie rozwiązań. W artykule przedstawiono rozwiązania konstrukcyjne procesorów wiatrowych wykorzystujących efekt Magnus a. Panujące w Polsce warunki do pozyskiwania energii z wiatru skłaniają do wykorzystania elektrowni wiatrowych z wirnikiem Magnus a jako rozwiązania optymalnego uwzględniającego siłę wiejących wiatrów. Siłownie wiatrowe wykorzystujące efekt Magnus a projektowane są dla otrzymania wysokiego współczynnika wykorzystania energii wiatru. Zasadniczą, a zarazem odmienną cechą tego rodzaju turbin jest fakt zastosowania obracających się wirników, w których do obracania rotora elektrowni wykorzystuje się zjawisko powstawania siły bocznej w wirującym elemencie. Zjawisko to odkryte w 1853 roku nazywane jest efektem Magnus a od nazwiska niemieckiego fizyka i chemika Heinricha Gustava Magnus a. Turbiny wiatrowe wykorzystujące efekt Magnus a Główną cechą elektrowni wiatrowych wykorzystujących efekt Magnus a jest zastosowanie obracających się wirników zamiast obrotowych łopatek. Obracające się wirniki na podstawie
efektu Magnus a wytwarzają siłę nośną. Zjawisko to polega na powstawaniu siły działającej na obracający się walec lub inną obrotową bryłę poruszającą się względem płynu (cieczy lub gazu) prostopadłej do kierunku ruchu (Rys. 1.). Rys. 1. Efekt Magnus a powstawanie siły nośnej [2] Wartość powstającej siły nośnej, zwanej również siłą boczną charakteryzuje prawo Kutty- Żukowskiego, mówiące, że jeżeli nieściśliwy płyn opływa nieskończenie długi walec, którego oś jest ustawiona prostopadle do kierunku przepływu niezaburzonego, to na jednostkę długości walca działa siła nośna określona wzorem [1]: F=ρ v T (1) gdzie: F-siła boczna, ρ-gęstość płynu (cieczy lub gazu), v-prędkość czynnika opływającego walec, T-oznacza cyrkulację prędkości wzdłuż dowolnego konturu zamkniętego obejmującego jeden raz walec. Na rys. 2 przedstawiono charakterystykę (krzywą) biegunową obracającego się w powietrzu walca, nazywanego często rotorem Magnus a lub rotorem Flettnera, przy czym zamiast wielkości kątów naparcia przyjęto tutaj za parametr stosunek obwodowej prędkości rotora u do prędkości wiatru v. Dla porównania krzywej biegunowej profilu walcowego z biegunową profilu opływowego wykreślono na tym samym rysunku taką krzywą biegunową. Na zestawieniu obu krzywych wynika, że współczynnik siły nośnej rotora jest wielokrotnie większy, niż współczynnik profilu opływowego. Jednak współczynnik oporu jest dużo większy od współczynnika oporu profilu opływowego. Rotory w porównaniu ze skrzydłami profilowanymi mają prawie trzykrotnie gorsze właściwości aerodynamiczne.
Cz 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 u/v krzywej biegunowej profilu walcowego krzywa biegunowa profilu opływowego Rys. 2. Charakterystyka (krzywa) biegunowa obracającej się łopaty procesora Magnus a. [2] Postać geometryczne turbiny Magnus a W Polsce najpopularniejszym, a zarazem najbardziej znanym przedsięwzięciem, którego owocem była instalacja procesora wiatrowego z wirnikiem Magnus a znajduje się we wsi Pagórki koło Elbląga (Rys. 3a.). Za sprawą białoruskich konstruktorów z firmy Acowind wykonano projekt ACOWIND A-63. Wirnik tego wiatrak powstał w Polsce w Zakładach Remontów i Produkcji Sprzętu Lotniczego z Bielsko-Białej. Jest to nowatorski projekt procesora wiatrowego działającego w oparciu o wykorzystanie efektu Magnus a. Nie mniej jednak powstało na świecie sporo projektów procesorów wiatrowych, w których zamiast tradycyjnych łopat zastosowano obracające się walce. a) b) Rys. 3. Procesor wiatrowy typu Magnus: a) ACOWIND A-63 [2], b) Mekaro Akita Co Ltd. (Japonia) [1]
W sierpniu 2005 roku japońscy wynalazcy Murakami Nobuhiro oraz Ito Jun opatentowali wiatrowy procesor typu Magnus a (rys. 3b.) o specyficznym kształcie łopat. W procesorze tym zaproponowano nowatorskie rozwiązanie konstrukcyjne łopaty wirnika składającej się z części spiralnej, a także obrotowego walca. Głównym założeniem jaki przyjęto było utworzenie takiej konstrukcji, która pozwalałaby na pracę zarówno przy wietrze o bardzo niskich, a także bardzo wysokich prędkościach. Ponadto dość istotną sprawą jest zastosowanie sześciu łopatek, gdyż takie rozwiązanie przyjęto jako najbardziej optymalne. Rys. 4. Kierunek i zwrot działania siły nośnej zależnej od momentu obrotowego w łopacie procesora wiatrowego typu Magnus [1] Zastosowanie elementu spiralnego jest ciekawym i jak dotąd rzadko spotykanym rozwiązaniem w celu uzyskania jak największej siły nośnej, która jest odpowiedzialna za prawidłowe i wydajne funkcjonowanie procesora wiatrowego. Każda z łopat zakończona jest wystającym ponad ich powierzchnie krążkami. Krążki uniemożliwiają wyrównywanie się ciśnień po obu stronach cylindra (aby zapobiec powstawaniu oporu indukcyjnemu) oraz nadają walcowi szybkość obwodową około czterokrotnie większą, niż szybkość wiatru. a) b) Rys. 5. Opływ walca kołowego: a) bez elementu spiralnego, b) z elementem spiralnym [1]
Rys. 6. Kierunek działania siły i prędkości w wirującej łopacie procesora Magnusa [1] Rys. 7. Przekładnia zębata stożkowa przenosząca moment obrotowy z obracających się walców na wirnik generatora [1]
Rys. 8. Widok prostokątny i izometryczny łopatki procesora wiatrowego typu Magnus zaprojektowanej przez japońskich konstruktorów z Mekaro Akita Co Ltd. [1] Podsumowanie Stosunkowo prosta konstrukcja wirnika i skrzyni przekładniowej sprawiają, że zaprezentowany procesor wiatrowy jest atrakcyjnym produktem na rynku urządzeń służących do pozyskiwania energii z wiatru. W dalszej fazie planowane jest utworzenie modelu 3D procesora w celu dokładnego przeanalizowania jego mechaniczno-energetycznych możliwości oraz wykryciu potencjalnych wad konstrukcyjnych i eksploatacyjnych. Niższy koszt wykonania w stosunku do tradycyjnych procesorów z łopatkami profilowanymi jest kolejnym atutem. Sprawia to, że być może już w niedalekiej przyszłości procesory Magnus a będą obok pieców na biomasę, kolektorów słonecznych czy paneli fotowoltaicznych, cennym źródłem pozyskiwania energii w wielu Polskich gospodarstwach. Biorąc pod uwagę, że występuje możliwość efektywnej pracy wirnika przy bardzo niskich prędkościach wiatru (około 3 4 m/s) daje to rozwiązanie konstrukcyjne, które idealnie komponuje się z warunkami panującymi na większości terenów w Polsce. Walce wirnika stawiają większy opór niż skrzydła o profilu lotniczym, nadają się do wiatraków wolnoobrotowych. Jednak pomimo niższych obrotów, wiatraki z wirnikami Magnus a uzyskują wystarczającą moc dzięki znacznie większemu momentowi obrotowemu.
Literatura [1] European Patent Office, http://v3.espacenet.com, [2] Wiatraki z rotorami Magnusa, http://darmowa-energia.eko.org.pl, [3] Ł. Cejrowski: Procesory wiatrowe, kierunki rozwoju zespołów funkcjonalnych. WM ATR, Bydgoszcz 2006