BADANIA WIRNIKA TURBINY WIATRROWEJ O REGULOWANYM POŁOŻENIU ŁOPAT ROBOCZYCH Zbigniew Czyż, Zdzisław Kamiński Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych Opiekun naukowy: Prof. dr hab. inż. Mirosław Wendeker 1. Wstęp Ustawiczne zwiększanie się zużycia energii elektrycznej w gospodarstwach domowych wpływa na rozwój tzw. małej wiatrowej energetyki autonomicznej. W zastosowaniach tej klasy energetyki najlepiej sprawdzają się turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu ze względu na ich cichą pracę, małą prędkość startową i dużą efektywność niezależnie od kierunku wiatru. Efektywność przetwarzania energii strumienia wiatru na prąd elektryczny związana jest z kilkoma czynnikami: zastosowany wariant konstrukcyjny wirnika, jego podatność na podmuchy wiatru, bezwładność układu, współczynnik wykorzystania energii wiatru, zastosowana skrzynka biegów (lub jej brak), sprawność układu przeniesienia napędu, zastosowany w układzie generator, jego rodzaj, sprawność przemiany energii mechanicznej wirnika na prąd elektryczny. Turbozespół wiatrowy odbiera energię kinetyczną cząstek powietrza przepływającego przez wirnik. Uderzając o łopaty zamienia swoją energię na ruch obrotowy rotora. Daje to podstawę do oszacowania górnego pułapu mocy generowanej przez turbinę wiatrową ze względu na moc strumienia wiatru napierającego na wirnik turbiny. Korzystając z podstawowych zależności fizycznych na energię kinetyczną można wyprowadzić wzór na moc strumienia wiatru przechodzącego przez powierzchnię poprzeczną do jego kierunku. gdzie: Pw moc strumienia wiatru [W], A powierzchnia poprzeczna do jego kierunku wiatru [m2], ρ gęstość powietrza [kg/m3], V prędkość wiatru [m/s], P W 1 2 A V 3 Moc teoretyczna turbiny wiatrowej opisana jest równaniem: 1 3 P c p A V 2 gdzie: cp współczynnik mocy, η- sprawność mechaniczna/elektryczna Silnik wiatrowy, jakim jest turbina wiatrowa nie może przekształcić całej energii wiatru na energię mechaniczną. Teoretycznie maksymalny współczynnik wykorzystania
energii wiatru przez wirnik wynosi około 0, 59 (wg wykresu Betza). Największą sprawność uzyskuje się, gdy prędkość przepływu strumienia powietrza przez wirnik wynosi V1=2/3 V zaś prędkość powietrza za wirnikiem V2=1/3 V. Wirnik generuje różnego rodzaju straty aerodynamiczne wpływając tym samym na zmniejszenie ilości energii możliwej do uzyskania pracy. Współczynnik wykorzystania energii wiatru jest zatem mniejszy od teoretycznego i dla nowoczesnych turbin zawiera się w granicach 0,30 0,45 w zależności od konstrukcji i wielkości wirnika. Największe współczynniki wykorzystania energii wiatru charakteryzują elektrownie wiatrowe o poziomej osi obrotu. Dla analizowanego przypadku jest on mniejszy od 0,30. Problemy badawcze na ogół dotyczą uzyskania jak największej sprawności układu w zakresie optymalnych prędkości wiatru. Jednak istotnym zagadnieniem do rozważenia jest wytrzymałość turbiny w warunkach dużej prędkości wiatru. Niezbędną wiedzę dotyczącą zachowania się turbiny w granicznych stanach oraz możliwość kontroli jej pracy można uzyskać dzięki badaniom tunelowym modeli urządzeń z zachowanymi kryteriami podobieństwa. 2. Materiał i metody Proponowana turbina składa się z czterech powierzchni nośnych, z których każda posiada mechanizm zmiany ich kąta rozwarcia. Przyjmuje się docelowo, że kąt rozwarcia będzie powiązany funkcjonalnie z prędkością wiatru tak, aby uzyskać stałą moc w szerokim jej zakresie oraz uniknąć zniszczenia bądź wytężenia materiału przy ponad granicznych wartościach wiatru. Ryc. 1. Koncepcja turbiny wiatrowej ze zmiennym kątem rozwarcia powierzchni roboczych Ze względu na ograniczenia rozmiarów obiektu pomiarowego uwarunkowane wymiarami gabarytowymi przestrzeni pomiarowej tunelu aerodynamicznego postanowiono użyć wirniki stałe (bez zmiennego kąta rozwarcia powierzchni nośnych) wytworzone w kilku wersjach odpowiednio dla kątów 0, 30, 60, 90. Na podstawie nabytych doświadczeń przy konstruowaniu modelu demonstracyjnego stwierdzono, że do wytworzenia tych wirników zostanie użyta drukarka proszkowa. Jest to uwarunkowane m.in. kryteriami dokładności, estetyki oraz czasu wykonania.
Ryc. 2. Zespół turbiny wiatrowej użyty do badań w tunelu aerodynamicznym Ryc. 3. Badane wirniki turbiny wiatrowej o kącie rozwarcia powierzchni roboczych równym odpowiednio (od lewej) 90, 60, 30, 0 Stanowisko badawcze (ryc. 4) składa się z uniwersalnego masztu 1, do którego montowane są wymienne wirniki 3 przedstawione na ryc. 3. Część zewnętrzna masztu została zamodelowana i wydrukowana na drukarce 3D, natomiast oś 2 jest stalowa i ułożyskowana na łożyskach tocznych. Do osi (poniżej komory pomiarowej) został sprzęgnięty silnik elektryczny M prądu stałego, pełniący funkcję prądnicy. Przy obciążeniu danym rezystorem w zależności od prędkości wiatru odczytywane są natężenie i napięcie prądu.
3 1 2 M A V Ryc. 4. Schemat układu obciążającego turbinę wiatrową Podstawowym narzędziem aerodynamiki doświadczalnej jest tunel aerodynamiczny (ryc. 5). Wyposażony w specjalistyczne układy pomiarowe, w zależności od przeznaczenia pozwala przenosić wyniki badań modelowych na obiekty naturalne z uwzględnieniem kryteriów podobieństwa i odpowiednich współczynników korekcyjnych. Do badań wykorzystano tunel o obiegu otwartym z zamkniętą przestrzenią pomiarową GUNT model HM 170. Taki układ powoduje ograniczenia ze względu na interferencję ze ściankami tunelu oraz poziomy gradient ciśnienia dp/dx. Z kolei zaletą jest zmniejszona pulsacja ciśnienia oraz mniejsze opory przepływu. Podstawowe dane techniczne przedstawiono w tab. 1. Ryc. 5. Układ konstrukcyjny tunelu: 1 wlot, 2 prostownica strug powietrza, 3 konfuzor, 4 komora pomiarowa, 5 badany obiekt, 6 waga, 7 układ pomiaru sił, 8 dyfuzor, 9 panel obsługi, 10 układ odczytu prędkości, 11 wentylator
Tab. 1. Dane techniczne tunelu aerodynamicznego GUNT model HM 170 Nazwa parametru lub właściwości technicznej Przekrój poprzeczny komory badawczej (szerokość x wysokość) Długość Maksymalna prędkość strugi powietrza Różnica ciśnień Maksymalny przepływ objętościowy Moc silnika elektrycznego Maksymalna prędkość obrotowa wentylatora Zasięg pomiaru sił Zasięg pomiaru ciśnień Wartość parametru 292x292 mm 450 mm 28 m/s 500 Pa 9000 m³/h 2.25 kw 2850 obr/min 0...5 N i 0...10 N 0...500 Pa Plan badań turbiny wiatrowej obejmował cztery komplety łopat z kątem rozwarcia równym 0, 30, 60, 90. Pomiary przeprowadzono w 20 punktach pomiarowych w zakresie prędkości wiatru V = 4,5 10. Opracowane stanowisko hamowniane (ryc. 6) umożliwiło odczyt prędkości wiatru, prędkości obrotowej wirnika oraz mocy generowanej przez prądnicę. Ryc. 6. Stanowisko do badań turbiny wiatrowej w tunelu aerodynamicznym: 1 -wlot do tunelu (konfuzor), 2 - przestrzeń pomiarowa z zamontowaną turbiną, 3 - zasilacz, 4 - regulator prędkości wiatru, 5 - multimetr do pomiaru napięcia, 6 -wyświetlacz prędkości
3. Wyniki Na ryc. 7 i 8 przedstawiono wyniki badań mocy oraz prędkości obrotowych testowanych wirników. Ryc. 7. Charakterystyka prędkości obrotowej turbiny w funkcji prędkości wiatru dla różnych wartości kąta rozwarcia powierzchni roboczych Ryc. 8. Charakterystyka mocy turbiny w funkcji prędkości wiatru dla różnych wartości kąta rozwarcia powierzchni roboczych 4. Dyskusja Wirnik o regulowanym położeniu łopat umożliwia regulację mocy turbiny w szerokim zakresie wartości prędkości obrotowej wału głównego turbiny, w zależności od wartości prędkości i kierunku wiatru. Nie dopuszcza do zniszczenia elementów składowych turbiny oraz nie pozwala na wytężenie materiałów, z których jest ona wykonana, w przypadku oddziaływania wiatru, o co najmniej granicznej wartości jego prędkości przepływu. Umożliwia on regulacje mocy turbiny bądź utrzymywanie jej na ustalonym (założonym) poziomie w szerokim zakresie prędkości wiatru. Wirnik o regulowanym położeniu łopat roboczych nie wymaga jak w przypadku większości
klasycznych turbin wiatrowych modyfikacji ustawiania części roboczych względem kierunku napływającego wiatru. 5. Wnioski Zastosowanie zmiennego kąta rozwarcia powierzchni roboczych turbiny wiatrowej umożliwia kontrolę jej prędkości obrotowej a w konsekwencji kontrolę nad generowaną mocą. Zmniejszenie kąta rozwarcia powierzchni roboczych z 90 do 60 powoduje zmniejszenie prędkości obrotowej średnio o 60% w początkowym zakresie badanej prędkości oraz o 32 % w końcowym zakresie prędkości obrotowej. Przy zastosowanym generatorze prądu wiąże się to ze zmniejszeniem mocy elektrycznej o 78% w początkowym zakresie badanej prędkości oraz o 48% w końcowym zakresie. Jeżeli łopaty wirnika zostaną złożone do 30 to w odniesieniu do kąta rozwarcia 60 nastąpi całkowite zatrzymanie wirnika w początkowym zakresie badanej prędkości wiatru (wtedy moc generowana równa jest 0) oraz zmniejszenie o 46 % prędkości obrotowej w końcowym zakresie prędkości wiatru odpowiadające spadkowi mocy o 48%. 6. Literatura Jagodziński W. 1959 Silniki wiatrowe. PWT, Warszawa. Wood D. 2011. Small wind Turbines- Analysis, design and Application, Springer- Verlag London Limited.