WYBÓR LOKALIZACJI ZABUDOWY MAŁYCH TURBIN WIATROWYCH NA PODSTAWIE BADAŃ SYMULACYJNYCH ZJAWISK W GEOMETRII 3D Zbgnew PLUTECKI, Paweł SATTLER, Krysan RYSZCZYK Sreszczene: W pracy przedsawono meodę oceny werznośc war na podsawe hsorycznych danych pomarowych oraz symlac nmeryczne zaws na wybranym obszarze przesrzen mese. Badana symlacyne przeprowadzono z względnenem przepływów rblennych wyorzysąc do ego cel pół-empryczny model - z dobranym ndywdalne współczynnam. Dzę modyfac współczynnów model zysano zgodność aoścową z pomaram esperymenalnym. Wyn badań symlacynych wyorzysano nasępne do wyznaczena w gęse zabdowe mese sref nensywne werznośc pod ąem zabdowy w nch małych rbn warowych. Badana wyonano w oparc o własne pomary prędośc ern war oraz oblczena symlacyne wyonane w środows Ansys Flen. Słowa lczowe: małe rbny warowe, energa war, badana symlacyne, przesrzeń mesa 1. Wsęp Obecna polya energeyczno-lmayczna Un Eropese ernowana es w sronę zmneszana ems szodlwych sbsanc do amosfery przy równoczesnym wzrośce efeywnośc energeyczne oraz wzrośce dzał odnawalnych źródeł energ (OZE) w prodc energ eleryczne. Spełnene ych założeń wąże sę z promowanem nwesycam w nowe źródła energ eleryczne zarówno w sal mega (źródła energ dla porzeb przemysł) a mro (bezpośredn odborcy). Polsa es zobowązana do zysana 15% dzał OZE w zżyc energ eleryczne do ro 00 r. Wg danych Urzęd Reglac Energey dzał en wynosł w 01 o. 10,5 % co es wynem zadowalaącym. Dla porównana średn dzał OZE w raach Un Eropese sanow 13% całowego zżyca energ eleryczne [1]. Sosowane odnawalnych źródeł energ o główne domena obszarów o małym sopn zrbanzowana. Na ych obszarach dżo ławe es wsazać dobrą loalzacę pod zabdowę farm foowolacznych czy warowych. W przypad sosowana rbn warowych na zysaną efeywność eonomczną nwesyc w bardzo dżym sopn wpływa znaomość średno-rocznych warośc prędośc war. W zabdowe mese dodaowo nezbędna es znaomość szorsośc eren. W lasycznym podeśc do proeowana wyorzyse sę do ego cel współczynn szorsośc eren, órych sosowane ne gwarane edna należye doładnośc wynów analzy. Obecne możlwośc echnczne pozwalaą na prowadzene doładnych analz, órych celem es wsazane właścwe loalzac dla zabdowy rbn warowych na erenach mesch. Aorzy pblac zasosowal do ego cal badana hybrydowe, óre wyorzysą dosępne echn pomar prędośc ern war realzowane w onrene loalzac oraz modelowane zaws przepływowych z względnenem 859
opolog eren loalnych warnów wynaących z onrene zabdowy eren. Wyorzysane w przedmoowe analze badań symlacynych pozwala na opracowane zw. map loalne werznośc na podsawe, óre można wsazać nawłaścwsze mesca dla zabdowy rbn warowych.. Możlwośc ogranczena sosowalnośc małych rbn warowych Oceny właścwośc rbn warowych doone sę w oparc o paramery echnczne. Naważneszym z nch es współczynn wyorzysana war ξ wyrażony wzorem: E0 E E 0, [ ] gdze: E 0 - energa srmena przed wrnem, E - energa srmena za wrnem, η sprawność wrna Ponado do oceny efeywnośc echnczne sose sę wyróżn szybobeżnośc Z, óry wyraża sosne prędośc obwodowe ońca łopa do prędośc war. Na rysn 1 przedsawono charaerysy wyorzysana war w fnc wyróżna szybobeżnośc Z dla różnych onsrc rbn warowych. (1) ξ 0,4 0,35 0,3 0,5 0, 1 3 4 5 0,15 0,1 0,05 0 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 Z Rys. 1. Współczynn wyorzysana war dla ypowych onsrc generaorów warowych Borąc pod wagę warnowana zwązane z dosępnoścą rozwązań onsrcynych w zarese małych średnch rbn warowych oraz częsość wysępowana war ego prędośc oraz zmennośc ern do zabdowy w warnach mesch preferowanym onsrcam są rbny z ponową osą obro. Węszość onsrc rbn warowych VAWT (Vercal As Wnd Trbnes) baze na rzech podsawowych rozwązanach onsrcynych. Są o sln Savons a, Darres a oraz roory yp H. Przyłady ach rozwązań przedsawono na rysn. W porównan z rbnam o pozome os, rbny warowe o ponowe os obro wyoną pracę nezależne od ern war a przy ym ne wymagaą zarzymana przy warach hraganowych (powyże 40m/s) poneważ szał waraa a wbdowane sprzęgła magneyczne mogą bezpeczne obnżyć prędość obroową ach rbn. Do zale należy zalczyć newelą prędość począową war przy óre generaor zaczyna wywarzać prąd, cchą pracę, óra ne genere dżych drgań przenoszonych na onsrcę bdyn, a przy zachowan wyycznych prodcenów, dzelana es 860
gwaranca na bezawaryną pracę nawe do 10 la. W zabdowe mese ważnym aspeem es równeż eseyczny wygląd rbn. Główną wadą rbn z ponową osą ponową es sam szał rbn, óry powode że napędzana przez edną z łopa rbna es ednocześne hamowana przez przecwległą łopaę. To negaywne wpływa na sprawność rbny przyczyna sę do osągana newelch prędośc obroowych. Dla poprawy efeywnośc ach rbn sose sę generaory wolnobeżne lb wyposażone w przeładne. Porównane sprawnośc oferowanych na polsm ryn rbn warowych z ponową osą obro przedsawono na rysn 3. Wyna z nego dże zróżncowane w osągane sprawnośc pownno sanowć podsawę raconalnego wybor przy podemowan decyz nwesycyne. Na rysn dodaowo zaznaczono charaerysyę średną (grba lna przerywana), pozom óre zdanem aorów pownen sanowć zw. ryerm aośc BAT (Bes Avalable Technology nalepsze dosępne echn). a) b) c) d) Rys.. Rozwązana onsrcyne wybranych wrnów rbn warowych: a) Wndsde WS- 4 o mocy W; b) Pramac - 1W; c) Aeolos - 1W; d) Kno Elecrcs - 1W, 3. Propozyca badań własnych Do badań wyypowano pewen fragmen eren masa Opola wraz ze znadącą sę na nm zabdową szałowanem eren. Przyęy do modelowana obszar zosał wybrany poneważ są na nm prowadzone od l la pomary prędośc ern war. Wyznaczone na e podsawe średne welolene prędośc ern war wyorzysano w analze, óre wybrane wyn przedsawono ponże. 861
a) b) Rys. 3. Porównane wybranych rbn warowych pod względem osągane mocy przy różne mocy nomnalne: a) 1We, b) We 4. Założena proszczena Dla porzeb realzac badań przyęo pewne założena proszczena. Do naważneszych z nch należy zalczyć: proszczene geomer obeów bdowlanych, zelen wysoe nse oraz szałowana eren. Obey bdowlane zamodelowano ao prose bryły, órych gabaryy odwzorową szał wymary zewnęrzne obeów rzeczywsych. Modelowne obeów zrealzowano na podsawe archwalne domenac echnczne. Naomas gabaryy obeów ne posadaących domenac zosały przyęe na podsawe nnych źródeł ach a: mapy geodezyne, mapy saelarne, zdęca obeów a aże własne pomary wyonane przy życ dalmerza laserowego. Dla porzeb lepszego odwzorowana geomer zagospodarowana eren w model zosały względnone elemeny żywe archery raobraz am są drzewa rzewy. Roślnność drzewasa worzy naralną osłonę przed warem, óra o może ogranczyć prędość warów w grancach 0-80% []. Teren ze względ na newele różnce pozomów przyęo ao płas. 5. Wyn pomar częsośc róży warów Maso Opole leży na obszarze Nzny Śląse w reone Równny Opolse rozcęe dolną Odry. Główne paramery lma woewódzwa opolsego są równoważne z cecham lma marowanego. Na podsawe danych meeorologcznych można swerdzć że lma należy do łagodnych. Klma masa es w dżym sopn warnowany dolną Odry, óra es główną osą przemeszczana sę powerza z połdna (przez Bramę Morawsą) z zachod (wzdłż nzn środowoeropesch). Cepłe wlgone powerze połdnowe a znad Alany 86
powode sablzacę warnów ermcznych przeawaącą sę nsą ampldą emperar w cąg ro [3]. Położene Opola w dolne Odry wąże sę aże z negaywnym nasępswam. W oresach bezwerznych dochodz do częsego zamglena oraz podwyższena wlgonośc powerza. W Opol domne zachodn połdnowy erne war (rys. 4a). Procenowy dzał w cąg całego ro wynos odpowedno 3,7% oraz 18,5%. W poszczególnych mesącach częsość wysępowana erne war może wyglądać neco nacze. Dla przyład w lsopadze domnącym es war z ern północno-zachodnego. a) b) Rys.4. Róża warów w Opol: a) warośc średne roczne, b) warośc średne w mesąc lsopadze Do oblczeń wyorzysano dane meeorologczne wg [4] oraz pomary własne wyonane na dach ednego z bdynów zloalzowanych w analzowane srefe. Warośc średnoroczne wyznaczono ao warośc wysępące w ypowym ro saysycznym, óry wyznacza sę na podsawe welolench pomarów. Dla Opola hsora a sęga 30 la (1971-000). Pomary własne obemą ores 3 la. Podsawą sporządzana analz werznośc danego eren es znaomość rozład częsośc wysępowana dane prędośc war w cąg ro. Nawłaścwszą meodą przedsawena rozład prędośc es forma grafczna w posac hsogram. Powsae ona poprzez wsępne porządowane pogrpowane danych pomarowych, poprzez ryerm prędośc war. Dla badana rozład prędośc ażda z grp es przedzałem olenych prędośc war o ednosowym so. Każdy przedzał prędośc war ma swoą wyznaczoną lczbę godzn wyznaczoną na podsawe e warośc wysępowana w cąg ro [7]. f n, [ ] N () Częsość wysępowana warów w analzowanym obszarze przedsawono na rysn 5. Wyna z nego, że nawęszy godznowy dzał maą wary o prędośc w przedzale od 1 m/s do 5 m/s. Podane warośc wyznaczono z doładnoścą do edne pełne godzny, 863
przy nepewnośc pomarowe rządzeń sęgaące la procen, co spełna warn wsępnego oszacowana werznośc w dane loalzac. Rozład procenowy prędosc war prędość war [m/s] Częsość [h] Udzał roczny [%] 0 589 6,7 1 1831 0,9 454 8,0 3 1699 19,4 4 1075 1,3 5 654 7,5 6 76 3, 7 117 1,3 8 55 0,6 9 10 0,1 Rys.5. Hsogram prędośc war dla masa Opola. Opracowane własne na podsawe [4] 6. Ops założeń model do symlac zaws przepływowych Podsawę analzy zaws przepływowych w geomer 3D sanową równana rch zwane równanam Navera Soes a dla przepływów lamnarnych oraz równana Reynoldsa w zarese przepływów rblennych. W zarese badanego obe rch powerza należy analzować z względnenem hpoezy Osborne Reynoldsa (184-191), óra zapse paramery przepływ ao smy warośc średnch oraz powsaących loalnych flac rblennych: ', p p p' (3) gdze prędość przepływ średnonego, p cśnene płyn Grafczne przedsawene e hpoezy dla edne z płaszczyzn przedsawono na rysn 6. Rys.6. Warośc prędośc przepływ wg hpoezy Reynoldsa [5] Dla wybranego ern średnoną warość flac można wyznaczyć ze wzor: 864
865 d ), '( 1 ), ( ' (4) Do wyznaczena naprężeń rblennych zasosowano hpoezę Bossnesqa, na podsawe óre warośc naprężena zależą od sładowych ensora prędośc deformac rch średnonego oraz od a zwane lepośc rblenne. Koncepcę ę wyraża zależność [Plec_01]: 3 ' ' (5) Po względnen powyższe hpoezy równane rch przyme posać: o ef T T g p 3 (6) w órym współczynn ef es smą współczynnów lepośc lamnarne rblenne ef (7) nazywany es współczynnem lepośc efeywne. Modele rblenc bdowane w oparc o hpoezę Bossnesqa wymagaą wyznaczena warośc lepośc rblenne. Borąc pod wagę swoe wcześnesze dośwadczena, w ym względze, aorzy przyęl za naorzysneszy dwrównanowy model rblenc, órego podsawą es równane ranspor neyczne energ rblenc, defnowane ao [6,68]: ' ' 1 (8) oraz równane dyssypac neyczne energ rblenc, defnowane ao: ' ' (9) Obecne es sosowanych la model wyorzysących powyższe zależnośc (8 9), óre pooczne noszą nazwę model -. Z pośród nch do dalszych zasosowań przyęo model rblenc Realzable - ze względ na sładn zwązany z obecnoścą sły wypor, óry zosał względnony równeż w równanach rch. W model Realzable - rozłady neyczne energ rblenc dyssypac neyczne energ rblenc zyse sę z równań: b G G (10)
C C1 C3 Gb Po rozwązan równań (10) (11) lepość rblenna będze oblczana z zależnośc: (11) C (1) W sład model rblenc, opsanego równanam (10) (1), wchodz zesaw sałych współczynnów lczbowych C 1, C,,, óre są przymowane na podsawe dośwadczeń. Do oblczeń przyęo warośc sałych model Realzable - wedłg abel 4. Tab. 4. Warośc zmennych opsących przyęy model Warośc c µ σ σ ε c ε1 c ε model - ε sandardowy 0,09 1,00 1,3 1,44 1,9 model - ε zmodyfowany 0,034 1,0 1,85 1,44 1,9 7. Implemenaca model Geomerę obszar oblczenowego wyonano w środows Aocad 013. Do realzac badań symlacynych wyorzysano środowso Ansys w wers 15, w órym zaware są narzędza słżące ne ylo do modelowana zaws przepływowych płynów, ale równeż modły słżące m.n. do wygenerowana geomer obe lb e mpor z zewnęrznego oprogramowana, dysreyzac obszar oblczenowego, modł wyonący oblczena nmeryczne oraz modł wzalzac wynów z przedsawenem ch w forme grafczne. Zasadncze oblczena nmeryczne wyonano w programe Ansys - Flen. Program en es dedyowany do modelowana zaws zwązanych z przepływam płynów ścślwych a neścślwych oraz względnena równeż zaws z zares przepływ cepła. Dla porzeb realzac badań symlacynych przyęo nasępące warn brzegowe: erne war - północno zachodn o zmenne prędośc w zarese 3 5 m/s, cśnene odpowadaące średne warośc cśnena amosferycznego 10135 Pa, płyn - powerze o emperarze 15 C, wymana cepła bra, san salony. 8. Przyładowe wyn badań symlacynych Obszar oblczenowy z wraz z obeam oraz opsem naważneszych warnów oblczenowych przedsawono na rysn 7. Na olenym rysn (8a, 8b, 8c) 866
przedsawono przyładowe wyn oblczeń w posac rozład prędośc war na rzech różnych wysooścach w płaszczyznach równoległych do ern war (północnozachodnego). Wyna z nego mędzy nnym, że w badanym obszarze wysępą mesca o zwęszone werznośc spowodowane główne szałowanem zagospodarowanem eren. Nawęsze prędośc wary zaobserwowano na wysoośc ooło 4m nad rawędzą ścany dach nawyższego bdyn od srony ern war. W e loalzac prędość powerza es dwrone węsza nż na pozosałych wysooścach badanego obszar. Jes spowodowane znaczną zmaną ern przepływ mas powerza wywołanego przeszodą w posac bdyn. Właścwe badana symlacyne obemowały wyonane oblczeń przy różnych ernach war przy różne prędośc war odpowadaących naczęśce wysępącym warnom rzeczywsym ae zmerzono w wybranych mescach badanego obszar. Na podsawe zysanych wynów oblczeń symlacynych przy względnen częsośc wysępowana ern war (róża warów) aorzy wsazal naorzysnesze mesce do zabdowy małych rbn warowych. Przyład rozwązana zabdowy rbn warowych o mocy nomnalne W w lośc 0 sz. przedsawono na rysn 9. Zaproponowana onfgraca sposób monaż rbn warowych zapewna sablną prodcę energ eleryczne na pozome 50% łączne mocy zansalowanych rbn bez względ na chwlowy erne war. Rys.7. Przyęy obszar oblczenowy 867
a) b) c) Rys.8. Przyładowe wyn oblczeń: a) mapa rozład prędośc powerza oraz rozład weorów prędośc war w płaszczyźne: b) pozome na wysoośc h = 0m c) w płaszczyźne ponowe badanego obszar. 868
Rys.9. Przyład rozwązana zabdowy małych rbn warowych na dach bdyn zloalzowanego w badanym obszarze - na dach bdyn zloalzowane są równeż oleory słoneczne 9. Wnos W aryle przedsawono naważnesze zdanem aorów ryera na podsawe órych należy rozparywać zasadność bdowy loalnych źródeł energ eleryczne w zabdowe wysoce zrbanzowane. Naważneszym ryerm echncznych przy wyborze onsrc małych rbn warowych pownna być charaerysya mocy w fnc prędośc war (sprawność). Wsazano w ym zarese własne ryerm aoścowe. O osągane efeywnośc eonomczne będą decydować ponado rwałość nezawodność rbn warowych, osz ch zap, osz serws remonów. Bardzo ważnym elemenem decydącym o zasadnośc bdowy małych farm warowych w zabdowe mese o wybór właścwego mesca ch monaż. W aryle zaproponowano sposób wyznaczana sref, w órych zabdowa rbn spowode wyorzysane loalnych warnowań nensyfących średn zares wysępowana prędośc war w wyn szałowana zagospodarowana eren. Można w en sposób zwęszyć roczną prodcę energ eleryczne o blso 5%. Analza wynów badań symlacynych pozwolła swerdzć, ż zysane rozłady pól prędośc są zblżone do warośc rzeczywsych, óre zmerzono loalne na wybranych obeach przy średne prędośc war odpowadaące przyęym warnom oblczeń. Było o możlwe dzę doładnośc odwzorowana obszar oblczenowego oraz meody modelowana zaws przepływowych. Zaproponowany szał obszar oblczenowego pozwala na prowadzene badań welowaranowych poprzez prosą zmanę warośc brzegowych na grancy obszar oblczenowego. Dzę em można analzować wpływ ern prędośc war na rozład prędośc w dowolnym mesc badanego obszar. Za pomocą prezenowane meody mogą być wyznaczane loalzace dla zabdowy rbn warowych w nnych obszarach masa lb całych aglomeracach mesch. 869
Lerara 1. Polya energeyczna Pols do 030 ro. Załączn do chwały nr 0/009 Rady Mnsrów z dn. 10 lsopada 009r.. Szopńsa E., Zygmn-Rbasze J.: Propozyce sandardów w zarese szałowana zelen wysoe mesch ras omnacynych, Wrocław 010, sr. -5 3. Badora K., Hebda G.: Inwenaryzaca przyrodncza masa Opola, Dane archwalne Urząd Masa Opola 007, sr. 4-6 4. Narows P.G., Dane lmayczne do oblczeń energeycznych w bdowncwe, Cepłowncwo, Ogrzewncwo, Wenylaca, 11, 006. 5. Cel I.B., Inrodcory Trblence Modelng, Wes Vrgna Unversy Mechancal & Aerospace Engneerng Dep. Vrgna 1999, sr 6-30. 6. Wallban T.: WndSm Valdaon Sdy CFD valdaon n Comple erran, 008. 7. Plec Z.: Analza wpływ mrolma na emsę wyładowań nezpełnych w maszynach elerycznych w warnach przemysłowe esploaac, Sda monografe, Ofcyna Wydawncza Polechn Opolse, Opole 01r. Dr hab. nż. Zbgnew Plec 1, prof. PO Mgr nż. Paweł Saler Mgr nż. Krysan Ryszczy 1) Kaedra Zarządzana Energeyą ) Kaedra Elerown Sysemów Pomarowych Polechna Opolsa 45-758 Opole, l. Prószowsa 76 el.: (0-77) 449 80 4 el.: (0-77) 449 80 3 e-mal: z.plec@po.opole.pl p.saler@po.opole.pl.ryszczy@po.opole.pl 870