POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Instrukcja do zajęć laboratoryjnych w funkcji prędkości wiatru Ćwiczenie nr 1 Laboratorium z przedmiotu Odnawialne źródła energii Kod: OM1302 Opracował: dr inż. Tomasz Teleszewski mgr inż. Anna Werner-Juszczuk Białystok, luty 2017
1. Wprowadzenie Elektrownia wiatrowa jest to elektrownia wytwarzająca energię elektryczną przy pomocy generatorów (turbin wiatrowych) napędzanych energią wiatru. Ze względu na budowę turbiny wiatrowe dzielimy na: 1. Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu - HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbines). 2. Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines). 3. Turbina wiatrowa o osi poziomej wyposażona w dyfuzor. a) jednopłatowe b) dwupłatowe c) trójpłatowe d) wielopłatowe e) wykorzystujące efekt Magnusa f) z dyfuzorem Rys. 1. Rodzaje turbin z poziomą osią obrotu Główne elementy siłowni wiatrowej o wale poziomym (rys.2) to : - wirnik przekształcający energię wiatru w energię mechaniczną, - generator, - turbina, - przekładnia, - wieża. 2
Rys. 2. Budowa elektrowni wiatrowej o poziomej osi obrotu. Jedną z ważniejszych charakterystyk elektrowni wiatrowych jest charakterystyka mocy turbiny wiatrowej P w zależności od prędkości wiatru v (rys.3). Rys. 3. Charakterystyka mocy elektrowni wiatrowej o poziomej osi obrotu Przebieg krzywej mocy P=f(v) zależy od rozwiązań konstrukcyjnych turbiny, od rodzaju zastosowanej mechaniki, typu turbiny, rodzaju płatów wirnika czy systemu regulacji. Powiązanie zmienności prędkości wiatru do mocy generowanej przez elektrownię wiatrową, określane przez krzywą mocy, posiada kilka charakterystycznych punktów: punkt startu (cut on) w punkcie tym wiatr ma prędkość powodującą obracanie się łopat wirnika i wystąpienie na wale turbiny momentu mechanicznego. W zależności od rodzaju turbiny w punkcie startu wiatr ma wartość prędkości od około od 3 m/s do 5 m/s. 3
punkt wyłączenia (cut off) jest to prędkość, przy której następuje zatrzymanie turbiny ze względu na zagrożenie mechaniczne konstrukcji. Punkt wyłączenia ma wartość z przedziału od 23 do 27 m/s punkt prędkości znamionowej jest to prędkość wiatru, przy której turbina osiąga swoją moc znamionową. Zazwyczaj jest to prędkość z zakresu od 11 do 16 m/s. 2. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki mocy modelowej turbiny wiatrowej P=f(v) oraz zależności prędkości obrotowej turbiny od prędkości powietrza n=f(v) w tunelu aerodynamicznym przy stałym kącie natarcia łopat wirnika turbiny. 3. Metodyka badań a) opis stanowiska badawczego modelowej turbiny wiatrowej 1 2 3 4 5 6 7 Rys. 4. Schemat stanowiska badawczego: 1-wentylator, 2-tunel aerodynamiczny, 3-rurka Pitota, 4- model turbiny wiatrowej, 5- jednostka sterująca, 6 komputer, 7 jednostka INIT1 Rys. 5. Widok pulpitu programu SCADA 4
b) przebieg realizacji eksperymentu 1) Ustawić kąt nachylenia łopat modelu turbiny elektrowni wiatrowej zadany przez prowadzącego. 2) Włączyć jednostkę sterującą 5 3) Włączyć DC Lamp 1 i 2 (INIT1) 4) Ustawić Load selector w pozycji 2 5) Włączyć rejestrator, klikając na ikonkę START. 6) Ustawić MEAS w pozycji BEFORE. 7) Ustawić pierwszą wybraną nastawę 10 % (prędkość powietrza) suwakiem (AVE-1). 8) Odczytać pięciokrotnie prędkość przepływu powietrza (SVA-1) oraz prędkość obrotową turbiny (SV-1). 9) Odczytać pięciokrotnie napięcie (V_D) oraz natężenie prądu (I-DC). 10) Wyniki zapisać do tabeli 1. 11) Powtórzyć czynności 9-11 dla pozostałych nastaw z krokiem 10% do 50%. Po wykonaniu ćwiczenia należy wyłączyć wentylator (1), przesuwając suwak (AVE-1) na pozycję 0. c) prezentacja i analiza wyników badań Na podstawie wykonanych pomiarów wielkości charakterystycznych wykreślić charakterystyki P=f(v), n=f(v). Podstawowe wielkości należy wyznaczyć z następujących wzorów: 1) moc modelowej turbiny wiatrowej: P U I, W (1) gdzie: U - napięcie [V], I - natężenie prądu [A]. Wyniki badań oraz obliczeń charakterystycznych wielkości turbiny należy zapisać w tabeli 1. d) wnioski 1) Opisać zależność P=f(v) oraz n=f(v). 2) Opisać różnice pomiędzy krzywą mocy wyznaczoną w ćwiczeniu a krzywą mocy przedstawioną na rysunku 3. Wyjaśnić czym spowodowane są różnice. 5
Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów oraz obliczeń. Nastawa Kąt nachylenia łopaty turbiny do osi turbiny:. o n wentmax v v sr n n sr U U sr I I sr P sr % m/s m/s obr/min obr/min V V A A W 10 20 30 40 50 Imię i nazwisko studenta: Data wykonania ćwiczenia: 6
4. Wymagania BHP Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w laboratorium. W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego. Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia. Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach elektrycznych bez polecenia prowadzącego. 5. Sprawozdania studenckie Sprawozdania studenckie powinno zawierać następujące informacje: 1) Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł ćwiczenia, datę wykonania ćwiczenia, 2) Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem: a) cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, b) niezbędne związki teoretyczne, c) opis rzeczywistego stanowiska badawczego, d) przebieg realizacji eksperymentu, e) wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień, f) wykresy i charakterystyki, g) zestawienie i analiza wyników badań. 3) Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków. 6. Literatura 1. Foit H.: Zastosowanie odnawialnych źródeł ciepła w ogrzewnictwie i wentylacji, Gliwice, 2011 2. Klugmann-Radziemska E.: Odnawialne źródła energii : przykłady obliczeniowe, Gdańsk, 2011 3. BoczarT.:Wykorzystanie energii wiatru, Warszawa, 2010 4. Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii, Radom, 2011 5. Aldo Vieira da Rosa: Fundamentals of renewable energy processes, Amsterdam, 2009 6. L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: Pomiary w inżynierii sanitarnej, Arkady Warszawa 1980 7