Maszyny Elektryczne Nr 74.2006

Maszyny Elektryczne Nr 74.2006, PL

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
147
PORìWNANIE TURBIN WIATROWYCH
WIND TURBINES COMPARISON
Abstract: This article describes types of wind turbines, their constructions, advantages and disadvantages. It
presents simplify algorithm of wind Î mills calculations and comparison: yacht Î turbine JSW Î 800 Î 12
BOBRME ÐKomelÓsÐ production and VAWT constructions prototypes. The laboratory tests were performed
of both type turbines (3 sets). Figure 6 presents results of tests of power density vs. wind speed of described
turbines. The paper describes possibilities of wind Î mill exploitations.
1. Wstħp
Pozyskiwanie energii z wiatru to na dzieı dzi-
siejszy jedna z najbardziej efektywnych i opþa-
calnych metod, bazujĢcych na rozwiĢzaniach
niekonwencjonalnych. MoŇe byę ona wykorzy-
stywana zarwno na potrzeby systemw ener-
getycznych, jaki i na potrzeby odbiorcw indy-
widualnych. To w tym rozwiĢzaniu przewiduje
siħ przyszþoĻę. ĺwiadczy o tym stale rozwija-
jĢca siħ pozycja energetyki wiatrowej na Ļwie-
cie. Zasoby wiatru, ktre nadajĢ siħ na wytwo-
rzenie energii elektrycznej dajĢ cztery razy
wiħksze iloĻci energii niŇ wynosi jej globalne
zuŇycie w ciĢgu roku. Obecnie w Europie pro-
wadzonych jest szereg programw majĢcych na
celu promowanie tego sposobu pozyskiwania
elektrycznoĻci oraz poszukiwanie bardziej
efektywnych rozwiĢzaı konstrukcyjnych sa-
mych turbin wiatrowych.
V jednopþatowe
V dwupþatowe
V z trzema þopatami
2. Podziaþ turbin wiatrowych
Turbina obok generatora jest najwaŇniejszym
elementem elektrowni wiatrowej. Za jej po-
Ļrednictwem pozyskiwana jest energia mecha-
niczna ze strugi powietrza. Jej parametry kon-
strukcyjne decydujĢ o wþaĻciwoĻciach caþej si-
þowni, jakĢ posiada ona moc i prħdkoĻę obro-
towĢ. Od konstrukcji koþa wiatrowego zaleŇĢ
gabaryty urzĢdzenia. W oparciu o rozwiĢzanie
tego problemu dobierane sĢ kolejne elementy
caþego urzĢdzenia, jak np. generator, przekþad-
nia lub jej brak oraz wysokoĻę masztu lub kon-
strukcji noĻnej.
Silniki wiatrowe moŇemy podzielię na:
poziomej osi obrotu Î HAWT (Horizontal
Axis Wind Turbine)
V silniki wielopþatowe
Artur Polak, Marcin Baraıski
BOBRME Komel, Katowice
148
V wyposaŇone w dyfuzor
3. Algorytm obliczeniowy turbin wiatro-
wych
V wykorzystujĢce efekt Magnusa
W tej czħĻci pracy przedstawiono algorytm po-
zwalajĢcy okreĻlię w przybliŇony sposb opty-
malne parametry i wytyczne konstrukcyjne dla
turbin o osi obrotu poziomej jak i pionowej.
zakþadana jest prħdkoĻę wiatru
, tempera-
tura , ciĻnienie powietrza
għstoĻę powietrza
r
=
r
1
1
( )
+
1
1
pionowej osi obrotu Î VAWT (Vertical Axis
Wind Turbine)
V Savonius
- temperatura dla znanej għstoĻci po-
wietrza
- ciĻnienie powietrza dla znanej għsto-
Ļci powietrza
- znana għstoĻę powietrza
prħdkoĻę wiatru za turbinĢ
n =
n
0
2
3
prħdkoĻę w turbinie
n
=
n
0
-
n
2
1
2
ciħŇar wþaĻciwy
=
wysokoĻę turbiny
liczba þopat
Ļrednica turbiny
Ļrednica wewnħtrzna turbiny
powierzchnia
- turbiny HAWT
V Turbina DarrieusÓa
p=
2
4
V H-Rotor
- Savonius
=
masa powietrza przepþywajĢcego przez
koþo wiatrowe w ciĢgu sekundy
=ßß
objħtoĻę powietrza w turbinie
µ
µ
=
g
V Turbina Ļwiderkowa
teoretyczny wspþczynnik wykorzystania
wiatru
1
Ç
Ä
n
Ô
2
×
Ä
+
n
Ô
x
=
µ
È
É
1
-
Å
Æ
2
Õ
Ö
Ø
Ù
µ
Å
Æ
1
2
Õ
Ö
2
È
n
Ø
n
0
0
wspþczynnik szybkobieŇnoĻci
149
- liczba elementw, na ktre podzielona
jest þopata turbiny HAWT
dþugoĻę wycinka þopaty
siþa wywierajĢca nacisk osiowy
=
µ
+
v
0
µ
-
=
siþa hamujĢca
2
µ
promieı þopaty - þopatħ podzielona jest na
kawaþkw i obliczenia prowadzone sĢ dla
tej liczby elementw þopaty, k-ty ele-
ment þopaty - HAWT
=
µ
siþa napħdzajĢca
v
µ
=
0
=
+
µ
2
siþa powodujĢca obrt turbiny
- Savonius
=
-
=
2
sprawnoĻę aerodynamiczna
sprawnoĻę mechaniczna
moc turbiny wiatrowej
- HAWT
prħdkoĻę obrotowa koıcwki þopaty
=
30
µ
µ
n
1
p
µ
=
h
Ã
=
prħdkoĻę obwodowa
1
=
p
µ
µ
- Savonius z dwiema þopatami
30
= h
µ
prħdkoĻę wzglħdna strugi powietrza w kole
wiatrowym
- Savonius z czterema þopatami
=
v
2
1
+
2
=
h
2
µ
szerokoĻę þopatki
moment obrotowy turbiny wiatrowej
- HAWT
=
[
4p
µ
(
µ
v
1
µ
( )
v
0
-
v
2
]
)
µ
µ
+
v
µ
Ã
=
0
=
h
siþa noĻna
1
= r
µ
µ
2
- Savonius z dwiema þopatami
= h
µ
2
siþa oporu
- Savonius z czterema þopatami
= r
µ
µ
2
=
h
µ
2
2
4. HAWT vs VAWT
,
Î wspþczynniki siþy oporu oraz siþy
noĻnej zaleŇne od przyjħtego profilu þopaty
PoniŇej przedstawiono porwnanie turbiny
jachtowej JSW Î 800 Î 12 z dwoma prototy-
pami turbiny o pionowej osi obrotu, nad kt-
rymi prowadzone sĢ badania w laboratorium
BOBRME áKomelÑ.
siþa aerodynamicz
na
=
2
+
2
150
5. Zalety oraz wady silnikw wiatrowych
v
konstrukcje o poziomej osi obrotu
o
zalety:
V posiadajĢ wyŇszĢ sprawnoĻę od tur-
bin o pionowej osi obrotu,
V posiadajĢ estetyczny i harmonijny
wyglĢd.
o
wady:
V ze wzglħdu na wysokĢ prħdkoĻę
obrotowĢ
V wymagajĢ mechanizmu, ktry przy
bardzo silnym wietrze ogranicza ob-
roty turbiny,
V wymagajĢ mechanizmu ánaprowa-
dzania na wiatrÑ,
V w przypadku umieszczenia generatora
w gondoli wymagajĢ zastosowania
poþĢczeı Ļlizgowych
konstrukcje o pionowej osi obrotu
o
zalety:
V jednakowa praca niezaleŇna od kie-
runku wiatru - nie wymagajĢ mecha-
nizmu áustawiania na wiatrÑ, a wiħc
uproszczona konstrukcja mechaniczna
oraz sterowanie,
V moŇliwoĻę þatwego montaŇu na obie-
ktach - nie jest konieczne budowanie
wysokich masztw,
V moŇliwoĻę montaŇu na dachach bu-
dynkw, sþupach, istniejĢcych kon-
strukcjach masztw, itp,
V cicha praca - nawet przy maksy-
malnej prħdkoĻci obrotowej.
V odpornoĻę na silny wiatr - nie wy-
maga zatrzymania nawet przy wietrze
o prħdkoĻci 40 m/s - ksztaþt wirnika
zapewnia aerodynamiczne ogranicze-
nie prħdkoĻci obrotowej,
V odpornoĻę w warunkach zimowych na
pokrycie szadziĢ, szronem czy lepkim
Ļniegiem - dziħki niewielkiej Ļrednicy
i niskiej prħdkoĻci obrotowej, niewy-
waga wirnika z tego powodu nie po-
woduje duŇych niebezpiecznych
drgaı,
V bezobsþugowa praca zespoþu prĢdo-
twrczego Î brak poþĢczeı Ļlizgo-
wych
V moŇliwa jest konstrukcja przenoĻna
dziħki þatwemu montaŇowi i demonta-
Ňowi,
v
Dla przedstawionych konstrukcji wykonano
szereg testw majĢcych na celu porwnanie
turbin HAWT oraz prostych konstrukcji
VAWT. Ze wzglħdu na rŇnice gabarytowe
urzĢdzeı przedstawione poniŇej charakterystyki
zostaþy przeliczone na 1
powierzchni koþa
wiatrowego dla wszystkich badanych rozwiĢ-
zaı.
300
Rodzaje turbin
Savonius z czterema lopatami
Savonius z dwiema lopatami
Elektrownia jachtowa przy kacie
zaklinowania 20 st.
200
Moc
P [W]
100
0
0
4
8
12
16
v
Predkosc wiatru
v [m/s]
151
V stosunkowo niski koszt w porwnaniu
z klasycznym wiatrakiem o poziomej
osi obrotu,
V estetyczny wyglĢd - podczas pracy
wraŇenie cyklicznej zmiany ksztaþtu,
daje nowe moŇliwoĻci umieszczenia
reklam czy teŇ wykorzystania jako
element scenografii krajobrazu,
o
wady:
V niska sprawnoĻę, aby wytworzyę takĢ
samĢ iloĻę energii, co tradycyjne tur-
biny wymagajĢ znacznie wiħkszych
gabarytw,
V ze wzglħdu na niewielkĢ prħdkoĻę ob-
rotowĢ potrzebny jest generator
wolnobieŇny lub przekþadnia, ktrej
zastosowanie zmniejsza dodatkowo
sprawnoĻę urzĢdzenia i przyczynia
siħ do zwiħkszenia emisji haþasu.
6. MoŇliwoĻci wykorzystania
produkcja energii elektrycznej na skalħ
lokalnĢ bĢdŅ krajowĢ,
podĻwietlanie tablic informacyjnych i re-
klamowych nocĢ Î konstrukcje VAWT
nie wymagajĢ wysokich masztw,
miejsca, gdzie wiejĢ ekstremalnie silne
wiatry: grskie chaty, nadmorskie pen-
sjonaty Î morze i gry to miejsca gdzie
wiatr moŇe osiĢgaę ogromne prħdkoĻci.
Turbiny o pionowej osi obrotu doskonale
sprawdzajĢ siħ w takich warunkach
i dziħki nim osiĢgajĢ o wiele lepsze para-
metry niŇ ma to miejsce w warunkach
normalnych,
dachy budynkw, wieŇowcw Î symula-
cje komputerowe pokazujĢ ok. 30%
zwiħkszenie prħdkoĻci wiatru kilka me-
trw nad dachem w porwnaniu do prze-
pþywu bez obecnoĻci budynku. Daje to
ponad dwu-krotny wzrost mocy uzyska-
nej dziħki usadowieniu turbiny w takim
miejscu,
balkony i tarasy,
domy jednorodzinne, ogrody, altanki
morskie znaki nawigacyjne,
rolnictwo - zasilanie elektryczne maszyn
i urzĢdzeı gospodarczych,
zasilanie pomp melioracyjnych,
hodowla ryb, zasilanie urzĢdzeı do napo-
wietrzania i rekultywacji zbiornikw
wodnych, podgrzewanie wody
ogrzewanie elektryczne w produkcji
szklarniowej.
7. Podsumowanie
W artykule przedstawiono kilka rozwiĢzaı kon-
strukcyjnych maþych siþowni wiatrowych. Po-
rwnaniu poddano dwa typy turbin, bħdĢcych
reprezentatywnymi dla swojej grupy:
turbinħ z poziomĢ osiĢ obrotu (trj-pþa-
towĢ) o Ļrednicy koþa wiatrowego 800
turbinħ z pionowĢ osiĢ obrotu (Savonius),
Opisano moŇliwoĻci wykorzystania tych urzĢ-
dzeı, a takŇe sposb projektowania turbiny
wiatrowej. Porwnano urzĢdzenia o poziomej
i pionowej osi obrotu. Tradycyjnie spotykane
turbiny z trzema þopatami doskonale wykorzy-
stujĢ strugħ wiejĢcego wiatru i sĢ przez to bar-
dzo efektywne, lecz majĢ kilka wad, ktre
ograniczajĢ ich zastosowanie. Turbiny VAWT
majĢ niskĢ sprawnoĻę oraz duŇe gabaryty, lecz
odznaczajĢ siħ kilkoma zaletami, ktre w pew-
nych warunkach sprawiajĢ, Ňe stajĢ siħ one
atrakcyjnĢ alternatywĢ.
Literatura
[1]. W. Jagodziıski ÐÑ; PWT. War-
szawa 1959
[2]. W. Nowak, A. Stechel Ð
Ñ;FRPZ. Szczecin 2004
[3]. R.Konieczny Ð vÑ -
artykuþ: Czysta Energia 03/2005
[4]. M.Hackleman Ð Ñ -
Backwoods Home Magazine: 03/04 2000
[5]. P. Cooper, O. Kennedy Ðv
v v Ñ;
Austalia 1998
[6]. S. Krohn Ð; 2002
[7]. T.Burton, D.Sharpe, N.Jenkins, E.Bosanyi
ÐÑ; 2001
[8]. G.L.Johnson ÐÑ; 2001
[9]. H.Dobesch, G.Kury Ð
;
Austria. 2000
Autorzy
dr inŇ. Artur Polak
BOBRME Komel, 41-209 Sosnowiec,
ul. Moniuszki 29; tel. (032) 299-93-81 wew.21;
e-mail: labor@komel.katowice.pl
mgr inŇ. Marcin Baraıski
BOBRME Komel, 41-209 Sosnowiec,
ul. Moniuszki 29; tel. (032) 299-93-81 wew.22;
e-mail: labor@komel.katowice.pl
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

mement.xlx.pl