WPŁYW BUDOWY WIRNIKA ORAZ KIERUNKU PADANIA WIATRU NA WYTWORZONĄ MOC

ZNAMIONOWĄ TURBINY WIATROWEJAutorzy pracy: Aleksandra Budrys, Barbara Kowalska, Katarzyna Tomczyk

uczennice Gimnazjum Nr 9 im. Jana Pawła II w Kaliszu

Bardzo ważnym problemem w dzisiejszych czasach jest wyczerpywanie nieodnawialnych źródeł energii. Według wielu szacunków, ziemskie zasoby tych źródeł wystarczą na zaledwie kilka pokoleń. W tym celu należy zwiększyć procent udziału odnawialnych źródeł energii, między innymi takich jak: energia słoneczna, wiatrowa, wody, geotermalna, biogaz, wodór, w ogólnym światowym bilansie energetycznym.

Zasoby paliw naturalnych

• Według Danish Ministry of Energy całkowite zasoby paliw wystarczą:• w przypadku węgla na 200 lat,• w przypadku ropy na 100 lat,• w przypadku gazu na 150 lat.• Wzrost zużycia tych paliw o 2% (bardzo ostrożne założenie!!!), skróci czas ich

wyczerpania do odpowiednio 150, 55 i 100 lat.

W wyniku spalania paliw naturalnych, oprócz ciepła, powstają gazy spalinowe oraz popioły i żużle.

Głównym składnikiem spalin powstających przy spalaniu paliw stałych jest:

- dwutlenek węgla CO2,- dwutlenek siarki SO2,- tlenek węgla CO,- tlenki azotu NOx,- para wodna H2O,- sadza,- pył.

• Jednym z bardzo dobrych, alternatywnych źródeł energii jest wiatr. Może on znaleźć zastosowanie w Polsce jako nośnik energii w turbinach wiatrowych. Szacuje się, że dolną granicą opłacalności małych turbin wiatrowych jest prędkość wiatru 4m/s.

Cel pracy

Celem pracy było laboratoryjne zbadanie wpływu kształtu łopatek, ich ilości oraz kąta ich nachylenia względem wiatru, na moc znamionową wirnika.

Ponadto, w pracy dokonano analizy mocy turbin dla różnych kierunków padania wiatru.

• Eksperyment przeprowadzono za pomocą laboratoryjnego stanowiska pomiarowego, w skład którego wchodziły: wentylator, turbina wiatrowa z możliwością wymiany łopatek wirnika, wzorcowy rezystor, amperomierz oraz woltomierz.

Warianty turbin zastosowanych w eksperymencie

Wariant Kształt łopatek

Liczba łopatek

Kąt nachylenia

łopatek

Kąt padania wiatru

IWyprofilowany

( W )

3

25

090

II 50 III 90 IV

Prostokątny ( P )

25 V 50 VI 90 VII Wyprofilowany

4 25 VIIIProstokątny

Za pomocą termoanemometru zmierzono prędkość wiatru tuż przed turbiną wiatrową. Dla wszystkich wariantów zastosowanych turbin utrzymano jednakową prędkość wiatru Vwiatru wynoszącą 4,6 [m/s].

Porównanie wpływu ilości łopatek n na moc znamionową PN = f (w):łopatki wyprofilowane: wariant I (n=3, W, ł=25), wariant VII (n=4, W, ł=25),łopatki prostokątne: wariant IV (n=3, P, ł=25), wariant VIII (n=4, P, ł=25)

Wyniki badań

Zauważono ponadto, że dla wszystkich pozostałych wariantów (I, II, IV, V, VII, VIII), dla kąta padania wiatru w > 60 moc znamionowa wynosi zero. Dla wszystkich wymienionych wariantów znaleziono i zaproponowano uogólnioną zależność wielomianową stopnia trzeciego w zakresie w=(0,60):

DwC2wB3

wANP

Stałe równania Wariant A B C D R2

I(n=3, W, ł=25)

0,0011 0,1053 1,2631 73,372 0,9929

II(n=3, W, ł=50)

0,0001 0,0121 0,0658 11,130 0,9965

IV(n=3, P, ł=25) 0,00006 0,0076 0,0326 12,180 0,9988

V(n=3, P, ł=50) 0,00002 0,0024 0,0043 3,105 0,9952

VII(n=4, W, ł=25)

0,0003 0,0318 0,3363 25,036 0,9942

VIII(n=4, P, ł=25) 0,0002 0,0181 0,1897 15,640 0,9987

DwC2wB3

wANP

Na podstawie pomiarów wyznaczono współczynnik mocy ε oraz wydajność turbiny η:

wiatru

N

P

P

id

N

P

P

Obliczone wartości współczynników mocy oraz wydajności turbin dla wirników

o kącie nachylenia łopatek ł=25

Wariant Pwiatru [W] Pid [W] PN ε [%] ɳ [%]

I

(n=3, W, ł=25)

0,458 0,272 0,0750 16,4 27,6

Największe wydajności turbin, uzyskano dla wirników zaopatrzonych w trzy łopaty. Wartość ponad 27%, odpowiada rzeczywistym turbinom które pracują w środowisku.

Wnioski

1. Moc turbiny zależy od kąta nachylenia łopatek wirnika ł. Największe moce znamionowe uzyskano dla wirników,w których łopaty zostały ustawione pod kątem nachylenia 25. Nie uzasadnione jest stosowanie turbin z kątem nachylenia 90.

2. Moc turbiny zależy od kierunku, z którego strumień powietrza pada na turbinę wiatrową. Największe moce uzyskano dla kierunku wiatru, który bezpośrednio (prostopadle) padał na turbinę wiatrową (w = 0). Dla kąta padania wiatru większego niż 60 wartości mocy, wynosiły praktycznie zero dla wszystkich przebadanych wariantów.

3. Moc turbiny zależy od kształtu łopatek wirnika. Większe wartości uzyskanej mocy otrzymano dla turbin o wyprofilowanym kształcie łopatek w porównaniu z łopatkami prostokątnymi. Dla trójłopatowych turbin wiatrowych o wyprofilowanym kształcie (ł = 25, w = 0), uzyskano wartość mocy znamionowej o ponad 6 razy większą względem identycznej turbiny o prostokątnym kształcie łopat. Odpowiednio dla czterołopatowych turbin, zauważono 66% wzrost wytworzonej mocy znamionowej, dla łopat wyprofilowanych względem łopat prostokątnych.

4. Moc turbiny zależy od ilości łopatek. Większe moce znamionowe uzyskano dla turbin trójłopatowych, niż dla czterołopatowych w przypadku ich wyprofilowanego kształtu. Zaobserwowano wówczas jej 3 krotny wzrost. Dla turbin z prostokątnymi łopatami wzrost ten był o 25% większy na korzyść wirników czterołopatowych.

Bardzo dziękujemy za uwagę!

Krótka fotorelacja z naszych badań

Dla chcących zgłębić wiedzę na temat naszych pomiarów, więcej informacji zawarłyśmy w naszej pracy, którą przedstawiamy poniżej.