Inynieria Rolnicza 5(130)/2011

243

PROBLEMATYKA WYKORZYSTANIA ENERGII WIATRUW GOSPODARSTWIE ROLNYM

Edyta Reiter, Leon KukiekaKatedra Mechaniki Technicznej i Wytrzymaoci Materiaw, Politechnika Koszaliska

Streszczenie. Praca dotyczy moliwoci zwikszenia wykorzystania energii elektrycznej po-zyskiwanej z wiatru w gospodarstwie rolnym. Zobrazowano rejony Polski, na ktrych mo-liwe jest zastosowanie siowni wiatrowych. Przedstawiono problematyk obliczania i doborusiowni wiatrowej w zalenoci od indywidualnych potrzeb i lokalizacji gospodarstwa rolne-go. W tym celu na Wydziale Mechanicznym Politechniki Koszaliskiej opracowano autor-skie aplikacje w systemie ANSYS pozwalajce na obliczenia wytrzymaociowe najwaniej-szych elementw siowni. Przedstawiono przykadowe obliczenia przepywu powietrza przezopat oraz obliczenia wytrzymaociowe opaty i wiey.

Sowa kluczowe: energia wiatru, siownia wiatrowa, rolnictwo, Ansys, badanie przepywwpowietrza, obliczenia wytrzymaociowe

Inynieria wiatrowa a rolnictwo

W 2010 roku wprowadzono now, korzystn polityk wspierania samodzielnych pod-miotw przetwarzajcych energi wiatru np. w energi elektryczn. Dziki temu nastpujedynamiczny rozwj odnawialnych rde energii i ich zastosowanie w wielu gaziachgospodarki. Do nich naley midzy innymi rolnictwo, wykorzystujce na swoje potrzebyznaczn ilo energii elektrycznej. W oglnym rozrachunku Polska jest importerem ener-gii. Struktura gospodarki energetycznej Polski jest nadal zbyt jednostronna. Dla typowychprzemian energetycznych istotnym parametrem informujcym o prawidowoci przebieguprocesu produkcji jest jego sprawno [Wojdalski 1998]. Aby parametr ten by zadawala-jcy gospodarstwo nie powinno by uzalenione tylko od lokalnego dostawcy energii.Wane jest, aby posiadao rdo wasnej energii, zaprojektowane indywidualnie do swo-ich potrzeb. Naley przeama stereotypy o le zaprojektowanych urzdzeniach technicz-nych doprowadzajcych zbyt mae iloci energii elektrycznej lub ulegajcym czstym awa-riom ze wzgldu na wadliw konstrukcj. Raport Wizja rozwoju energetyki wiatrowejw Polsce do 2020 r. przewiduje udzia mocy zainstalowanej dla energetyki wiatrowejwynoszcy prawie 13 GW [Mroczek 2010], stanowic ekologiczne rdo energii o najni-szych nakadach inwestycyjnych. Moliwe bdzie rwnie instalowanie siowni wiatro-wych w gospodarstwach rolnych za spraw instytucji wspierajcych rozwj odnawialnychrde energii midzy innymi: Fundacja Rolnicza, Fundacja Programw Pomocy dla Rol-nictwa, EkoFundusz, Wojewdzkie Fundusze Ochrony rodowiska i Gospodarki Wodnej,Program Maych i rednich Grantw GEF. Najczciej pomoc obejmuje preferencyjne

Edyta Reiter, Leon Kukieka

244

kredyty lub dotacje do wysokoci 50% kosztw inwestycji. Istnieje rwnie moliwobezzwrotnego wsparcia wynoszcego 25% wartoci poniesionego kredytu [Wsparcie fi-nansowe 2011]. Programem tym moe by objta znaczna liczba z 1600 tys. gospodarstwrolnych, zlokalizowanych w korzystnych strefach energetycznych. Jednak budowane obec-nie siownie wiatrowe o poziomej osi obrotu, ze wzgldu na zbyt due moce (ponad 2MW) s za due a ze wzgldu na wysoki koszt, rwnie za drogie dla wielu gospodarstw.Alternatyw s mae siownie wiatrowe o pionowej i poziomej osi obrotu dostosowane doindywidualnych potrzeb i lokalizacji gospodarstwa.

Cele pracy

Celami pracy s: zaprezentowanie stanu energetyki wiatrowej oraz moliwoci jej rozwoju i wykorzy-

stania w gospodarstwach rolnych. opracowanie autorskich aplikacji w programie ANSYS do kompleksowych oblicze

zjawisk fizycznych wystpujcych w siowniach wiatrowych oraz do oblicze wytrzy-maociowych najwaniejszych ich elementw konstrukcyjnych.

przykadowe obliczenia przepywu powietrza przez opat oraz obliczenia wytrzymao-ciowe wybranych elementw siowni wiatrowej opaty i wiey.

Opacalno zastosowania siowni wiatrowych

Podstawowym parametrem oceny opacalnoci siowni wiatrowej w danych warunkachjest ilo wyprodukowanej energii elektrycznej [Flaga 2008], ktra zaley od pooeniagospodarstwa rolnego (lokalizacji siowni), czyli od strefy energetycznej wiatru. Korzystneuwarunkowania do zagospodarowania wiatru na obszarze ok. 60% powierzchni krajuotwieraj moliwoci rozwoju inynierii wiatrowej i wykorzystania jej w siowniach wia-trowych (rys. 1).

KoszalinChojnice Olsztyn

Suwaki

Szczecin

Pozna

Wrocaw

Krakw

Kielce

Warszawa

BielskoBiaa

II

IV

IV

II

I

IV

eba

II

Lesko

II III

SubiceIII

III

IIIZamo

IIIIII

Strefy energetyczne wiatru:I- wybitnie korzystnaII- korzystnaIII- do korzystnaIV- niekorzystna

rednioroczne prdkociwiatru:I V? 5m?s-1II- V? 4m?s-1III- V ? 3m?s-1IV- V< 3m?s-1

rdo: [Flaga 2008]http://elektrownie-wiatrowe.com.pl/realizacje.html

Rys. 1. Mapa redniorocznych prdkoci wiatru i stref energetycznych w PolsceFig. 1. Map of the year average wind speeds and energy zones in Poland

Problematyka wykorzystania energii...

245

Przykadowo, jeli gospodarstwo rolne bdzie si znajdowao w okolicach Poznania,czyli w strefie II, dla ktrej rednioroczna prdko wiatru wynosi V=4,0 ms-1 umiejsco-wienie tam siowni wiatrowej jest korzystne, gdy warto uyteczna energii pozyskiwanejz jednego m2 powierzchni koa wirowego w cigu roku wynosi 259,8 kWhm-2rok-1. Nato-miast gospodarstwa znajdujce si w strefie IV (V

Edyta Reiter, Leon Kukieka

246

Moc rozwijana przez strumie powietrza wyraa si wzorem [Stiebler 2008]:

3

2VACP p

= [W], (1)

gdzie:Cp wspczynnik mocy (zaleny od prdkoci wiatru i rodzaju siowni wiatrowej), gsto powietrza [kgm-3],A powierzchnia zakrelana przez wirnik [m2],V prdko wiatru przed wirnikiem [ms-1].Posiadajc dane techniczne siowni wiatrowej mona obliczy moc jak uzyska si przy

danej prdkoci wiatru (rys. 2) przez przykadow siowni wiatrow o pionowej osi obro-tu:

8351464221340 3 ,,,P = [kW],

oraz przez porwnywaln siowni o poziomej osi obrotu:

933142450221410 3 ,,,,P = [kW],

rdo: opracowanie wasne autorw

Rys. 2. Przykadowa siownia wiatrowa: a) o pionowej osi obrotu, b) o poziomej osi obrotuFig. 2. Example of wind turbine: a) with vertical axis, b) with horizontal axis

Dla wymaganej mocy siowni naley dobra generator prdu oraz dokona szczego-wych oblicze przepywu powietrza przez opat, zaprojektowa konstrukcj oraz prze-prowadzi obliczenia wytrzymaociowe i optymalizacyjne opaty i wiey.

Przykadowe wyniki oblicze, przeprowadzonych przy pomocy opracowanych aplikacji,przedstawiono na rysunkach 3-5. Zaoono, e cz robocza opaty zostaa zbudowanaz duraluminium PA6, a wiea i element czcy opat z piast s wykonane ze staliS355N. Oba te materiay zostay zamodelowane jako materia sprysto-plastyczny. Wa-ciwoci materiaowe duraluminium PA6: modu Younga E=72,5 GPa, wspczynnik Pois-sona =0,33, naprenia uplastyczniajce 0=145 MPa i modu umocnienia ET=100 MPa.Waciwoci materiaowe stali S355N: E=210 GPa, =0,27, 0=355 MPa i ET=610 MPa.

Problematyka wykorzystania energii...

247

rdo: [Reiter i in. 2011]

Rys. 3. Przepyw powietrza przez opatFig. 3. Air flow by the blade

rdo: [Reiter i in. 2011]

Rys. 4. Stan napre zastpczych (a) i stan odksztace zastpczych (b) obliczanej opatyFig. 4. States of equivalent stress (a) and equivalent strain (b) in the calculated turbine blade

rdo: opracowanie wasne autorw

Rys. 5. Stan napre zastpczych (a) i stan odksztace zastpczych (b) w wiey o konstrukcjisegmentowej lub stokowej

Fig. 5. State of equivalent stress (a) and state of equivalent strain in the segmental or conicaltower

Edyta Reiter, Leon Kukieka

248

Wnioski

1. Z analizy stref energetycznych Polski wynika, e moliwe jest zwikszenie wykorzy-stania energii wiatru w wielu gospodarstwach rolnych.

2. Oferowane siownie wiatrowe o poziomej osi obrotu s za due i za drogie. Dlatego tenaley opracowa typoszereg nowych konstrukcji siowni maej mocy o poziomeji pionowej osi obrotu, dostosowanych do indywidualnych potrzeb oraz lokalizacji go-spodarstwa rolnego.

3. Opracowane autorskie aplikacje w systemie ANSYS umoliwiaj przeprowadzeniepodstawowych oblicze siowni wiatrowych w procesie ich projektowania, a gwnie:przepyw wiatru, obliczenia wytrzymaociowe, zmczeniowe, optymalizacyjne naj-waniejszych czci tj. opaty i wiey. Aplikacje mog by rwnie przydatne podczasdoboru siowni do okrelonego gospodarstwa.

4. Z przeprowadzonych przykadowych oblicze wynika, e siownie o poziomej i piono-wej osi obrotu o zblionych wymiarach uzyskuj porwnywalne moce.

5. Niebezpiecznym przekrojem opaty jest poczenie z piast, w ktrym naprenia mak-symalne wynosz MPa173= maxz . Natomiast w wiey najbardziej obcione s po-czenia pomidzy kolejnymi jej segmentami a w przypadku wiey stokowej jej po-czenie z fundamentem.

Bibliografia

Flaga A. 2008. Inynieria wiatrowa. Podstawy i zastosowania. Wyd. Arkady. s. 642-652.Stiebler M. 2008. Wind energy systems for electric power generation. Wyd. Springer. s. 12.Wojdalski J. 1998. Energia i jej uytkowanie w przemyle rolno-spoywczym. Wyd. SGGW.

s. 166-179.Reiter E., Patyk R. 2011. Wykorzystanie systemu Ansys do oblicze wytrzymaociowych siowni

wiatrowej. VII Konferencja studentw i modych pracownikw nauki Wydziau Mechanicznego.s. 139-144.

Mroczek J. 2010. Strona internetowa zawierajca Raport-Wizja rozwoju energetyki wiatrowejw Polsce do 2020 r. [dostp 20.03.2011]. Dostpny w Internecie: http://www.domrel.pl.

Wsparcie finansowe 2011. Strona internetowa zawierajca informacje o wsparciu finansowym.[dostp 20.03.2011]. Dostpny w Internecie: http://greenenergy.net.pl/finansowanie.html.

Problematyka wykorzystania energii...

249

PROBLEM STATEMENT OF WIND ENERGY ISSUESON THE FARM

Abstract. The work concerns the possibility of increasing use of electricity generated from windfarm. Illustrated the Polish regions, where it is possible to use wind turbines. Presents problems ofcalculation and selection of wind turbine, depending on individual needs and location of the farm. Tothis purpose, the Department of Mechanical Engineering Technical University of Koszalin copyrightapplications developed in ANSYS system allowing key elements of strength calculations the gym.Shown sample calculations of air flow by blade and the endurance calculation of blade and tower.

Key words: wind energy, wind power farm, agriculture, Ansys, the study of air flow, strength calcu-lations

Adres do korespondencji:Edyta Reiter, e-mail: edyta.reiter@wp.plKatedra Mechaniki Technicznej i Wytrzymaoci MateriawPolitechnika Koszaliskaul. Racawicka 15-1775- 620 Koszalin

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /CropGrayImages true /GrayImageMinResolution 300 /GrayImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageMinDownsampleDepth 2 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /CropMonoImages true /MonoImageMinResolution 1200 /MonoImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /CheckCompliance [ /None ] /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputConditionIdentifier () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName () /PDFXTrapped /False

/SyntheticBoldness 1.000000 /Description > /Namespace [ (Adobe) (Common) (1.0) ] /OtherNamespaces [ > /FormElements false /GenerateStructure true /IncludeBookmarks false /IncludeHyperlinks false /IncludeInteractive false /IncludeLayers false /IncludeProfiles true /MultimediaHandling /UseObjectSettings /Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (2.0) ] /PDFXOutputIntentProfileSelector /NA /PreserveEditing true /UntaggedCMYKHandling /LeaveUntagged /UntaggedRGBHandling /LeaveUntagged /UseDocumentBleed false >> ]>> setdistillerparams> setpagedevice