prof. dr hab. inż. Józef FLIZIKOWSKI

WIM UTP w Bydgoszczy

[e-mail]

PODSTAWY INNOWACJI,

ROZWOJU I FINANSOWANIA

OZE

(PROJEKT)

Projekt: „Doskonalenie umiejętności i kwalifikacji zawodowych kadr technicznych

w Polsce - studia podyplomowe”

Zadanie 5: BUDOWA I EKSPLOATACJA ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII - BiEOŹE

Przykład projektowy nr 1:

Dobrać, zaprojektować i ocenić siłownię wiatrową dla

potrzeb instalacji klimatyzacyjnej (chłodu) na

lotnisku Bydgoszcz, dla danych:

1. Roczny czas pracy instalacji 3.500h/rok;

2. Maksymalne zapotrzebowanie mocy 5kW;

3. Warunki wietrzne lotniska Szwederowo.

ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE

•

PRZEZNACZENIE –

wytwarzanie przemiennego prądu elektrycznego;

możliwość współpracy z siecią prądu zmiennego 230/380 V

•

KONSTRUKCJA –

nieskomplikowana, prosta do wykonania, możliwa do

wykonania przy użyciu technologii stosowanych w WZL Nr 2 S.A., przy produkcji

samolotów ultralekkich (CH-601 Zodiac HL i XL, Sonex, OPAL-1) oraz technologii

wdrożonych przy remontach samolotów szkolnych (TS-11 Iskra Bis-D) i bojowych (S-

54K, S-52UM3K, 9.12A, 9.51A, 9.12G, 9.51GT); średnica wirnika D = 8 m, wysokość

wieży H = 16 m

•

TYP WIATRAKA –

wiatrak małej mocy o poziomej osi obrotu, szybkobieżny Z

n

= 5

•

ZABEZPIECZENIA –

przed nadmierną prędkością obrotową, przeciwburzowe

•

LOKALIZACJA –

Bydgoszcz, teren zakładowy WZL Nr 2 S.A., klasa szorstkości

– 3, warunki jak na lotnisku Szwederowo

WYDAJNOŚĆ ENERGETYCZNA SIŁOWNI

•

ŚREDNIA ROCZNA PRĘDKOŚĆ WIATRU

V

H

= 4 m/s

•

CZAS WYSTĘPOWANIA WIATRÓW O ŚREDNIEJ ROCZNEJ

PRĘDKOŚCI

t

H

= 4573 h

•

PRZEWIDYWANA WYDAJNOŚĆ

- moc wiatru w warunkach normalnych (T = 288 K, p = 0.1 MPa, ρ = 1.225 kg/m

3

) :

P

w

= 1.97 kW

- roczna wydajność energetyczna na wale wirnika :

E

w

= 9 MWh

- rzeczywista roczna wydajność energetyczna (η

pr

= 0.95, η

g

= 0.8) :

E

r

= 7.27 MWh

MOC NOMINALNA SIŁOWNI

•

PRĘDKOŚĆ NOMINALNA WIATRU

V

n

= (1.6 ÷ 2) V

H

= 7.2 m/s

•

MOC NOMINALNA SIŁOWNI PRZY PRĘDKOŚCI

NOMINALNAEJ

(η

a

= 0.3)

P

n

= 6.9 kW

•

UŻYTECZNA MOC PRĄDNICY

(η

pr

= 0.95, η

g

= 0.8)

P

g

= 5.24 kW

•

DOBÓR PRĄDNICY

P

g

= 6 kW

PROPOZYCJA KONSTRUKCJI

ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE

•

USTAWIENIE WIRNIKA PRZED WIEŻĄ – dla uniknięcia drgań łopat, które

mogą być wzbudzane przy każdym obrocie, w wyniku przejścia łopat przez

„cień” aerodynamiczny wieży, gdy wirnik znajduje się za wieżą

•

WIRNIK TRÓJŁOPATOWY – w celu uniknięcia drgań wywołanych

zmiennością momentu żyroskopowego przy każdym obrocie

•

STAŁE ZAMOCOWANIE ŁOPAT W PIAŚCIE – bardziej niezawodne,

łatwiejsze i tańsze do wykonania

•

USTAWIANIE SIŁOWNI POD WIATR – za pomocą steru głównego

umieszczonego na belce wysięgnikowej

•

ZABEZPIECZENIE PRZECIWBURZOWE – za pomocą steru bocznego, który

będzie powodował odwracanie wirnika bokiem do wiatru

•

GŁOWICA OBROTOWA – przykręcona do ramy; oś głowicy ustawiona

centralnie i ułożyskowana tocznie na szczycie wieży, pozwalająca na swobodne

ustawianie siłowni w kierunku wiatru

•

HAMULEC AWARYJNY – działający w przypadku wystąpienia nadmiernych

wibracji całego układu

•

URZĄDZENIE ZATRZYMUJĄCE – powodujące ustawienie steru głównego

równolegle do steru bocznego i ustawiające wirnik bokiem do wiatru

•

WAŁ GŁÓWNY – łożyskowany na łożyskach tocznych

OBLICZENIA WIRNIKA

SIŁOWNI WIATROWEJ

DOBÓR PROFILU ŁOPAT WIRNIKA

CLARK Y

Grubość względna profilu g / b = 11.7 %

Położenie maksymalnej grubości względem noska profilu x

g

/ b = 30 %

CHARAKTERYSTYKI AERODYNAMICZNE PROFILU

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

K

ąt natarcia α [º]

W

s

p

ó

łc

z

y

n

n

ik

s

ił

y

n

o

śn

e

j

C

y

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

Wspó

łczynnik s iły oporu Cx

W

s

p

ó

łc

z

y

n

n

ik

s

ił

y

n

o

śn

e

j

C

y

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

0,17

0,18

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

K

ąt natarcia α [º]

W

s

p

ó

łc

z

y

n

n

ik

s

ił

y

o

p

o

ru

C

x

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

K

ąt natarcia α [º]

D

o

s

k

o

n

a

ło

ś

ć

K

•

PRĘDKOŚĆ OBWODOWA KOŃCÓW ŁOPAT

U = 36 m/s

•

PRĘDKOŚĆ KĄTOWA I OBROTOWA WIRNIKA

ω = 9 rad/s
n = 86 obr/min

•

KĄT USTAWIENIA PROFILU I CIĘCIWA ŁOPATY

- obliczenie prędkości obwodowej
- obliczenie prędkości względnej
- obliczenia kąta wypadkowej β
- przyjęcie kąta natarcia w przekroju α
- obliczenie kąta ustawienia profilu w przekroju δ
- wyznaczenie współczynników C

Y

i ε dla kąta α

- obliczenie długości cięciwy t
- określenie sprawności profilu w zadanym przekroju η

s

- zestawienie wyników obliczeń

BUDOWA MODELU 3D ŁOPATY

MODEL 3D ŁOPATY WIRNIKA

ZAŁOŻENIA DO OBLICZEŃ

WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH

•

MAKSYMALNA PRĘDKOŚĆ OBROTOWA WIRNIKA – może wzrosnąć o

30% w stosunku do prędkości nominalnej

n

max

= 112 obr/min,

ω

max

= 11.7 rad/s

•

PÓŁSKORUPOWY MODEL OBLICZENIOWY ŁOPATY – pokrycie nie

bierze udziału w pracy konstrukcji, elementem przenoszącym

obciążenia jest tylko dźwigar łopaty

•

POKRYCIE ŁOPATY – blacha duralowa o grubości g

p

= 0.5 mm, żebra z

blachy duralowej o grubości g

ż

= 1.5 mm rozmieszczone w odstępach

co 250 mm

•

DOPUSZCZALNA PRĘDKOŚĆ WIATRU przy jakiej siłownia może

pracować z mocą nominalną i przy normalnym ustawieniu

V

dop

= 16 m/s

•

UPROSZCZENIA W OBLICZANIU niektórych wartości sprzyjają

zwiększeniu stopnia bezpieczeństwa konstrukcji

WYZNACZENIE OBCIĄŻEŃ WIRNIKA

•

SIŁY ODŚRODKOWE P

R

–

rozciągające dźwigar i pokrycie

•

SIŁY PARCIA WIATRU P

W

–

wywołujące momenty gnące w

płaszczyźnie X-Z i Y-Z, oraz

moment żyroskopowy M

Ż

w czasie

obrotu głowicy z obracającym się

wirnikiem wokół wieży

•

Mimośrodowo działające SIŁY

ODŚRODKOWE od masy łopaty

P

R

i SIŁY CIĘŻKOŚCI łopaty P

G

wywołujące moment zginający w

poziomym położeniu łopaty,

moment występujący w czasie

awaryjnego hamowania M

H

oraz

moment obrotowy w czasie pracy

M

O

WYNIKI OBLICZEŃ

WYZNACZENIE NAPRĘŻEŃ W DŹWIGARZE

Przekrój A – mocowanie dźwigara w piaście, Przekrój B – nasada łopaty

NAPRĘŻENIA MAKSYMALNE

MAKSYMALNE NAPRĘŻENIA WYPADKOWE

σ

W(A)

= 153.5 MPa σ

W(B)

= 99.4 MPa

Przekrój A – mocowanie dźwigara w piaście

Przekrój B – nasada łopaty

W

M

M

M

M

M

M

A

P

W

M

A

P

H

O

e

G

Ż

w

R

W

R

G

R

W

2

2

2

2

2

2

+

+

+

+

+

+

=

+

=

+

=

σ

σ

σ

DOBÓR GATUNKU MATERIAŁU

WSPÓŁCZYNNIKI BEZPIECZEŃSTWA

WYKONANIE DŹWIGARA ZE STALI 30HGSA

•

WYSOKIE PARAMETRY WYTRZYMAŁOŚCIOWE
Rm = 1079 MPa, Re = 834 MPa, A

5

= 12.6%, Z = 44%

Z

rc

= 302 MPa, Z

rj

= 518 MPa, Z

go

= 431.6 MPa

•

WZGLĘDY TECHNOLOGICZNE
spawalność, obrabialność, obróbka cieplna

WSPÓŁCZYNNIKI BEZPIECZEŃSTWA

81

.

2

5

.

153

6

.

431

)

(

)

(

=

=

=

A

W

go

A

Z

n

σ

34

.

4

4

.

99

6

.

431

)

(

)

(

=

=

=

B

W

go

B

Z

n

σ

CHARAKTERYSTYKI ŚRODOWISKOWE

POZIOM MOCY AKUSTYCZNEJ SIŁOWNI

generowanej przez siłownię wiatrową

L

N

= 90.5 dB

POZIOM CIŚNIENIA AKUSTYCZNEGO

w danej odległości od siłowni

L

P(15m)

= 59 dB

L

P(100m)

= 42 dB

L

P(500m)

= 26 dB

Przykład projektowy nr 2:

Zaprojektować pojazd (rower, motocykl,

samochód osobowy, samolot …) jako FMCG

(Fast Moving Consumer Goods - produkty szybko

rotujące, dobra szybko zbywalne).

Rodzaje twórczości technicznej:

1.Olśnienie – racjonalizm;

2.Krytycyzm – racjonalizm;

Ad.1: OOAOR (odkrycie-opis-analiza-ocena-

rozwiązanie twórcze);

Ad.2: POAOR (pragmatyzm-opis-analiza-ocena-

rozwiązanie twórcze)

Warunki użytecznej twórczości

innowacyjnej:

1. Metateoria,

2. Odkrycie, olśnienie,

3. Praktyczna użyteczność.

1. Sformułowanie problemu
2. Analiza stanu techniki (sposobów),

patentów, ofert, folderów, bibliografii

3. Dobór modeli (typu), kryteriów i racji

projektowo-technologicznych

4. Decyzja i wybór koncepcji nowej,

ekologicznej, optymalnej, założenia,

obliczenia, estymacja, opis, badania,

dokumentacja, przyrządy, opisy

własności intelektualnej, studium

wykonalności, biznes plan

5. Opracowanie końcowe

1.Sformułowanie problemu

technologicznego:

Jakie warunki technologiczne (konstrukcji,

przetwórstwa, wytwarzania, ...) WP są

niezbędne do zaistnienia postulowanego stanu

(efektywności działania, jakości produktu, ...)

procesu i produktu SP?

Mapa drogowa:
• Charakterystyka wsadu, wejścia,
• Schemat technologiczny, warunki, ograniczenia,

założenia, parametry procesu,

• Postulowany stan produktu, procesu,
• Monitorowanie stanów i przemian

2. Analiza stanu techniki (środków, sposobów):

Kryterialna, krytyczna, syntetyczna ocena technologii

budowy i użytkowania, metod badań OZE,

przetwórstwa materiałowego, energetycznego;

tematycznych patentów, ofert producentów, DTR,

folderów, wykładów. Literatura, bibliografia.

Mapa drogowa:

• Dobór źródeł,

• Dobór kryteriów analizy; opisy, dokumenty i zapisy,

• Ocena aktualnego stanu zagadnienia,

• Wytyczne do zadania własnego

3/4.Dobór modeli (typu), decyzje i wybór

rozwiązań:

Analogie z typowymi technologiami. Liczne modele,

koncepcje technologiczne. Kryteria i racje oceny

koncepcji. Wybór optymalny - kontrola.

Mapa drogowa:
• Standard rozwiązania,
• Koncepcja optymalna,
• Założenia, obliczenia, oceny,
• CAE, obrabiarki, przyrządy, narzędzia,
• Nowe algorytmy, oprzyrządowania,
• Dokumentacja badawcza, technologiczna, opis

nowości

5. Opracowanie końcowe

Przykład projektowy nr 3:

Zaprojektować POJAZD jako AiO (All-in-One;

wszystko w jednym; energia cieplna, elektryczna,

mechaniczna, chemiczna, informacja, masa, …)

Przykład projektowy nr 4:

Sformułować problem i przeprowadzić suboptymalne

koncypowanie rozwiązań dla gospodarstwa rolnego o pow.

użytkowej 100ha/III-IV kl. gruntów, uczestniczącego w

gminnym programie energetycznym odnawialnych źródeł

energii (20%OZE=8.000GJ/gminę ) - dla strategii biomasy:

1. Biogaz (BG),

2. Biopaliwa płynne (BPP),

3. Biomasa stała (BMS),

4. Samowystarczalności (BG+BPP+BMS).

Obliczyć energię, moce cieplną i elektryczną z produkcji,

wiedząc, że potrzeby: energii cieplnej stanowią 58%, paliw do

pojazdów (ZS/ZI=80/20) 34%, a potrzeby energii elektrycznej

stanowią 8% łącznego zapotrzebowania w gminie.

Zaproponować oszczędne i pro efektywne warianty rozwiązań.

Sprawność procesów cieplnych wynosi 0,7, elektrycznych –

0,5, paliwowych 0,9 (do estryfikacji).

Przykład projektowy nr 5:

Dobrać, zaprojektować i ocenić odnawialne źródła

energii dla trzech gospodarstw autonomicznych:

dom o powierzchni użytkowej 100m2. W wykonaniu

1. standardowym (-110)kWh/m2/rok;

2. energooszczędnym (-30)kWh/m2/rok

3. dla domu pasywnego (-15)kWh/m2/rok

4. Energo-aktywnym (+10)kWh/m2/rok.

Obliczyć energię, moce w układzie, wiedząc, że:

energia cieplna stanowi 58%, paliw do pojazdów 34%, a

potrzeby energii elektrycznej wynoszą 8% łącznego

zapotrzebowania energii w gospodarstwie. Zaproponować

oszczędne, pasywne i aktywne rozwiązania pojazdów i

elektryczności.Sprawność procesów cieplnych wynosi 0,7,

elektrycznych – 0,5, paliwowych 0,9 (do estryfikacji).

Model systemu z zaznaczonymi sprawnościami procesowania energii:

Analiza sprawności środowiskowego procesowania energii w systemie:

1

/

1

yo

xs

s

o

E

E

=

η

,

xs

ys

s

E

E

=

η

,

ys

yo

o

s

E

E

2

2

/

=

η

,

?)

(

?)

(

1

2

2

1

/

1

jakich

Ezasobów

jak

Ezuzyta

E

E

E

E

E

E

E

E

yo

yo

ys

yo

xs

ys

yo

xs

s

o

=

=

⋅

⋅

=

η

Funkcja celu działania systemu
energetycznego w otoczeniu
użytkowników:

2

yo

ys

E

E

≥

SPRAWNOŚĆ: