Politechnika Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Elektroenergetyki
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia:
Badania stanów pracy elektrowni wiatrowej
Numer ćwiczenia: 7
Laboratorium z przedmiotu:
Podstawy Elektroenergetyki
Kod:
Opracował:
mgr inż. Marcin Sulkowski
2006
1. Wiadomości podstawowe  budowa i zasada działania elektrowni
wiatrowych
1.1 Wiatr
Zależność mocy oddawanej przez elektrownię wiatrową ( w trzeciej potędze) od
prędkości wiatru powoduje, że decyzja o budowie elektrowni lub farmy wiatrowej musi być
poprzedzona długotrwałymi pomiarami prędkości wiatru. Wymagane, minimalne średnie
roczne prędkości wiatru to wartości około (4 6) m/s.
Rys 1. Prędkości wiatru i jego energii dla przykładowej elektrowni wiatrowej
Prędkość wiatru zmienia się w zależności od wysokości nad ziemią. Wysoko nad ziemią
prędkości wiatru są podobne na dużych obszarach. Blisko nad ziemią prędkość wiatru spada
w skutek tarcia powietrza o powierzchniÄ™ ziemi.
Rys 2. Prędkość wiatru na różnych wysokościach w zależności od rodzaju terenu
Ukształtowanie terenu wpływa na zachowanie się strug powietrza omiatających dany
obszar. Wszelkie przeszkody terenowe powodują zawirowania (zmiany prędkości i kierunku
wiatru).
3
Rys 3. Wpływ przeszkód terenowych na przepływ wiatru
Różnice prędkości wiatru na małych odcinkach przestrzeni powodują powstawanie
naprężeń mechanicznych w turbinie, co może być przyczyną znacznego skrócenia czasu
pracy elektrowni wiatrowej.
1.2 Konstrukcje siłowni wiatrowej
Najważniejszym elementem siłowni wiatrowej jest wirnik przekształcający energię
wiatru w energię mechaniczną przekazywaną do generatora. Oprócz generatora w gondoli
(rys. 4) znajdują się także przekładnia, urządzenia sterujące, układy smarowania, chłodzenia,
hamulec tarczowy itp. Gondola i wirnik obracane sÄ… w kierunku wiatru przez silniki i
przekładnię zębatą znajdującą się na szczycie wieży, na której umieszczona jest gondola.
Wieża jest stalowa, w kształcie rury, rzadziej o konstrukcji kratownicowej.
Rys 4. Budowa gondoli elektrowni wiatrowej
4
Elementem elektrowni wiatrowej przenoszÄ…cym energiÄ™ wiatru na wirnik sÄ… Å‚opaty wirnika.
Większość łopat wirnika wykonana jest z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem.
Każda łopata składa się z dwóch powłok przymocowanych do belki nośnej. Zmiana kąta
ustawienia łopat wirnika realizowana jest przez układ hydrauliczny. Ze względów
aerodynamicznych istotna jest geometria płata łopaty wirnika , zwłaszcza:
- liczba płatów (zazwyczaj wykonuje się wirniki trójpłatowe),
- promień (wraz z liczbą płatów określa optymalną prędkość obrotową),
- sposób skręcenia płata ( zapewnia właściwy rozkład sił i momentów oraz powoduje lepsze
wykorzystanie płata i zmniejsza obciążenia mechaniczne).
Rys 5. Geometria ustawienia płata łopaty elektrowni wiatrowej
Urządzenia niewielkich mocy, przeznaczone dla małych, indywidualnych
użytkowników charakteryzują się znacznie prostszą budową. Nie mają mechanizmów zmiany
kąta ustawienia łopat, gondola jest zintegrowana z chorągiewką kierunkową. Często
konstrukcja ich wieży umożliwia ustawienie wirnika w osi pionowej, co jest równoznaczne z
wyłączeniem elektrowni.
1.3 Aerodynamika turbiny oraz moment napędowy turbiny
Tak jak już wspomniano elementem, dzięki któremu energia wiatru jest przenoszona na
wirnik generatora elektrowni wiatrowej są łopaty wirnika. Siła aerodynamiczna,
wprowadzająca łopaty w ruch, powstaje pod wpływem różnicy ciśnień, jaka wytwarza się po
dwóch stronach profilu łopaty. Różnicę ciśnień uzyskuje się przez ustawienie profilu pod
pewnym kątem w stosunku do kierunku przepływających strug powietrza. Wypadkowa siła
aerodynamiczna ma dwie składowe. Składowa nośna Pz jest prostopadła do wypadkowego
kierunku wiatru, natomiast składowa oporowa Px tworzy opór równoległy do wypadkowego
kierunku wiatru (rys 6).
5
Rys 6. Rozkład sił aerodynamicznych na łopacie wirnika
Wielkości siły nośnej oraz siły oporu wynoszą:
2
Á Å"Å
Pz (Ä… ) = Cz (Ä… ) Å" S Å"
2
2
Á Å"Å
Px (Ä… ) = Cx (Ä… ) Å" S Å"
2
gdzie: S- powierzchnia Å‚opat, Á - gÄ™stość powietrza, Å - prÄ™dkość wiatru, Ä… - kÄ…t natarcia,
Cz(ą),Cx(ą)  współczynniki siły nośnej i oporowej.
Współczynniki siły nośnej i oporowej oraz zależą od kształtu profilu i są funkcją kąta
natarcia wiatru na Å‚opaty.
Rys 7. Charakterystyki współczynników siły nośnej i oporowej w zależności od kąta natarcia
6
Charakterystyczną cechą aerodynamiki turbin jest to, że wywołuje ona turbulencje. Płaty
obracając się z dostatecznie dużą prędkością dostają się w obszary zawirowań, co znacząco
wpływa na powstające siły aerodynamiczne. Modelowanie tych zjawisk jest bardzo trudne i z
tego względu zjawiska te uwzględniane są w postaci dodatkowych współczynników
obliczanych na podstawie wzorów empirycznych. Turbulencje powstają także na końcówkach
płata i w miejscu gdzie łączy się on z piastą.
W obliczaniach siły aerodynamicznej współczynniki Cz i Cx korygowane są
dodatkowo przez wielkości zależne od stosunku prędkości obrotowej do prędkości wiatru.
Kształt funkcji opisującą te zależności określa się na zakładce  Aero panelu nastaw
programu ELW 11 (uwzględnia się w ten sposób wpływ turbulencji).
1.4 Sposoby sterowania
Wszystkie siłownie wiatrowe charakteryzują takie parametry pracy jak moc
nominalna oraz prędkości wiatru: załączania, nominalną, wyłączania i aby zapewnić
optymalne wykorzystanie tych parametrów należy zastosować układy sterowania. Ogólnie
mają one na celu wytworzenie żądanego poziomu mocy przy satysfakcjonującej jakości
energii elektrycznej i minimalizacji przeciążeń mechanicznych, co ma wpływ na wydłużenie
czasu pracy elektrowni. Wyróżnia się dwie koncepcje sterowania pracą elektrowni wiatrowej:
- ze stałą prędkością obrotową,
- ze zmienną prędkością obrotową.
Ponadto w przypadku sterowania można mówić o regulacji aktywnej lub o
samoczynnym (pasywnym) dostosowaniu prędkości obrotowej turbiny i kierunku ustawienia
do wiatru. Samoczynne określenie punktu pracy polega na zastosowaniu profilu płata, który
powoduje utknięcie (zahamowanie) wirnika przy dużych prędkościach wiatru. Regulacja
aktywna to zmiana kąta ustawienia płatów czy obciążenia.
Załączanie elektrowni wiatrowej odbywa się przy prędkościach (2 6,5) m/s, nominalne
warunki pracy to wiatry o prędkościach (9 16) m/s, prędkość wiatru 25 m/s powoduje z
reguły wyłączenie elektrowni. Dopóki wiatr nie osiągnie prędkości nominalnej dla danego
typu elektrowni, strategia sterowania polega na wytworzeniu maksymalnej możliwej mocy.
Po wejściu w zakres normalnej pracy dąży się do utrzymania wytwarzanej mocy na
nominalnym poziomie.
Rys 8. Obszary pracy elektrowni wiatrowej w odniesieniu do prędkości wiatru
Poniżej wymieniono kilka metod regulacji mocy generowanej przez elektrownię wiatrową
uszeregowanych według popularności stosowania:
 regulacja ustawieniem elektrowni w kierunku wiatru (ang.: Yaw Control),
 regulacja kÄ…ta ustawienia Å‚opat (ang.: Active Pitch Regulation),
7
 regulacja przez zmianę obciążenia (ang.: Load Control).,
 regulacja przez  przeciągnięcie (ang.: Stall Regulation),
 regulacja lotkami Å‚opat wirnika (ang.: Aileron Control).
W programie ELW11 możliwe jest (w zależności od wybranych opcji) określenie
strategii sterowania dla trzech pierwszych metod. Dwie ostatnie metody wykorzystujÄ…
zjawiska aerodynamiczne, ich zastosowanie wymaga precyzyjnego określenia geometrii
płatów i dlatego stosowane są stosunkowo rzadko.
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi zasadami procesu sterowania oraz
wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni wiatrowej.
3. Program ćwiczenia
3.1 Opis programu  ELW11
Wprowadzanie parametrów
Wprowadzanie parametrów odbywa się w sposób typowy dla systemu Windows. Służą
do tego okna dialogowa i panel składający się z wielu zakładek wyświetlany po prawej
stronie ekranu. W celu umożliwienia długotrwałej edycji parametrów wymagane jest
zaznaczenie pozycji  Nastawy w menu  Widok , w przeciwnym razie panel znika po 15 s
umożliwiając jedynie podgląd wprowadzonych wcześniej wartości. Kolejne kliknięcia
niebieskiego paska powodują wyświetlanie i ukrywanie panelu. W celu ułatwienia
eksperymentowania z różnymi metodami sterowania siłownią wiatrową, program
wyposażono w możliwość oddzielnego zapisania wszystkich parametrów dla każdej z
zaproponowanych metod sterowania. Natomiast punktem wyjścia do takich badań mogą być
parametry zapisane jako domyślne. W celu uwzględnienia zmian parametrów w biegnącej
symulacji należy przycisnąć przycisk  Potwierdz
 , spowoduje to także zapisanie
wprowadzonych zmian. Należy przy tym pamiętać, że np. zmiany parametrów Generatora
wiatru zostaną uwzględnione dopiero w następnym okresie. Natomiast przyciśnięcie
przycisku  Anuluj spowoduje przywrócenie wartości parametrów ostatnio zapisanych.
Zapisanie lub odczytanie wartości parametrów możliwe jest także przy użyciu menu
 Aplikacja . Program wyposażony jest w wewnętrzne mechanizmy kontrolujące poprawność
formatu i zakresu wprowadzanych parametrów.
Program umożliwia także ręczne ustalanie zmiennych procesowych symulowanego
procesu. Panel sterowania znajduje się w dolnej części ekranu. W danej chwili dostępne są
suwaki sterowania ręcznego tylko jednej z wielkości: składowych wiatru, kąta ustawienia
łopat, kąta ustawienia siłowni, rezystancji obciążenia. Możliwość sterowania ręcznego
uwidoczniona jest przez pojawienie się uchwytu na określonym suwaku. W zależności od
wybranej opcji ręcznie zadane wartości przekazywane są na wejście regulatorów lub urządzeń
wykonawczych, natomiast wartości składowych wiatru dostają się na wejście bloku
ograniczającego prędkość ich zmian. Precyzyjne określanie wielkości sterującej możliwe jest
przez wpisanie wartości w pole edycyjne współpracujące z danym suwakiem. W przypadku
gdy wybrana jest opcja  auto suwaki i pola edycyjne pełnią jedynie rolę wskaz
ników i
wyświetlaczy.
8
Innym często występującym sposobem konfigurowania programu jest kształtowanie
odpowiednich funkcji określających przebieg zmian parametrów wiatru lub decydujących o
kształcie płaszczyzn sterowania.
Wykresy i charakterystyki
Program umożliwia rejestrowanie przebiegu zmian do ośmiu zmiennych procesowych.
Wyboru tych zmiennych dokonuje siÄ™ w oknie dialogowym  Wykresy w tym samym oknie
określa się także inne parametry rysowania wykresów między innymi kolor rysowanych
przebiegów. Poprzez dwukrotne kliknięcie wykresów dokonuje się ich powiększenia na cały
ekran. Następne kliknięcie powoduje powrót do stanu poprzedniego. Wykresy wyposażone są
także w menu kontekstowe- wywoływane kliknięciem prawego klawisza myszy, powielają
one funkcje menu głównego takie jak kopiowanie drukowanie i otwarcie okna dialogowego
 Wykresy .
Wpływ wprowadzanych parametrów można obserwować na charakterystykach znajdujących
się na zakładce  Aero panelu nastaw, są to charakterystyki:
 współczynników Cz i Cx (w funkcji kąta natarcia),
 maksimum współczynników Cz i Cx (w funkcji prędkości obrotowej ze względu na
zależność od prędkości wiatru konieczne jest określenia tego parametru),
 mechaniczne prądnicy (wartości momentów prądnicy przeliczone są na stronę
prędkości obrotowej turbiny),
 mechaniczne turbiny (dla określonych wartości kąta ustawienia łopat i prędkości
wiatru),
 wykres mocy maksymalnej (dla danej prędkości wiatru, program oblicza wartość kąta
ustawienia łopat, dla których tę moc się uzyskuje od użytkownika wymaga się takiego
doboru wartości określających zmiany współczynników Cz i Cx po przekroczeniu
prędkości optymalnej, aby żadna z charakterystyk mechanicznych turbiny (dla tej samej
prędkości wiatru) nie leżała powyżej charakterystyki mocy maksymalnej).
Dla każdego z wykresów wyświetlających powyższe charakterystyki można określić zakresy
wartości osi X. Dla charakterystyk mechanicznych możliwe jest także ustalenia zakresu
wyświetlanych wartości dla osi Y.
Zakładka  Optymalizacja Funkcje panelu nastaw umożliwia obserwowanie na
trójwymiarowym wykresie płaszczyzny sterowania jednej z trzech wielkości: kąta ustawienia
łopat, kąta ustawienia siłowni, rezystancji. Suwaki pozwalają na obracanie wykresu w
przestrzeni umożliwiając dobór ustawienia najlepiej obrazującego płaszczyznę sterowania.
Opcje dostępne w programie
Program umożliwia przebadanie różnych konfiguracji układu sterowania elektrownią
wiatrową. Możliwe jest to dzięki rożnym ustawieniom dostępnych w programie opcji, które
zestawiono w poniższej tabeli.
9
Nazwa Znaczenie
Panel sterowania zakładka  Wiatr"
Generacja składowej Uaktywnia generację odpowiedniej
 poziomej składowej wiatru, (w przeciwnym
 pionowej razie składowa ustalana jest ręcznie)
 azymutu
Panel sterowania zakładka  Azymut",  Kąt natarcia
 ręczne Określa wielkość sterującą
 auto mechanizmami wykonawczymi.
 zadana  ręcznie to sterowanie bezpośrednie
przez użytkownika,  zadana to
również sterowanie ręczne, ale za
pośrednictwem regulatora,  auto 
układ realizuje zadaną strategię
sterowania
Panel sterowania zakładka  Rezystancja"
 ręczne skokowo Określa sposób sterowania
 ręczne płynnie rezystancją, rezystancja zmienia się
 auto schodkowo lub płynnie,  auto -
układ realizuje zadaną strategię
sterowania
Panel sterowania zakładka  Sterowanie  Reg Pitch",
 Sterowanie  Reg Yaw"
Aktualnie działający W przypadku wybranej opcji
regulator  zadana lub  auto określa, który
 klasyczny, regulator realizuje sterowanie
 fuzzy-logic nadążne
Panel sterowania zakładka  Optymalizacja  opcje - kąt
natarcia i ustawienia siłowni
 optymalizowany Powoduje włączenie/wyłączenie bloku
 stały (do wiatru) optymalizacji
 w/g funkcji Strategia sterowania opiera siÄ™
 funkcja ekstremum zawsze o funkcjÄ™ dwu zmiennych
Wybór jednej z opcji decyduje o
dodatkowym włączeniu poszukiwań
ekstremum mocy
Panel sterowania zakładka  Optymalizacja  opcje -
rezystancja
 stała  Stała" oznacza wyłączenie (nie
 zmienna skokowo realizowanie) strategii sterowania
 zmienna płynnie przez zmianę rezystancji. Dwie
pozostałe jak w panelu sterowania
 Rezystancja"
Zmienna rezystancja w W funkcji  prędkości wiatru" to
funkcji: realizacja określonej strategii
 prędkości wiatru sterowania, w funkcji
 przyśpieszenia wiatru  przyśpieszenia wiatru" to
niewielka zmiana rezystancji na
czas wolniejszego przestawiania
płatów
10
Istnieje ponadto szereg innych opcji nie wpływających na konfiguracje układu sterowania
stanowiÄ…cych natomiast:
 parametry modelowanego procesu (uwzględnienie składowych sinusoidalnych wiatru),
 decydujących o sposobie wizualizacji (uaktywnianie wykresów),
 wspomagających kształtowanie funkcji przynależności (menu kontekstowe odpowiednich
wykresów).
3.2 Przebieg ćwiczenia
Podczas ćwiczenia należy:
 zapoznać się z dostępnymi funkcjami programu ora możliwościami układu sterowania
elektrowniÄ… wiatrowÄ…,
 wyznaczyć charakterystyki P = f(ą), mocy oddawanej do sieci w funkcji kąta natarcia ą,
przy kilku wartoÅ›ciach siÅ‚y wiatru oraz staÅ‚ym azymucie wiatru (Õ= const.),
 wyznaczyć charakterystyki P= f(Õ) mocy oddawanej do sieci w funkcji kÄ…ta azymutu wiatru
Õ, przy staÅ‚ym kÄ…cie natarcia (Ä… = const.) oraz kilku wybranych prÄ™dkoÅ›ciach wiatru.
 wyznaczyć wpływ kąta wzniosu osi turbiny (zakładka Proces  Turbina), na moc
oddawanÄ… do sieci przez elektrowniÄ™ wiatrowÄ…,
 wyznaczyć charakterystykę P= f(L) mocy oddawanej do sieci w funkcji wysokości
elektrowni wiatrowej (zakładka Proces  Turbina),
 przeprowadzić symulację zmiany ilości łopat turbiny oraz rozmiarów.
4. Opracowanie wyników badań
Opracowanie wyników badań powinno zawierać:
1. Opis prowadzonych symulacji.
2. Zestawienie wyznaczonych charakterystyk wraz z komentarzami ich dotyczÄ…cymi.
3. Wnioski z przebiegu ćwiczenia.
5 . Literatura
[1] Ingielewicz G. Pikuła G.: ELW 11 - program komputerowy, Praca magisterka wykonana
pod kierownictwem dr. B. Broel-Plater, Politechnika Szczecińska 2001
[2] Gomuła S.: Energetyka wiatrowa, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne
AGH, Kraków 2006
[3] Lewandowski W.: Proekologiczne odnawialne z
ródła energii, : WNT, Warszawa 2006
11
6. Wymagania BHP
Podczas wykonywania ćwiczeń w laboratorium należy przestrzegać następujących
zasad:
1. Przed przystąpieniem do montowania układu pomiarowego należy dokonać oględzin
przydzielonej aparatury i urządzeń. Stwierdzone uszkodzenia powinny być zgłaszane
prowadzącemu ćwiczenia.
2. Montując układ pomiarowy należy pamiętać, by zawsze między z
ródłem prądu a
badanym układem był umieszczony łatwo dostępny wyłącznik. Jedna z ucze-
stniczących w ćwiczeniu osób powinna zajmować miejsce obok tego wyłącznika,
aby w razie zauważenia nieprawidłowości w pracy układu natychmiast wyłączyć
napięcie.
3. Ze stanowiska pomiarowego należy usunąć wszelkie zbędne przedmioty a zwłaszcza
niepotrzebne przewody montażowe.
4. Włączenie badanego układu do napięcia może odbywać się jedynie w obecności i za
zgodą prowadzącego ćwiczenia, po sprawdzeniu przez niego układu. Przed
załączeniem układu trzeba upewnić się, czy nikt nie manipuluje przy układzie
pomiarowym. Za uszkodzenie przyrządów i inne straty wynikłe z winy ćwiczących
odpowiadajÄ… oni materialnie.
5. Po załączeniu napięcia nie wolno wykonywać żadnych przełączeń w układzie.
Rozmontowanie i ewentualne przełączenia mogą być robione po wyłączeniu napięcia
i za zgodą prowadzącego ćwiczenia.
6. Nie należy, bez istotnej potrzeby, dotykać korpusów urządzeń i maszyn elek-
trycznych. Podczas wykonywania ćwiczenia należy unikać stykania się z wszelkiego
rodzaju dobrze uziemionymi przewodzÄ…cymi przedmiotami, takimi jak i kaloryfery,
instalacje wodociÄ…gowe itp
7. Nie wolno dotykać wirujących części maszyn elektrycznych oraz uważać, by nie
zostały przez nie zaczepione części odzieży.
8. Wykonywanie ćwiczeń może odbywać się tylko na stanowisku wskazanym przez
prowadzącego. Nie wolno używać innego sprzętu i aparatów niż te, które przydzielił
prowadzący ćwiczenia.
9. Należy pamiętać, że urządzenia i aparaty wyposażone w kondensatory mogą jeszcze
po wyłączeniu napięcia zagrażać porażeniem.
10. Niedozwolona jest samowolna obsługa rozdzielnic głównych w laboratorium, a
zwłaszcza załączanie napięcia na stanowiska pomiarowe.
12