Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 74/2006
147
Artur Polak, Marcin Barański
BOBRME Komel, Katowice
PORÓWNANIE TURBIN WIATROWYCH
WIND TURBINES COMPARISON
Abstract: This article describes types of wind turbines, their constructions, advantages and disadvantages. It
presents simplify algorithm of wind  mills calculations and comparison: yacht  turbine JSW  800  12
BOBRME  Komel s 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  mill exploitations.
1. Wstęp
Pozyskiwanie energii z wiatru to na dzień dzi- jednopłatowe
siejszy jedna z najbardziej efektywnych i opła-
calnych metod, bazujÄ…cych na rozwiÄ…zaniach
niekonwencjonalnych. Może być ona wykorzy-
stywana zarówno na potrzeby systemów ener-
getycznych, jaki i na potrzeby odbiorców indy-
widualnych. To w tym rozwiÄ…zaniu przewiduje
się przyszłość. Świadczy o tym stale rozwija-
dwupłatowe
jąca się pozycja energetyki wiatrowej na świe-
cie. Zasoby wiatru, które nadają się na wytwo-
rzenie energii elektrycznej dajÄ… cztery razy
większe ilości energii niż wynosi jej globalne
zużycie w ciągu roku. Obecnie w Europie pro-
wadzonych jest szereg programów mających na
celu promowanie tego sposobu pozyskiwania
elektryczności oraz poszukiwanie bardziej
efektywnych rozwiązań konstrukcyjnych sa-
z trzema Å‚opatami
mych turbin wiatrowych.
2. Podział turbin wiatrowych
Turbina obok generatora jest najważniejszym
elementem elektrowni wiatrowej. Za jej po-
średnictwem pozyskiwana jest energia mecha-
niczna ze strugi powietrza. Jej parametry kon-
strukcyjne decydują o właściwościach całej si-
łowni, jaką posiada ona moc i prędkość obro-
tową. Od konstrukcji koła wiatrowego zależą
gabaryty urzÄ…dzenia. W oparciu o rozwiÄ…zanie
silniki wielopłatowe
tego problemu dobierane sÄ… kolejne elementy
całego urządzenia, jak np. generator, przekład-
nia lub jej brak oraz wysokość masztu lub kon-
strukcji nośnej.
Silniki wiatrowe możemy podzielić na:
" poziomej osi obrotu  HAWT (Horizontal
Axis Wind Turbine)
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 74/2006
148
wyposażone w dyfuzor
3. Algorytm obliczeniowy turbin wiatro-
wych
W tej części pracy przedstawiono algorytm po-
zwalający określić w przybliżony sposób opty-
malne parametry i wytyczne konstrukcyjne dla
turbin o osi obrotu poziomej jak i pionowej.
" zakÅ‚adana jest prÄ™dkość wiatru ½0, tempera-
tura t, ciśnienie powietrza p
wykorzystujÄ…ce efekt Magnusa
" gęstość powietrza
p1t1
Á = Á1
p1(t1 + t)
t1 - temperatura dla znanej gęstości po-
wietrza
p1 - ciśnienie powietrza dla znanej gęsto-
ści powietrza
" pionowej osi obrotu  VAWT (Vertical Axis Á1 - znana gÄ™stość powietrza
Wind Turbine)
" prędkość wiatru za turbiną
½
Savonius
0
½ =
2
3
" prędkość w turbinie
½ -½
0 2
½1 =
2
" ciężar właściwy
Å‚ = Á·g
Turbina Darrieus a
" wysokość turbiny h
" liczba Å‚opat lp
" średnica turbiny Dw
" średnica wewnętrzna turbiny d
" powierzchnia A
- turbiny HAWT
2
Dw
A = Ä„
4
H-Rotor
- Savonius
A = DW Å" h
" masa powietrza przepływającego przez
koło wiatrowe w ciągu sekundy
m = Á·A· ½1
" objętość powietrza w turbinie
m Å" g
V =
Å‚
" teoretyczny współczynnik wykorzystania
Turbina świderkowa
wiatru
2
îÅ‚ Å‚Å‚
ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
1 ½
2
ïÅ‚ śł Å"ìÅ‚1+
¾t = Å" 1- ìÅ‚½ 2 ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
ìÅ‚½ ÷Å‚ ÷Å‚
2 ½
ïÅ‚ śł
íÅ‚ 0 Å‚Å‚ íÅ‚ 0 Å‚Å‚
ðÅ‚ ûÅ‚
" współczynnik szybkobieżności Z
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 74/2006
149
" i - liczba elementów, na które podzielona " siła wywierająca nacisk osiowy
jest Å‚opata turbiny HAWT
uk v0
Fosk = Å" Fyk + Å" Fxk
" długość wycinka łopaty
wk wk
Dw - d
l = " siła hamująca
2 Å" i
uk
" promieÅ„ Å‚opaty - Å‚opatÄ™ podzielona jest na i Fhamk = Å" Fxk
wk
kawałków i obliczenia prowadzone są dla
tej liczby elementów łopaty, k  k-ty ele- " siła napędzająca
ment Å‚opaty - HAWT
v0
Fnapk = Å" Fyk
d
wk
rk = + l Å" k
2
" siła powodująca obrót turbiny
- Savonius
Fobwk = Fnapk - Fhamk
Dw
r =
" sprawność aerodynamiczna ·a
2
" sprawność mechaniczna ·m
" prędkość obrotowa końcówki łopaty
" moc turbiny wiatrowej
30 Å" Z Å"½1
- HAWT
n =
i
Ä„ Å" r
N = ·a·ml uk
p"Fobwk
" prędkość obwodowa
k =1
Ä„ Å" rk Å" n
- Savonius z dwiema Å‚opatami
uk =
30
N = ·a·ml Fobw Å" u
p
" prędkość względna strugi powietrza w kole
- Savonius z czterema Å‚opatami
wiatrowym
l
2 2
N = ·a·m p Fobw Å" u
wk = v1 + uk
2
" szerokość łopatki
" moment obrotowy turbiny wiatrowej
[4Ä„ Å" rk Å" v1 Å"(v0 - v2 )]
- HAWT
sk =
i
lp Å" wk(uk Å" Cy + v0 Å" Cx)
M = ·a·ml rk
p"Fobwk
" siła nośna k =1
2
- Savonius z dwiema Å‚opatami
wk
Fyk = Cy Å" Á Å" sk
M = ·a·ml Fobw Å" r
p
2
- Savonius z czterema Å‚opatami
" siła oporu
2
l
wk
M = ·a·m p Fobw Å" r
Fxk = Cx Å" Á Å" sk
2
2
4. HAWT vs VAWT
" Cx, Cy  współczynniki siły oporu oraz siły
nośnej zależne od przyjętego profilu łopaty
Poniżej przedstawiono porównanie turbiny
jachtowej JSW  800  12 z dwoma prototy-
pami turbiny o pionowej osi obrotu, nad któ-
rymi prowadzone sÄ… badania w laboratorium
BOBRME  Komel .
Rys.1. Siły odziaływujące na łopatę
" siła aerodynamiczna
2 2
Rys.2. JSW  800  12
Fak = Fyk + Fxk
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 74/2006
150
5. Zalety oraz wady silników wiatrowych
" konstrukcje o poziomej osi obrotu
o zalety:
posiadają wyższą sprawność od tur-
bin o pionowej osi obrotu,
posiadajÄ… estetyczny i harmonijny
wyglÄ…d.
o wady:
Rys.3. JSW  800  12  badania
ze względu na wysoką prędkość
obrotowÄ…
wymagają mechanizmu, który przy
bardzo silnym wietrze ogranicza ob-
roty turbiny,
wymagajÄ… mechanizmu  naprowa-
dzania na wiatr ,
w przypadku umieszczenia generatora
w gondoli wymagajÄ… zastosowania
połączeń ślizgowych
Rys.4. Savonius z dwiema Å‚opatami  badania " konstrukcje o pionowej osi obrotu
o zalety:
jednakowa praca niezależna od kie-
runku wiatru - nie wymagajÄ… mecha-
nizmu  ustawiania na wiatr , a więc
uproszczona konstrukcja mechaniczna
oraz sterowanie,
możliwość łatwego montażu na obie-
ktach - nie jest konieczne budowanie
wysokich masztów,
możliwość montażu na dachach bu-
Rys.5. Savonius z czterema Å‚opatami  badania
dynków, słupach, istniejących kon-
strukcjach masztów, itp,
Dla przedstawionych konstrukcji wykonano
cicha praca - nawet przy maksy-
szereg testów mających na celu porównanie
malnej prędkości obrotowej.
turbin HAWT oraz prostych konstrukcji
odporność na silny wiatr - nie wy-
VAWT. Ze względu na różnice gabarytowe
maga zatrzymania nawet przy wietrze
urządzeń przedstawione poniżej charakterystyki
o prędkości 40 m/s - kształt wirnika
zostały przeliczone na 1m2 powierzchni koła
zapewnia aerodynamiczne ogranicze-
wiatrowego dla wszystkich badanych rozwiÄ…-
nie prędkości obrotowej,
zań.
odporność w warunkach zimowych na
Rodzaje turbin pokrycie szadziÄ…, szronem czy lepkim
300
Savonius z czterema lopatami
śniegiem - dzięki niewielkiej średnicy
Savonius z dwiema lopatami
Elektrownia jachtowa przy kacie
i niskiej prędkości obrotowej, niewy-
zaklinowania 20 st.
waga wirnika z tego powodu nie po-
200
woduje dużych niebezpiecznych
Moc
P [W]
drgań,
bezobsługowa praca zespołu prądo-
100
twórczego  brak połączeń ślizgo-
wych
możliwa jest konstrukcja przenośna
dzięki łatwemu montażowi i demonta-
0
0 4 8 12 16
żowi,
Predkosc wiatru
v [m/s]
Rys.6. Charakterystyka P = f(v) dla 1m2 po-
wierzchni koła wiatrowego
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 74/2006
151
stosunkowo niski koszt w porównaniu
" ogrzewanie elektryczne w produkcji
z klasycznym wiatrakiem o poziomej
szklarniowej.
osi obrotu,
7. Podsumowanie
estetyczny wyglÄ…d - podczas pracy
W artykule przedstawiono kilka rozwiązań kon-
wrażenie cyklicznej zmiany kształtu,
strukcyjnych małych siłowni wiatrowych. Po-
daje nowe możliwości umieszczenia
równaniu poddano dwa typy turbin, będących
reklam czy też wykorzystania jako
reprezentatywnymi dla swojej grupy:
element scenografii krajobrazu,
o wady: " turbinę z poziomą osią obrotu (trój-pła-
niska sprawność, aby wytworzyć taką tową) o średnicy koła wiatrowego 800 mm,
samą ilość energii, co tradycyjne tur- " turbinę z pionową osią obrotu (Savonius),
biny wymagają znacznie większych
Opisano możliwości wykorzystania tych urzą-
gabarytów,
dzeń, a także sposób projektowania turbiny
ze względu na niewielką prędkość ob-
wiatrowej. Porównano urządzenia o poziomej
rotowÄ… potrzebny jest generator i pionowej osi obrotu. Tradycyjnie spotykane
wolnobieżny lub przekładnia, której
turbiny z trzema Å‚opatami doskonale wykorzy-
zastosowanie zmniejsza dodatkowo
stujÄ… strugÄ™ wiejÄ…cego wiatru i sÄ… przez to bar-
sprawność urządzenia i przyczynia
dzo efektywne, lecz mają kilka wad, które
się do zwiększenia emisji hałasu.
ograniczajÄ… ich zastosowanie. Turbiny VAWT
mają niską sprawność oraz duże gabaryty, lecz
6. Możliwości wykorzystania
odznaczają się kilkoma zaletami, które w pew-
" produkcja energii elektrycznej na skalÄ™
nych warunkach sprawiają, że stają się one
lokalnÄ… bÄ…dz
krajowÄ…,
atrakcyjnÄ… alternatywÄ….
" podświetlanie tablic informacyjnych i re-
klamowych nocÄ…  konstrukcje VAWT
Literatura
nie wymagają wysokich masztów,
[1]. W. Jagodziński  Silniki wiatrowe ; PWT. War-
" miejsca, gdzie wiejÄ… ekstremalnie silne
szawa 1959
wiatry: górskie chaty, nadmorskie pen- [2]. W. Nowak, A. Stechel  Ocena możliwości
sjonaty  morze i góry to miejsca gdzie wykorzystania energii wiatru w Polsce na tle krajów
europy i świata ;FRPZ. Szczecin 2004
wiatr może osiągać ogromne prędkości.
[3]. R.Konieczny  Silnik wiatrowy Savoniusa -
Turbiny o pionowej osi obrotu doskonale
artykuł: Czysta Energia 03/2005
sprawdzajÄ… siÄ™ w takich warunkach
[4]. M.Hackleman  Electricity from the wind -
i dzięki nim osiągają o wiele lepsze para-
Backwoods Home Magazine: 03/04 2000
metry niż ma to miejsce w warunkach
[5]. P. Cooper, O. Kennedy  Development and
normalnych,
analysis of a novel vertical axis wind turbine ;
" dachy budynków, wieżowców  symula-
Austalia 1998
cje komputerowe pokazujÄ… ok. 30%
[6]. S. Krohn  Guided tour on wind energy; 2002
zwiększenie prędkości wiatru kilka me- [7]. T.Burton, D.Sharpe, N.Jenkins, E.Bosanyi
trów nad dachem w porównaniu do prze-  Wind energy handbook ; 2001
[8]. G.L.Johnson  Wind energy systems ; 2001
pływu bez obecności budynku. Daje to
[9]. H.Dobesch, G.Kury  Basic Meteorological con-
ponad dwu-krotny wzrost mocy uzyska-
cepts and recomendations for the exploitation of
nej dzięki usadowieniu turbiny w takim
wind energy in the atmospheric boundary layer;
miejscu,
Austria. 2000
" balkony i tarasy,
" domy jednorodzinne, ogrody, altanki Autorzy
" morskie znaki nawigacyjne,
dr inż. Artur Polak
" rolnictwo - zasilanie elektryczne maszyn
BOBRME Komel, 41-209 Sosnowiec,
i urządzeń gospodarczych,
ul. Moniuszki 29; tel. [phone] wew.21;
" zasilanie pomp melioracyjnych,
e-mail: [e-mail]
" hodowla ryb, zasilanie urządzeń do napo- mgr inż. Marcin Barański
wietrzania i rekultywacji zbiorników BOBRME Komel, 41-209 Sosnowiec,
wodnych, podgrzewanie wody ul. Moniuszki 29; tel. [phone] wew.22;
e-mail: [e-mail]