INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI PRZEMYSŁOWEJ ZAKŁAD ENERGOELEKTRONIKI I STEROWANIA Laboratorium Odnawialnych Źródeł Energii

ENERGIA WIATRU – BADANIE EKSPERYMENTALNE TURBINY WIATROWEJ

Rok akad.: 2014/2015

Wydział: Elektryczny

Rodz. stud. : stacjonarne

Kierunek: Elektrotechnika

Specjalność : –

Profil: –

Nr grupy ćwicz : E2-1

Uwagi:

1. Schemat badanych

Schemat ideowy

1. Wyniki uzyskane z pomiarów i obliczeń oraz charakterystyki

Eksperyment nr 1

Wyznaczanie charakterystyki prędkości wiatru w funkcji ustawienia potencjometru wentylatora:

Ustawienie potencjometru G [-]	Generowana prędkość wiatru w [m/s]
0	0
1	2,9
2	3,6
3	4,8
4	5,7
5	6,6
6	7,7
7	8,3
8	8,8
9	9,2
10	9,8

Eksperyment nr 2

Wpływ kształtu łopatek na wartość mocy wyjściowej P generatora:

	1 łopatka	2 łopatka	U [V]	I [mA]	P [mW]
Łopatki proste			0,32	5,6	1,792
Łopatki zakrzywione (zgodnie)			0,59	11,6	6,612
Łopatki zakrzywione (odwrotnie)			0,16	3,1	0,496

Przykładowe obliczenia:

P = U • I

P = 0, 32 • 5, 6 = 1, 792 [mW]

Eksperyment nr 3

Wpływ liczby łopatek na wartość mocy wyjściowej P generatora:

Wyniki dla układu 4 łopatek

R [Ω]	U [V]	I [mA]	P [mW]	UTG [V]	Ω [n/min]
0	0,04	32,00	1,28	0,36	240,00
20	0,90	44,60	40,14	1,33	886,67
40	1,44	35,70	51,41	1,79	1193,34
60	1,67	27,10	45,26	1,93	1286,67
80	1,81	21,60	39,10	1,99	1326,67
100	1,89	18,20	34,40	2,05	1366,67

Wyniki dla układu 3 łopatek

R [Ω]	U [V]	I [mA]	P [mW]	UTG [V]	ω [n/min]
0	0,03	21,80	0,65	0,24	160,00
20	0,40	20,50	8,20	0,59	393,34
40	1,22	29,40	35,87	1,47	980,00
60	1,58	25,40	40,13	1,84	1226,67
80	1,75	21,00	36,75	1,98	1320,01
100	1,85	17,90	33,12	2,02	1346,67

Przykładowe obliczenia:

P = U • I

P = 1, 75 • 21 = 36, 75 [mW]

ω = 666, 67 • U_TG

$$\omega = 666,67 \bullet 1,98 = 1320,01\ \lbrack\frac{n}{\min}\rbrack$$

	Dla czterech łopatek	Dla trzech łopatek
Pmax[mW]	46,5	40
ω [n/min]	1510	1235

Eksperyment nr 4

Wpływ ustawienia kątowego łopatek na wartość mocy wyjściowej P generatora:

Kąt nachylenia α [°]	U[V]	I[mA]	P [mW]
0	0	0	0
15	0	0	0
30	0,72	13,6	9,792
45	1,04	19,5	20,28
60	1,33	25,3	33,649
75	1,52	29	44,08
90	0	0	0

Przykładowe obliczenia:

P = U • I

P = 1, 52 • 29 = 44, 08 [mW]

Punkt mocy maksymalnej dla:

P_max = 45, 5 [mW]

∝ = 72, 5 

Eksperyment 5

Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej I = f(U) generatora przy stałej prędkości obrotowej:

R [Ω]	U [V]	I [mA]	P [mW]	Rg [Ω]
0	0,11	87,05	9,5755	10,514
10	0,46	55,5	25,53	10,270
20	0,67	34,2	22,914	10,526
30	0,74	25,1	18,574	11,554
40	0,81	19,7	15,957	11,168
50	0,85	16,8	14,28	10,714
60	0,89	14,5	12,905	9,655
70	0,88	12,4	10,912	12,097
80	0,93	11,2	10,416	8,929
90	0,92	9,8	9,016	11,224
100	0,92	9	8,28	12,222
∞	1,51	0,00	0,00	-

Przykładowe obliczenia:

P = U • I

P = 0, 88 • 12, 4 = 10, 912 [mW]

Punkt mocy maksymalnej dla:

P_max = 26 [mW]

U = 0, 52 [V]

$${U_{\text{TG}} = 1\ \lbrack V\rbrack\backslash n}{\omega = 666,67 \bullet 1 = 666,67\ \lbrack\frac{n}{\min}\rbrack\backslash n}$$

$$Rezystancja\ wewnetrzna = \frac{Napiecie\ punktu\ maksymalnego\ mocy}{Prad\ punktu\ maksymalnego\ mocy}$$

$$R_{g} = \frac{U}{I} = \frac{0,52}{0,05} = 10,4\ \lbrack\mathrm{\Omega}\rbrack$$

II metoda obliczenia rezystancji wewnętrznej generatora:

$$Rezystancja\ wewnetrzna = \frac{SEM\ generatora - Napiecie\ na\ zaciskach\ generatora}{Prad\ generatora}$$

$$R_{g} = \frac{E - U}{I} = \frac{1,03 - 0,52}{0,05} = 10,2\ \lbrack\mathrm{\Omega}\rbrack$$

1. Wnioski:

• Eksperyment 1 – z wyznaczonej charakterystyki widać, że prędkość wiatru zależy liniowo od nastawy potencjometru G. Ewentualne odchyłki mogą być spowodowane uszkodzonym wskaźnikiem potencjometru.

• Eksperyment 2 – ze wszystkich badanych kombinacji najwyższą moc osiągają łopatki zakrzywione zgodnie, ponieważ wyłapują więcej wiatru niż proste. Odwrotne założenie łopatek zakrzywionych powoduje wzajemne hamowanie, więc moc była bliska 0.

• Eksperyment 3 – niewątpliwie wyższą moc osiąga turbina w konfiguracji czterech łopatek, lecz w praktyce stosuje się konfiguracje trzech łopatek ze względów ekonomicznych. Koszt postawienia wiatraka 4-łopatowego w porównaniu do wiatraka
  3-łopatowego nie jest współmierny do wzrostu osiąganej mocy maksymalnej. Dodatkowo z charakterystyki wynika, że im większa liczba łopatek, tym punkt mocy maksymalnej przypada dla niższych obrotów.

• Eksperyment 4 – w tym eksperymencie z charakterystyki kąta nachylenia łopatki
  do mocy generatora widać, że punkt mocy maksymalnej przypada na około 72, 5.

• Eksperyment 5 – Rezystancja wewnętrzna generatora w obu metodach wyszła podobnie – około 10,3 Ω. Ten wynik może być obarczony błędem ze względu na złe wartości napięcia i prądu dla punktu maksymalnego, a nawet niedokładnością odczytu.

Biorąc pod uwagę eksperyment oraz ekonomię najlepszą konfiguracją wiatraka są 3 zakrzywione zgodnie łopatki ustawione pod kątem około 70.