1. Wstęp teoretyczny:

Silnik wiatrowy (turbina wiatrowa, siłownia wiatrowa) jest rodzajem silnika wirnikowego, którego działanie według najbardziej ogólnej zasady polega na zamianie energii kinetycznej wiatru na pracę mechaniczną łopatek wirnika, w skutek czego zostaje wytworzona energia elektryczna w generatorze. Innym, mało popularnym w Polsce zastosowaniem silników wiatrowych jest wykorzystywanie ich do pompowania wody np. w celu nawadniania pól.

Głównym elementem każdej siłowni wiatrowej jest wirnik, który umożliwia zamianę energii ruchu cząstek powietrza w ruch obrotowy wirnika. Ruch obrotowy jest następnie przekazywany do urządzeń wykonawczych np. generatora prądu, pompy.

Budowa turbiny wiatrowej nie jest skomplikowana. Turbina zbudowana jest z koła wiatraka, w skład którego wchodzą skrzydła nazywane łopatami, które są umieszczone na poziomym wale, który wraz ze skrzydłami obraca się w łożyskach umieszczonych w obudowie. W obudowie znajduje się przekładnia zębata, która przenosi ruch wału poziomego na kolejny wał – wał pionowy, który stanowi element napędzający maszynę roboczą. Ster kierunkowy umieszczony razem z wałem wiatraka stanowi najprostszy system nakierowywania na wiatr. Typowa nowoczesna siłownia wiatrowa, składa się z 4 podstawowych modułów : wirnika, gondoli , wieży + fundamentu oraz układu sterowania . 

Podstawowym kryterium podziału silników wiatrowych jest położenie osi obrotu wirnika – rozróżnia się dwa typy:

- z poziomą osią obrotu – HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbines), które są najbardziej popularne
i według danych z lat 2005-2007 stanowiły aż 95% rozwiązań. Oś obrotu jest pozioma do kierunku wiatru,
a wirnik jest położony w płaszczyźnie pionowej. Silniki te nazywane są silnikami wirnikowymi
z wirnikiem łopatkowym. Według liczby płatów wirnika siłownie dzielą się na : jedno-, dwu-, trzy-, cztero- i wielopłatowe, a także wyposażone w dyfuzorem. Nowym rozwiązaniem są wirniki w kształcie kuli.

- z pionową osią obrotu – VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines). W tego typu rozwiązaniach oś obrotu wirnika jest prostopadła do kierunku wiejącego wiatru. Według rozwiązań konstrukcyjnych tego typu siłownie można podzielić na : karuzelowe i rotacyjne. W siłowniach karuzelowych łopaty, które nie pracują są zasłonięte przed działaniem wiatru. W przypadku silników rotacyjnych mamy do czynienia
z wirnikiem, który jest zbudowany z dwóch łopat o kształcie półokręgów przesuniętych względem osi obrotu.

Istnieją również inne kryteria dzielące silniki wiatrowe. W silnikach typu HAWT rozróżnia się różne usytuowania wirnika względem kierunku wiatru: dowietrzne i odwietrzne.

Zazwyczaj wirniki siłowni typu HAWT wykonuje się jako konstrukcje złożone z jednego lub więcej płatów, które wykonane są z włókna węglowego wzmocnionego poliestrem. Z kolei każda z łopat składa się z co najmniej dwóch powłok przymocowanych do belki nośnej. Na powierzchnię płata działa wiatr, który powoduje powstanie siły nośnej, która następnie wprawia wirnik w ruch. Ster kierunkowy umożliwia na utrzymanie całego wirnika w prawidłowym położeniu względem wiatru, dzięki czemu zwiększa się wykorzystanie jego energii. Istnieją rozwiązania w których dzięki użyciu siłowników hydraulicznych następuje możliwość zmiany kąta łopat wirnika.

Ilość energii, która jest wyprodukowana przez siłownię wiatrową zależy między innymi od prędkości wiatru oraz sprawności całego układu, a nawet od odpowiedniego wyprofilowania łopat. Systemy regulacji kąta natarcia łopat stosuje się w celu regulacji prędkości obrotowej wirnika i oczywiście
w celu zwiększenia wykorzystania energii.

Dzięki silnikom wiatrowym z dyfuzorem można uzyskać większe ilości energii. Jest to związane
z prawem Bernouliego dotyczącym zachowania się ośrodka w rurze (występują zmiany średnicy,
a zatem zmienia się również prędkość przepływu gazu. Tradycyjny wirnik zabudowany w tunelu

(w przewężeniu) będzie wirował w powietrzu szybciej przepływającym niż wiatr poza zabudowaniem.

Silnik wiatrowy o wirniku w kształcie kuli jest nowoczesnym rozwiązaniem, które różni się od dotychczasowych. Wirnik kręci się wokół osi równoległej do osi ziemi (poziomej). Małe rozmiary oraz sferyczny układ spowodowały wzrost wydajności oraz obniżenie poziomu hałasu, dzięki czemu tego typu siłownie są dobrym rozwiązaniem do domowego użytku.

Jak wszystko, silniki wiatrowe każdego typu posiadają szereg zalet ale także i wad . Ogólne zalety silników wiatrowych to : łatwa budowa urządzeń, dosyć prosta eksploatacja, brak emisji gazów cieplarnianych a także bezodpadowa technologia. Wady: bardzo duże koszty produkcji oraz budowy, produkowanie infradźwięków, czyli fal dźwiękowym szkodliwych dla zwierząt. Działanie silników wiatrowych jest uzależnione od prędkości wiatru.

Niektóre z zalet i wad silników wiatrowych HAWT (o poziomej osi obrotu):

• estetyczny wygląd,

• wyższa sprawność od turbin o pionowej osi obrotu,

• wysoka sprawność wykorzystania energii wiatru,

• emitują hałas o wysokim poziomie ze względu na wysoką prędkość obrotową (potrzebują mechanizmu ograniczającego obroty turbiny przy silnym wietrze),

• wymagają mechanizmy „naprowadzania na wiatr”.

Niektóre z zalet i wad silników wiatrowych VAWT (o pionowej osi obrotu):

• praca niezależna od kierunku wiatru, nie wymagają mechanizmu „naprowadzania na wiatr”, dzięki czemu posiadają uproszczoną konstrukcję mechaniczną i sterowanie,

• są łatwe w montażu i demontażu, można je montować na obiektach np. dachach budynków, słupach, istniejących konstrukcjach masztów,

• w przeciwieństwie do silników typu HAWT przy maksymalnej prędkości obrotowej nie wydają dużego hałasu,

• nie wymagają zatrzymywania przy wietrze osiągającym nawet 40 m/s dzięki wirnikowi
  o aerodynamicznym kształcie,

• są stosunkowo tanie w porównaniu do klasycznych turbin o poziomej osi obrotu,

• wyglądają estetycznie, zdarza się również, że są wykorzystywane jako ozdoba,

• mają niską sprawność

• prędkość obrotowa jest na tyle niska, że potrzebują generatora wolnobieżnego
  lub przekładni, które dodatkowo zmniejszają sprawność urządzenia.

Wśród wymienianych zalet i wad pojawił się temat „ograniczania obrotów turbiny na silnym wietrze”. Ze względu na zmieniającą się prędkość wiatru oraz konieczność napędzania urządzeń
z jednakową prędkością obrotową, stosuje się regulację obrotów silnika wiatrowego. Bez tego, silnik wiatrowy mógłby ulec zniszczeniu. Często stosuje się kilka urządzeń regulacyjnych, ze względu na to, że każde odpowiada poszczególnym wymaganiom pracy tego typu silników. Wyróżniamy różne typy regulacji obrotów:

• regulację przez zmianę położenia koła wiatrowego względem kierunku wiatru, gdzie podczas silnego wiatru kołu wiatrowemu nadaje się skośne położenie względem kierunku wiatru, dzięki czemu przez koła przepływa mniejsza ilość powietrza. Zmieniają się wtedy kąty natarcia poszczególnych łopatek, opory aerodynamiczne rosną, co z kolei jest powodem zmniejszenia się obrotów wiatraka. Ten rodzaj regulacji jest stosowany szczególnie
  w silnikach wielopłatowych małej i średniej mocy.

• regulacja hamowaniem aerodynamicznym polega na sztucznym zwiększaniu oporów aerodynamicznych śmigieł w miarę zwiększania się ich szybkości obrotowej pod wpływem rosnącej prędkości wiatru.

• regulacja obciążeniem użytecznym, gdzie w miarę wzrastania szybkości wiatru
  i zwiększania się szybkości obrotowej silnika, zwiększa się samoczynnie jego obciążenie, które jednocześnie powoduje iż śmigło zostaje przyhamowane.

• regulacja przez przekręcenie łopat śmigła względem osi, który jest stosowany coraz częściej. Istnieją różne odmiany regulacji: działająca samoczynnie lub w wersji, gdzie łopaty są nastawiane przez silnik, który jest sterowany przez układ elektroniczny. Polega na przekręcaniu płatów śmigła względem ich osi, na skutek czego zmienia się kąt natarcia profilu śmigła.

• regulacja elektroniczna.

Turbiny wiatrowe służą do zasilania w energię budynków takich jak:

•           domy jednorodzinne,

•           domki letniskowe,

•           małe firmy produkcyjne i usługowe,

•           gospodarstwa rolne

•           niewielkie hotele i pensjonaty

•           obiekty użyteczności publicznej.

Współcześnie możemy zauważyć przy drogach rozwiązania hybrydowe (turbina + panel fotowoltaiczny). Rozwiązanie takie stanowi źródło prądu dla znaków i sygnalizatorów, które sprawdza się bardzo dobrze (od połowy kwietnia do początku września wieje słaby wiatr, a występują dni słoneczne,
a w okresie zimowym jest odwrotnie, gdzie jest mało słonecznych ale dużo wietrznych dni.

1. Opis laboratorium i schemat stanowiska:

Celem ćwiczenia jest zbadanie wpływu nachylenia łopatek na sprawność silnika wiatrowego.
W ćwiczeniu bada się wpływ wartości kąta nachylenia łopatek równych ϕ = 45^0, 60⁰, 75⁰. Do ćwiczenia
w celu wytworzenia wiatru użyto wentylatora, który jest połączony z kanałem, dzięki czemu napędza on wiatrak łopatkowy. Sonda anemometru która znajduje się przed wiatrakiem, służy do pomiaru prędkości wiatru. Wiatrak jest połączony z prądnicą, która wytwarza prąd elektryczny, którego napięcie odczytuje się po zadawaniu różnych wartości oporu.

Rysunek 1. Schemat stanowiska pomiarowego

1. woltomierz

2. opornik dekadowy

3. prądnica

4. wirnik o danym kącie nachylenia łopatek

5. anemometr

6. wentylator

1. Dane pomiarowe:

Tabela 1. Zestawienie danych pomiarowych

L.p.	R	U45°	U60°	U75°
	Ω	V	V	V
1.	1	0,28	0,50	0,70
2.	2	0,50	0,88	1,40
3.	3	0,69	1,21	1,90
4.	4	0,83	1,47	2,31
5.	5	0,94	1,67	2,67
6.	6	1,02	1,82	2,98
7.	7	1,13	1,98	3,22
8.	8	1,22	2,07	3,44
9.	9	1,27	2,21	3,63
10.	10	1,34	2,27	3,82
11.	20	1,70	2,80	4,85
12.	30	1,87	3,07	5,33
13.	40	1,98	3,19	5,64
14.	50	2,02	3,26	5,78
15.	60	2,10	3,30	5,90
16.	70	2,16	3,37	5,98
17.	80	2,17	3,40	6,07
18.	90	2,20	3,43	6,13
19.	100	2,23	3,45	6,17
20.	200	2,42	3,64	6,38
21.	500	2,56	3,87	6,63
22.	1000	2,63	3,99	6,75
23.	2000	2,71	4,06	6,90
24.	3000	2,73	4,11	6,94
25.	4000	2,71	4,11	6,90
26.	5000	2,74	4,12	6,92
27.	6000	2,74	4,13	6,93
28.	7000	2,74	4,13	6,97
29.	8000	2,75	4,13	6,97
30,	9000	2,75	4,13	6,97
31.	10000	2,75	4,13	7,00

Tabela 2. Dane wykorzystywane do obliczeń

w	ρ	r
$$\frac{\mathbf{m}}{\mathbf{s}}$$	$$\frac{\mathbf{\text{kg}}}{\mathbf{m}^{\mathbf{3}}}$$	cm
15	1,20	4,75

1. Tabele wynikowe:

Tabela 3. Wyniki obliczeń natężenia, mocy elektrycznej oraz sprawności w zależności od kąta nachylenia łopatek

I45°	I60°	I75°	Pel 45°	Pel 60°	Pel 75°	η45°	η 60°	η 75°
A	A	A	W	W	W	%	%	%
0,28	0,50	0,70	0,08	0,25	0,49	0,55	1,74	3,41
0,25	0,44	0,70	0,13	0,39	0,98	0,87	2,70	6,83
0,23	0,40	0,63	0,16	0,49	1,20	1,11	3,40	8,38
0,21	0,37	0,58	0,17	0,54	1,33	1,20	3,76	9,29
0,19	0,33	0,53	0,18	0,56	1,43	1,23	3,89	9,93
0,17	0,30	0,50	0,17	0,55	1,48	1,21	3,85	10,31
0,16	0,28	0,46	0,18	0,56	1,48	1,27	3,90	10,32
0,15	0,26	0,43	0,19	0,54	1,48	1,30	3,73	10,31
0,14	0,25	0,40	0,18	0,54	1,46	1,25	3,78	10,20
0,13	0,23	0,38	0,18	0,52	1,46	1,25	3,59	10,17
0,09	0,14	0,24	0,14	0,39	1,18	1,01	2,73	8,19
0,06	0,10	0,18	0,12	0,31	0,95	0,81	2,19	6,60
0,05	0,08	0,14	0,10	0,25	0,80	0,68	1,77	5,54
0,04	0,07	0,12	0,08	0,21	0,67	0,57	1,48	4,66
0,04	0,06	0,10	0,07	0,18	0,58	0,51	1,26	4,04
0,03	0,05	0,09	0,07	0,16	0,51	0,46	1,13	3,56
0,03	0,04	0,08	0,06	0,14	0,46	0,41	1,01	3,21
0,02	0,04	0,07	0,05	0,13	0,42	0,37	0,91	2,91
0,02	0,03	0,06	0,05	0,12	0,38	0,35	0,83	2,65
0,01	0,02	0,03	0,03	0,07	0,20	0,20	0,46	1,42
0,01	0,01	0,01	0,01	0,03	0,09	0,09	0,21	0,61
0,00	0,00	0,01	0,01	0,02	0,05	0,05	0,11	0,32
0,00	0,00	0,00	0,00	0,01	0,02	0,03	0,06	0,17
0,00	0,00	0,00	0,00	0,01	0,02	0,02	0,04	0,11
0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,01	0,01	0,03	0,08
0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,01	0,01	0,02	0,07
0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,01	0,01	0,02	0,06
0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,01	0,01	0,02	0,05
0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,01	0,01	0,01	0,04
0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,01	0,01	0,01	0,04
0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,01	0,01	0,03
Pp
W
14,35

Tabela 4. Zestawienie wartości log(R)

R	Ω	1	2	3	4	5	6	7	8
Log(R)	-	0,00	0,30	0,48	0,60	0,70	0,78	0,85	0,90
R	Ω	9	10	20	30	40	50	60	70
Log(R)	-	0,95	1,00	1,30	1,48	1,60	1,70	1,78	1,85
R	Ω	80	90	100	200	500	1000	2000	3000
Log(R)	-	1,90	1,95	2,00	2,30	2,70	3,00	3,30	3,48
R	Ω	4000	5000	6000	7000	8000	9000	10000	-
Log(R)	-	3,60	3,70	3,78	3,85	3,90	3,95	4,00	-

1. Przykładowe obliczenia:

1. Obliczanie natężenia prądu:

$$I_{\phi} = \frac{U_{\phi}}{R} = \frac{0,28}{1} = 0,28\ A$$

1. Obliczanie mocy elektrycznej:

P_elϕ = U_ϕ • I_ϕ = 0, 28 • 0, 28 = 0, 08 W

1. Obliczanie mocy strugi wiatru:

$$P_{p} = \frac{\rho \bullet w^{3} \bullet \pi \bullet r^{2}}{2} = \frac{1,2 \bullet 15^{3} \bullet \pi \bullet {0,0475}^{2}}{2} = 14,35\ W$$

ρ- gęstość powietrza

w³- prędkość wiatru

r²- promień łopatki wirnika

1. Obliczanie sprawności:

$$\eta = \frac{P_{\text{el}}}{P_{p}} \bullet 100\% = \frac{0,08}{3,41} \bullet 100\% = 0,55\%$$

1. Wykresy:

Wykres 1. Wykres przedstawiający zależność U(I) dla danego kąta nachylenia łopatek

Wykres 2.Wykres zależności P_el(Log(R)) dla danego kąta nachylenia łopatek

Wykres 3.Wykres zależności sprawności maksymalnej od kąta nachylenia łopatek η max (ϕ)

1. Wnioski

Na początku wykonywania ćwiczenia zmierzono za pomocą anemometru wartość prędkości wiatru wytworzonego przez wentylator i wynosiła ona w=14,9 m/s, dla ułatwienia obliczeń przyjęto wartość równą w=15 m/s.

Następnym etapem wykonywania ćwiczenia był pomiar napięcia przy regulowanych wartościach oporu. Na podstawie wykonanych pomiarów widać, że dla każdego kąta nachylenia łopatek, dla wartości oporu większych od R=2000Ω, wartość napięcia była praktycznie stała (oscylowała wokół jednej wartości) i tak dla: ϕ₁ = 45 wartość napięcia urosła do U_45° =2,75 V, ϕ₂ = 60  - U_60° =4,13 V oraz dla ϕ₃ = 70 napięcie wyniosło U_70° =6,97 V. Za powyższymi wynikami idzie fakt, że im wyższy kąt tym większe napięcie - podobnie jest zatem z natężeniem prądu.

Zależność wartości napięcia od natężenia prądu została przedstawiona na wykresie nr 1. Charakterystyka dla każdego kąta nachylenia jest podobna – maleje prawie liniowo, aż następuje jej „spłaszczenie” po czym dąży ona do zera.

Charakterystyka nr 2 przedstawia zależność mocy elektrycznej od logarytmu dziesiętnego
z rezystancji. Moc również jest najwyższa dla największego kąta nachylenia łopatek. Charakterystyka jest bardziej spłaszczona dla ϕ₁ = 45, natomiast dla kąta ϕ₃ = 70 jest bardziej „strzelista” o bardziej nachylonych ramionach. Można zauważyć, że moc elektryczna rosła wraz ze wzrostem logarytmu
z rezystancji aż do wartości 1 (wartość oporu 10Ω), a następnie malała.

Na wykres nr 3 naniesiono wartości najwyższych sprawności dla danego kąta nachylenia łopatek
i tak dla kąta: ϕ₁ = 45, największa sprawność wynosi η_45°=1,30%, dla ϕ₂ = 60  - η _60°=3,90%, natomiast dla ϕ₃ = 70- η _75°=10,31%. Najwyższa sprawność została osiągnięta dla największego kąta nachylenia łopatek. Widać, że badany wiatrak charakteryzuje się dosyć małą sprawnością, gdyż
w teorii sprawność turbiny wiatrowej powinna oscylować pomiędzy 23 a 47% Rozmiary i budowa naszego silnika wiatrowego spowodowały iż sprawność osiągała takie wartości.