Laboratorium konwersji energii

Tytuł ćwiczenia: Silnik wiatrowy

Prowadzący: mgr inż. Michał Ostrycharczyk

Termin zajęć: Poniedziałek TN 13.15

Numer grupy: BN 5

Skład grupy: Karolina Żegiestowska 187230

Paweł Bielecki 186984

Data przeprowadzenia ćwiczenia: 21.05.2012

Data oddania sprawozdania: 28.05.2012

Wstęp teoretyczny

Silnik wiatrowy to silnik wirnikowy zamieniający energię kinetyczną wiatru na pracę mechaniczną łopat wirnika, dzięki której wytwarzana jest energia elektryczna w prądnicy.

Silnik badany na zajęciach należał do grupy silników wiatrowych z wirnikiem łopatkowym (wielopłatowy). Oznacza to, że wirnik jest położony w płaszczyźnie pionowej, a oś obrotu jest równoległa do kierunku wiatru. Oprócz tej grupy wyróżniamy również silniki wiatrowe karuzelowe i rotacyjne, czyli takie, w których oś obrotu wirnika jest prostopadła do kierunku wiatru. W karuzelowych niepracujące łopaty są zasłonięte przed działaniem wiatru, a w rotacyjnych wirnik zbudowany jest z dwóch łopat w kształcie półokręgów przesuniętych względem osi obrotu.

Schemat pomiarowy

Rysunek 1. Schemat układu pomiarowego. V: woltomierz, R: opornik dekadowy, w: anemometr

Tabele pomiarowe i wynikowe

Tabela 1. Tabela pomiarowa i wynikowa do obliczenia sprawności silnika

R	U60°	I60°	U75°	I75°	Pp	Pel60°	η60°	Pel75°	η75°
Ω	V	A	V	A	W	W	%	W	%
1	0,44	0,44	0,33	0,33	15,84	0,19	1,22	0,11	0,69
2	0,78	0,39	0,78	0,39		0,30	1,92	0,30	1,92
3	1,04	0,35	1,16	0,39		0,36	2,28	0,45	2,83
4	1,26	0,32	1,47	0,37		0,40	2,51	0,54	3,41
5	1,44	0,29	1,83	0,37		0,41	2,62	0,67	4,23
6	1,60	0,27	2,13	0,36		0,43	2,69	0,76	4,77
7	1,73	0,25	2,44	0,35		0,43	2,70	0,85	5,37
8	1,85	0,23	2,70	0,34		0,43	2,70	0,91	5,75
9	1,94	0,22	3,11	0,35		0,42	2,64	1,07	6,79
10	2,04	0,20	3,30	0,33		0,42	2,63	1,09	6,88
12	2,16	0,18	3,50	0,29		0,39	2,45	1,02	6,45
14	2,26	0,16	3,76	0,27		0,36	2,30	1,01	6,38
16	2,34	0,15	3,98	0,25		0,34	2,16	0,99	6,25
18	2,42	0,13	4,08	0,23		0,33	2,05	0,92	5,84
20	2,48	0,12	4,24	0,21		0,31	1,94	0,90	5,68
25	2,57	0,10	4,45	0,18		0,26	1,67	0,79	5,00
30	2,67	0,09	4,62	0,15		0,24	1,50	0,71	4,49
35	2,73	0,08	4,81	0,14		0,21	1,34	0,66	4,17
40	2,75	0,07	4,94	0,12		0,19	1,19	0,61	3,85
45	2,80	0,06	5,03	0,11		0,17	1,10	0,56	3,55
50	2,85	0,06	5,08	0,10		0,16	1,03	0,52	3,26

Tabela 2. Tabela pomiarowa i wynikowa dla obliczenia współczynnika wykorzystania energii wiatru

wp	w60°z	ξ60°
m/s	m/s
15,5	13,3	0,264
	w75°z	ξ75°
	m/s
	12,1	0,391

U – napięcie dla danego kąta nachylenia łopatek wirnika

I – natężenie prądu dla danego kąta nachylenia łopatek wirnika

P_p – moc strugi wiatru

R – rezystancja opornika

P_el – uzyskana moc elektryczna

η – sprawność dla danego kąta

w_p – prędkość wiatru przed turbiną

w_z – prędkość wiatru za turbiną dla danego kąta

ξ - współczynnik wykorzystania energii wiatru

Obliczenia

$$I_{60} = \frac{U_{60}}{R} = \frac{2,85}{50} = 0,06\ A$$

$$P_{p} = \frac{\rho \bullet w_{p}^{3} \bullet \pi \bullet r^{2}}{2} = \frac{1,2 \bullet {15,5}^{3} \bullet \pi \bullet {0,0475}^{2}}{2} = 15,84\ W$$

P_el60 = U₆₀ • I₆₀ = 2, 85 • 0, 06 = 0, 16 W

$$\eta_{60} = \frac{P_{\text{el}60}}{P_{p}} = \frac{0,16}{15,84} = 1,03\%$$

$$\xi = \frac{E}{E_{k0}} = \frac{\frac{mw_{p}^{2}}{2} - \frac{mw_{z60}^{2}}{2}}{\frac{mw_{p}^{2}}{2}} = \frac{m}{2}\left( w_{p}^{2} - w_{z60}^{2} \right) \bullet \frac{2}{mw_{p}^{2}} = \left( w_{p}^{2} - w_{z60}^{2} \right) \bullet \frac{1}{w_{p}^{2}} = \left( {15,5}^{2} - {13,3}^{2} \right) \bullet \frac{1}{{15,5}^{2}} = 0,264$$

Wykresy

Rysunek 2. Wykres mocy elektrycznej w funkcji rezystancji

Rysunek 3. Wykres napięcia w funkcji natężenia prądu

Rysunek 4. Wykres sprawności w funkcji napięcia

Uwagi i wnioski

Analizując wykres na rysunku 2. można zauważyć, że moc elektryczna rosła wraz ze wzrostem logarytmu z rezystancji aż do wartości 1 (wartość oporu 10Ω), a następnie malała. Widać również, że wyższą moc elektryczną uzyskano przy zastosowaniu wirnika o łopatkach nachylonych pod kątem 75°. Na rysunku 3. Widać, że przy łopatkach nachylonych pod kątem 60° wartość natężenia prądu maleje liniowo, pod kątem 75° widoczne są pewne niedokładności spowodowane błędami w pomiarach (można wyróżnić 2 liniowe zależności o różnych współczynnikach nachylenia funkcji). Funkcja dla kąta 75° jest bardziej nachylona. Zależność sprawności od napięcia przedstawiona na rysunku 4. Ma kształt odwróconej paraboli i dla kąta 75° uzyskuje maksimum (6,88%) przy U=3,30V, a dla kąta 60° maksimum (2,70%) przy U=1,85V. Można więc wywnioskować, że im większy kąt nachylenia łopatek w wirniku, tym większa sprawność. Obliczony współczynnik wykorzystania energii wiatru wynosi 0,391 dla 75° i 0,264 dla 60°. Im większa jest różnica pomiędzy prędkościami przed i za wirnikiem, tym większa jest energia przejmowana przez wiatrak, czyli w konsekwencji współczynnik ξ. Zgodnie z prawem Betza może on przyjąć maksymalną wartość 0,593. W energetyce wiatrowej jest umownie przyjęte, że stosunek prędkości za do przed wirnikiem powinien być jak 1 do 3. Porównując wartości pomiarowe widać, że w tym ćwiczeniu ten warunek nie był spełniony.

Z obliczeń widać, że badany wiatrak charakteryzował się dość małą sprawnością w porównaniu do innych form konwersji energii (kolektor słoneczny, ogniwo paliwowe PEM). W teorii jednak sprawność wiatraka powinna się wahać pomiędzy 23 a 47% w zależności od konstrukcji. Rozmiary i specyfika budowy badanego wiatraka spowodowały jednak otrzymanie sprawności ok. 3 i 7%. Silniki wiatrowe posiadają wiele zalet ponad innymi formami konwersji energii. Mają bardzo nieskomplikowaną budowę i są proste i tanie w eksploatacji. Poza dużymi kosztami inwestycyjnymi niemal nie generują dodatkowych kosztów przy eksploatacji. Nie emitują gazów cieplarnianych ani szkodliwych odpadów. Dodatkowo silniki wiatrowe z wirnikiem łopatkowym mają wyższą sprawność od turbin karuzelowych i rotacyjnych, a ich wygląd jest estetyczny i dodaje uroku krajobrazowi. Do wad silników wiatrowych należy duży koszt budowy farm wiatrowych i zapotrzebowanie na duże powierzchnie terenu. Wiatraki generują infradźwięki, które mogą być szkodliwe dla zwierząt. Taka forma konwersji energii jest uzależniona od prędkości wiatru, dlatego nie w każdej części kraju jest opłacalna. Należy przeprowadzić szczegółową analizę prędkości wiejących wiatrów w danej okolicy przed budową farmy. W odróżnieniu od silników o pionowej osi obrotu wymagają mechanizmu naprowadzania na wiatr, ograniczającego obroty turbiny przy szybkim wietrze i zastosowania połączeń ślizgowych.