INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI PRZEMYSŁOWEJ ZAKŁAD ENERGOELEKTRONIKI I STEROWANIA Laboratorium Odnawialnych Źródeł Energii
Energia wiatru- badanie eksperymentalne turbiny wiatrowej.
R akademicki: 2010/2011
Wydział: Elektryczny
Studia stacjonarne I stopnia
Kierunek: Elektrotechnika
Specjalność :
Profil: -
Nr grupy ćwicz : E1
Uwagi:

1. Cel ćwiczenia.

Celem naszego ćwiczenia jest zbadanie systemu z turbiną wiatrową w warunkach generowanej energii wiatru dla różnych kształtów łopatek oraz różnych obciążeń urządzenia.

1. Stanowisko pomiarowe.

Stanowisko pomiarowe	Anemometr

1. Przebieg ćwiczenia.

   1. Wyznaczenie charakterystyki prędkości wiatru w funkcji ustawienia potencjometru wentylatora.

1. Tabela pomiarowa.

Ustawienie potencjometru G [-]	Generowana prędkość wiatru [m/s]
0	0,00
1	3,00
2	3,80
3	5,50
4	6,50
5	7,60
6	8,40
7	8,90
8	9,40
9	10,00
10	10,20

1. Charakterystyka ustawienia potencjometru wentylatora do wartości prędkości generowanego wiatru.

   1. Wpływ kształtu łopatek na wartość mocy wyjściowej P generatora.

1. Przy przeprowadzeniu ćwiczenia przyjęliśmy:

Wartość prędkości wiatru dla ustawienia potencjometru G = 5 wynosi z wykresu:

$$\omega = 7,6\ \left\lbrack \frac{m}{s} \right\rbrack$$

Wartość obciążenia:

R = 50 [Ω]

Wartość kąta nachylenia łopatek:

α = 60 []

1. Tabela pomiarowa.

	1 łopatka	2 łopatka	U [V]	I [mA]	P [mW]
Łopatki proste	/	/	0,68	13,3	9,04
Łopatki zakrzywione zgodnie	)	)	1,17	23,5	27,50
Łopatki zakrzywione przeciwnie	)	(	0,56	11,2	6,27

1. Przykładowe obliczenia:

Dla obliczania mocy przy łopatkach prostych:

P = U • I

P = 0, 68 [V] • 13, 3[mA] = 9, 04[mW]

1. Wpływ liczby łopatek na wartość mocy wyjściowej P generatora.

1. Przy przeprowadzeniu ćwiczenia przyjęliśmy:

Wartość prędkości wiatru dla ustawienia potencjometru G = 5 wynosi z wykresu:

$$\omega = 7,6\ \left\lbrack \frac{m}{s} \right\rbrack$$

Wartość kąta nachylenia łopatek:

α = 75 []

Kształt łopatek: zakrzywione

1. Tabela pomiarowa.

R [Ω]	U [V]	I [mA]	P [mW]	UTG [V]	ω [n/min]
Dla 3 łopatek
0	0,30	23,7	7,11	0,26	171,334
20	0,40	21,5	8,60	0,62	413,335
40	0,90	21,6	19,44	1,08	720,004
60	1,94	32,2	62,47	2,25	1500,008
80	2,20	27,0	59,40	2,43	1620,008
100	2,35	23,1	54,285	2,54	1693,342
Dla 4 łopatek
R [Ω]	U [V]	I [mA]	P [mW]	UTG [V]	ω [n/min]
0	0,43	35,1	15,09	0,38	253,335
20	0,70	36,2	25,34	1,03	686,670
40	1,80	43,0	77,40	2,15	1433,341
60	2,00	32,9	65,80	2,30	1533,341
80	2,16	26,2	56,59	2,38	1586,675
100	2,24	22,0	49,28	2,43	1620,008

1. Przykładowe obliczenia:

Dla obliczania mocy przy 3 łopatkach i R= 0Ω:

P = U • I

P = 0, 3 [V] • 23, 7[mA] = 7, 11[mW]

Dla obliczania prędkości obrotowej przy 3 łopatkach i R= 0Ω:

ω = 666, 67 • U_TG

ω = 666, 67 • 0, 257 [V] = 171, 33 [n/min]

1. Charakterystyki mocy w zależności od prędkości obrotowej:

   1. Wpływ ustawienia kątowego łopatek na wartość mocy wyjściowej P generatora.

1. Przy przeprowadzeniu ćwiczenia przyjęliśmy:

Wartość prędkości wiatru dla ustawienia potencjometru G = 5 wynosi z wykresu:

$$\omega = 7,6\ \left\lbrack \frac{m}{s} \right\rbrack$$

Wartość obciążenia:

R = 50 [Ω]

Kształt łopatek: proste

1. Tabela pomiarowa.

Kąt nachylenia α [°]	U [V]	I [mA]	P [mW]
0	0	0	0
15	0,37	7,1	2,63
30	0,63	12,3	7,75
45	0,78	15,4	12,01
60	0,97	19,3	18,72
75	0,70	13,9	9,73
90	0	0	0

1. Przykładowe obliczenia:

Dla obliczania mocy przy 3 łopatkach i kąta nachylenia α=60° (M_PP)::

P = U • I

P = 0, 97 [V] • 19, 3[mA] = 18, 72[mW]

1. Charakterystyka mocy w zależności od kąta nachylenia:

   1. Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napęciowej I=f(U) generatora przy stałej prędkości obrotowej.

1. Przy przeprowadzeniu ćwiczenia przyjęliśmy:

Stała wartość prędkości turbiny utrzymywana przy pomocy pomiaru U_TR:

U_TR = 1 [V]

Kształt łopatek: zakrzywione

1. Tabela pomiarowa.

R [Ω]	U [V]	I [mA]	P [mW]
0	0,12	90,4	10,85
10	0,48	55,8	26,78
20	0,71	36,4	25,84
30	0,80	27,9	22,32
40	0,86	20,8	17,89
50	0,88	17,5	15,40
60	0,90	15,0	13,50
70	0,92	12,4	11,41
80	0,93	10,6	9,86
90	0,94	9,8	9,21
100	0,95	8,9	8,46
∞	1,07	0	0

1. Przykładowe obliczenia:

Dla obliczania mocy przy obciążeniu R= 10Ω (M_PP):

P = U • I

P = 0,  48[V] • 55, 8[mA] = 26, 78[mW]

1. Charakterystyka prądu i mocy w zależności od napięcia:

2. Obliczenie rezystancji wewnętrznej generatora.

$$R_{G} = \frac{U_{0}}{I_{Z}} = \frac{1,07\ \lbrack V\rbrack}{90,4*10^{- 3}\ \lbrack A\rbrack} = 11,84\ \lbrack\mathrm{\Omega}\rbrack$$

Aby obliczyć rezystancję wewnętrzną generatora należy podzielić przez siebie wartość napięcia biegu jałowego przez wartość prądu zwarcia.

1. Wnioski.

W przeprowadzonym przez nas ćwiczeniu badaliśmy eksperymentalnie turbinę wiatrową. Nasz badany układu składał się z: dmuchawy, turbiny wiatrowej, aparatury pomiarowej oraz anemometru. W zależności od eksperymentu używaliśmy od 2 do 4 łopatek o dwóch kształtach: prosty i zakrzywiony. Wykonaliśmy 5 eksperymenty.

Pierwszy eksperyment dotyczył pomiaru prędkości wiatru w zależności od ustawienia potencjometru G, który służył do regulacji obrotów wentylatora. Pomiaru dokonywaliśmy przy użyciu anemometru, a otrzymywane wyniki, podane na anemometrze w m/s, zapisywaliśmy w tabeli. Z otrzymanej charakterystyki widzimy, że wraz ze wzrostem położenia potencjometru G wartość prędkości wiatru wzrasta liniowo.

W drugim eksperymencie badaliśmy wpływ kształtu łopatek na wartość mocy wyjściowej generatora. Do przeprowadzenia użyliśmy dwóch łopatek w trzech różnych konfiguracjach, gdzie zastosowane łopatki miały różne kształty i były różnie do siebie usytuowane. Dla tego eksperymentu przyleliśmy położenie potencjometru nr 5, czyli prędkość wiatru wynosiła 7,6 m/s, kąta nachylenia łopatek α=60º oraz obciążeniu R=50Ω. Z otrzymanych wyników wynika, że największą moc uzyskujemy dla tych warunków przy łopatkach zakrzywionych zgodnych. Łopatki proste oraz zakrzywione przeciwnie skierowane dają wyraźnie mniejszą wartość mocy na wyjściu generatora.

Trzecia część dotyczyła sprawdzenia wpływu ilości łopatek na wartość mocy uzyskanej na wyjściu generatora. Dla tego przypadku przyjęliśmy położenie potencjometru G=5, czyli prędkość wiatru równa 7,6 m/s, oraz kąt nachylenia łopatek równy α=60º. Do ćwiczenia użyliśmy zakrzywionych łopatek i rozpatrzyliśmy dwa przypadki: z 3 lub 4 łopatkami. W ćwiczeniu zmienialiśmy wartość obciążenia od 0 do 100Ω co 20. Z otrzymanych pomiarów i charakterystyk widzimy, że dla 4 łopatek wartość MPP jest wyższa od tej wartości dla 3 łopatek. Zauważamy również, że dla 4 łopatek prędkość obrotowa potrzebna do uzyskania MPP jest mniejsza niż dla 3.

W przedostatniej, czwartej części sprawdzaliśmy ustawienia kątowego łopatek na uzyskiwaną moc. Dla ćwiczenia przyjęliśmy położenie potencjometru G=5, czyli prędkość wiatru równa 7,6 m/s, oraz wartość obciążenia R=50Ω. Dla tego eksperymentu użyliśmy 3 prostych łopatek. Tak jak sądziliśmy dla kątów 0 i 90º turbina się nie obracała. Największą moc otrzymaliśmy przy kącie 60º.

W ostatniej części wyznaczaliśmy charakterystykę prądowo-napięciową. Trudnością w tej części była konieczność utrzymywania na stałym poziomie wartości U_TG (w naszym przypadku był to 1V). Pomiarów dokonywaliśmy przy zmianie rezystancji od 0 do 100Ω co 10Ω. Jak widać na charakterystyce w tym przypadku wartość prądu spada liniowo wraz ze wzrostem napięcia. Obliczona przez nas rezystancja wewnętrzna generatora wynosi R=11,84Ω.

Po przeprowadzeniu badania eksperymentalnej turbiny wiatrowej możemy wywnioskować, że najlepsza turbina składała by się z 4 łopatek o kształcie zakrzywionym usytuowane względem siebie zgodnie oraz kącie nachylenia łopatek 60º.