Elektrownia wiatrowa o mocy 1kW
Publikacja w ISE.pl: 2001-08-21 20:48:29, Wyświetleń: 42347
Źródło: Michał Miścior, Strona Autora

Artykuł ten jest poświęcony elektrowni wiatrowej małej mocy, którą zbudowałem wraz z kolegą Pawłem Zygą.

A. Wstęp

Artykuł ten jest poświęcony elektrowni wiatrowej małej mocy, którą zbudowałem wraz z kolegą Pawłem Zygą na pracę dyplomową do Technikum Mechanicznego w Hrubieszowie. Elektrownia ta może nie jest wspaniałą budowlą ale pozwoliła na zebranie pewnych doświadczeń i wiedzy na temat budowy elektrowni wiatrowych.

B. Układ konstrukcyjny

1. WIRNIK, PIASTA SKRZYDŁOWA, WAŁ SKRZYDŁOWY I PRZEKŁADNIA

Wirnik opisywanego wiatraka składa się z 12 jednakowych skrzydeł. Skrzydła te wykonane są z blachy aluminiowej o grubości 3mm. Skrzydło ma kształt trapezu prostokątnego o wymiarach 1000x200 mm.

Rolę dźwigara, czyli elementu nośnego skrzydła spełnia rura stalowa o średnicy 3/4". Jest to rura bez szwu, o długości 1m. Rura ta narażona jest podczas pracy na rozrywanie, zginanie i skręcanie, dlatego na dźwigar należy wykorzystywać tylko elementy nowe i dobre gatunkowo. Do każdego dźwigara przymocowane są trzy płaskowniki (o długości 100mm każdy), do których przytwierdzone jest skrzydło za pomocą śrub.

Skrzydła nie pokrywają środkowej części wirnika. Zmniejsza to nieznacznie moc wiatraka, lecz jednocześnie obniża osiowy napór i koszt wytwarzania. Optymalny kąt skręcenia skrzydeł wynosi 29°. Piasta jest częścią wirnika osadzoną na wale lub osi, do której przymocowane są skrzydła. Korpus piasty wykonano z blachy stalowej o grubości 10mm. Jest on przymocowany śrubami do tarczy wału skrzydłowego. Skrzydła na dźwigarach przytwierdzone są do płyty za pomocą uchwytów. Piastę naszej konstrukcji i jej elementy dostosowano do osadzenia na półosi tylnego mostu samochodu osobowego "FIAT 125p". Jest ona zamocowana na miejscu koła samochodu, natomiast na końcu wału napędowego umieszczone jest koło pasowe napędzające alternator.

Wał skrzydłowy, na którym osadzone jest piasta oraz łożyska, przenosi moment obrotowy oraz inne siły działające na wirnik, wynikające z jego ciężaru, parcia wiatru i momentu od sił żyroskopowych.

Ze względu na wykorzystanie tylnego mostu samochodu osobowego wał skrzydłowy jest częścią tego mostu. W rozwiązaniu tym osią wirnika jest rurowa pochwa tylnego mostu, która narażona jest na obciążenia podobne jak w przypadku wirnika.

2. UKŁAD STEROWY: MECHANIZMY ZATRZYMYWANIA I ZABEZPIECZENIA PRZECIWBURZOWEGO

Do ustawiania zespołu wiatraka zgodnie z kierunkiem wiatru służy ster ogonowy. Wykonany jest on z blachy aluminiowej o grubości 3mm, przytwierdzonej do wysięgnika z rury stalowej bez szwu (1 3/4"). Ster ten osadzony jest przegubowo i przytrzymywany w położeniu osiowym (zgodnie z osią koła wiatrowego) łańcuchem regulacyjnym. Oprócz steru głównego, do głowicy przymocowany jest pod kątem prostym do osi wirnika ster boczny (również wykonany z blachy aluminiowej, przytwierdzonej do rury stalowej bez szwu o grubości 13/4"). Jego zadaniem jest (w przypadku nadmiernej prędkości wiatru) obrócenie głowicy o 90°, czyli ustawieniu płaszczyzny wirnika równolegle do kierunku wiatru przez rozciągnięcie łańcucha regulacyjnego. Po zmniejszeniu prędkości wiatru, łańcuch wraz z podwieszonym ciężarem ustawi ster główny w położeniu pracy.

Zatrzymanie wiatraka w celu dokonania przeglądów lub wyłączenia go z eksploatacji można uzyskać przez ustawienie płaszczyzny wirnika równolegle do kierunku wiatru. Należy wtedy pociągnąć za linkę zatrzymującą, co spowoduje ustawienie steru głównego pod kątem 90° do osi wirnika, a równolegle do steru bocznego.

3. POMOST OBROTOWY (GŁOWICA WIATRAKA) I WIEŻA

Pomost obrotowy, czyli głowica wiatraka - jest to konstrukcja mogąca obracać się wokół osi pionowej, umieszczona na wierzchołku wieży, do której umocowane są mechanizmy wiatraka. Obrót głowicy powodowany jest przez mechanizm orientacji.

Jako pomost obrotowy wykorzystano część tylnego mostu samochodu ciężarowego "Lublin", na którym osadzono pozostałe elementy.

Wieża siłowni wiatrowej ma kształt ostrosłupa ściętego o podstawie czworokąta, poszerzonego na dole i jest wyposażona w drabinę. Wieża ta ma 8 m wysokości i jest to konstrukcja spawana. Materiałem, który posłużył do jej budowy są kątowniki stalowe. Jako ochronę odgromową wieży zastosowano uziemienie wykonane z linki stalowej połączonej z uziomem zakopanym w ziemi.

C.  ROZWIĄZANIA - Uzasadnienie przyjętych rozwiązań

1. Ustawienie wirnika przed masztem przyjęto dla uniknięcia drgań skrzydeł, które mogą być wzbudzane przy każdym obrocie wskutek przejścia skrzydła przez "cień" aerodynamiczny masztu, jeśli koło wiatrowe jest za nim. Umieszczenie wirnika przed masztem umożliwia także zastosowanie zabezpieczenia przeciwburzowego za pomocą steru bocznego.

2. Dwunastoskrzydłowy wirnik zastosowano ze względu na pracę wirnika przy małej prędkości wiatru (od 2 m/s) oraz dla uniknięcia niepożądanych drgań i naprężeń.

3. Stałe zamocowanie skrzydeł w piaście przyjęto jako bardziej niezawodne, łatwiejsze i tańsze w wykonaniu od skrzydeł zamocowanych obrotowo.

4. Ustawienie na wiatr (orientacja) za pomocą steru głównego w postaci płata na wysięgniku zastosowano w konsekwencji umieszczenia wirnika przed wieżą oraz przyjętego systemu zabezpieczenia przeciwburzowego. Dla długości steru ok. 4 m możliwe jest zastosowanie wysięgnika w postaci rury grubościennej 11". Taka konstrukcja jest tania i prosta.

5. Zabezpieczenie przeciwburzowe za pomocą steru bocznego, odwracającego wirnik bokiem do wiatru po przekroczeniu określonej prędkości wiatru (ok. 10 m/s). Konstrukcja prosta i tania, jak również niezawodna w działaniu.

6. Przekładnia zębata zamknięta w skrzyni olejowej, z kołami zębatymi o zębach krzywoliniowych powodujących cichobieżność pracy przekładni.

7. Funkcję głowicy obrotowej umieszczonej na wierzchołku wieży spełnia część mostu tylnego samochodu ciężarowego "Lublin". Obrót głowicy powodowany jest przez mechanizm orientacji.

8. Prądnica prądu stałego, możliwie wolnoobrotowa, dla zmniejszenia niezbędnego przełożenia.

9. Maszt może być wykonany w kilku wariantach, zależnie od potrzebnej wysokości oraz posiadanych materiałów, np. jako maszt stalowy lub drewniany z odciągami, względnie jako wieża piramidalna, wolnostojąca.

10. Urządzenie zatrzymujące - ręcznie za pomocą cięgna, powodujące ustawienie steru głównego równolegle do steru bocznego i tym samym ustawiające wirnik bokiem do wiatru.

11. Schemat instalacji elektrycznej

D. OBLICZENIE MOCY

Moc i zasadnicze wymiary wiatraka określa się dla prędkości nominalnej, którą przyjmuje się w zakresie od 1,6 do 2 vśr, gdzie vśr jest średnią roczną prędkością wiatru w danej okolicy. Dla Hrubieszowa prędkość ta na wysokości 30 m nad powierzchnią ziemi; zgodnie z Atlasem Klimatycznym Polski wynosi 4 m/s.

Średnią roczną prędkość na innych wysokościach określa zależność:

 

vEśr - prędkość wiatru na wysokości 8m w miejscu lokalizacji elektrowni

E - współczynnik odpowiadający wysokości 8m i uprawom rolniczym niskim E = 0,97

K - współczynnik odpowiadający wysokości pomiarowej 30m i uprawom rolniczym niskim K = 1,25

vk - prędkość wiatru na wysokości 30m

Po podstawieniu prędkość średnia wiatru wyniesie

  

Elektrownia wiatrowa została zlokalizowana na szczycie niewielkiego wzniesienia w okolicach Hrubieszowa zwanego Tatarską Górą znanego z silnych i porywistych wiatrów.

Wzrost prędkości wiatru na szczycie wzgórza może osiągnąć 100 %. Przyjmując wzrost prędkości wiatru o 45%, otrzymuje się średnią roczną prędkość vśr=4,5 m/s, natomiast jako prędkość nominalną przyjmuje się wartość vn=9 m/s.

Moc nominalna wiatraka wyniesie:

Po uwzględnieniu sprawności przekładni mechanicznej hm=0,85 i sprawności prądnicy hpr=0,9 otrzymuje się zależność na moc użyteczną prądnicy:

 

Po wstawieniu powyższych wartości wyniesie ona

 

Wynika z tego, że nominalna moc pozyskana przy maksymalnej prędkości wiatru wyniesie około 1kW.

 

Autorem artykułu jest Pan Michał Miścior, absolwent Technikum Mechaniczne w Hrubieszowie - specjalność Budowa Maszyn. Obecnie student Wydziału Elektrycznego Politechniki Lubelskiej.

---