POLITECHNIKA POZNAŃSKA Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej |
|||
Laboratorium Odnawialnych Źródeł Energii Ćwiczenie nr 4
Temat: Energia wiatru - badania eksperymentalne turbiny wiatrowej
|
|||
Rok akademicki: 2013/2014 Wydział Elektryczny Studia Stacjonarne Nr grupy: E4 |
Wykonawcy:
|
Data wykonania ćwiczenia |
Data oddania sprawozdania |
|
|
|
14.02.2014r. |
|
|
Ocena: |
|
Uwagi:
|
|||
Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia było zapoznanie się z turbiną wiatrową. Badaliśmy jej sposób działania w różnych warunkach i przy zmienianych jej parametrach. Ćwiczenie składało się z 5 różnych eksperymentów.
2.1. Eksperyment 1.
Naszym celem tutaj było wyznaczenie charakterystyki prędkości wiatru w funkcji ustawienia potencjometru wentylatora.
Tabela 1. Wyniki eksperymentu 1.
Ustawienie potencjometru G |
Generowana prędkość wiatru w |
[-] |
[m/s] |
0 |
0 |
1 |
2,6 |
2 |
3,9 |
3 |
5 |
4 |
6,5 |
5 |
7,5 |
6 |
8,5 |
7 |
9,1 |
8 |
9,8 |
9 |
10,2 |
10 |
10,7 |
Rysunek 1. Charakterystyka w=f(G).
2.2. Eksperyment 2.
W trakcie tego eksperymentu badaliśmy wpływ kształtu łopatek na wartość mocy wyjściowej P generatora.
W badaniu wykorzystaliśmy 2 łopatki proste i dwie łopatki zakrzywione. Kąt ich nachylenia to 60°. Prędkość wiatru to 7,5 [m/s], a obciążenie wynosi 5Ω.
Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń eksperymentu 2.
kształt |
U |
I |
P |
[-] |
[V] |
[mA] |
[mW] |
proste |
0,42 |
8,3 |
3,49 |
zakrzywione zgodnie |
0,96 |
18,9 |
18,14 |
zakrzywione przeciwnie |
0,35 |
7,1 |
2,49 |
Jak widać z powyższej tabeli najbardziej wydajnym kształtem łopatek są łopatki zakrzywione zgodnie.
2.3. Eksperyment 3.
Tutaj także badaliśmy wartość mocy wyjściowej P generatora jednakże w stosunku do ilości łopatek.
Zostały użyte łopatki o zakrzywionym kształcie o kącie nachylenia 75°. Prędkość wiatru jest taka sama jak w poprzednim eksperymencie tj. 9 [m/s], a obciążenie jest zmienne w zakresie od 0 Ω do 100 Ω.
Tabela 3. Wyniki pomiarów i obliczeń dla 3 łopatek.
R |
U |
I |
P |
Utg |
ω |
[Ω] |
[V] |
[mA] |
[mW] |
[V] |
[n/min] |
0 |
0,03 |
16,50 |
0,50 |
0,17 |
113,33 |
20 |
0,32 |
17,30 |
5,54 |
0,48 |
320,00 |
40 |
0,68 |
17,40 |
11,83 |
0,80 |
533,33 |
60 |
1,77 |
29,00 |
51,33 |
1,10 |
733,33 |
80 |
1,97 |
25,40 |
50,04 |
2,20 |
1466,67 |
100 |
2,12 |
20,90 |
44,31 |
2,40 |
1600,00 |
Przy pomocy prostego układu równań znalazłem wzór przedstawiający zależność prędkości obrotowej wiatraka od napięcia UTG. Niestety z tego też powodu nie można przeprowadzić dyskusji jednostek.
Tabela 4. Wyniki pomiarów i obliczeń dla 4 łopatek.
R |
U |
I |
P |
Utg |
ω |
[Ω] |
[V] |
[mA] |
[mW] |
[V] |
[n/min] |
0 |
0,05 |
34,00 |
1,70 |
0,35 |
233,33 |
20 |
0,80 |
40,00 |
32,00 |
1,45 |
966,67 |
40 |
1,87 |
46,10 |
86,21 |
2,36 |
1573,33 |
60 |
2,14 |
35,00 |
74,90 |
2,52 |
1680,00 |
80 |
2,25 |
27,50 |
61,88 |
2,58 |
1720,00 |
100 |
2,36 |
23,30 |
54,99 |
2,62 |
1746,67 |
Rysunek 2. Charakterystyki P=f(ω) dla 3 i 4 łopatek z zaznaczonymi punktami maksymalnych mocy.
Jak widać na powyższym rysunku liczba łopatek wpływa na wartość maksymalnej mocy do uzyskania przez turbinę. Ponad to widać że przy niższej prędkości obrotowej uzyskujemy znacznie wyższą wartość mocy generowanej w przypadku większej ilości łopatek.
2.4. Eksperyment 4.
W tym eksperymencie badaliśmy wpływ ustawienia kątowego na wartość mocy wyjściowej P generatora.
Podczas badań użyliśmy trzech prostych łopatek o kącie nachylenia zmiennym od 0° do 90°..
Tabela 5. Wyniki pomiarów i obliczeń dla eksperymentu 4.
kąt nachylenia α |
U |
I |
P |
[°] |
[V] |
[mA] |
[mW] |
0 |
0,10 |
2,30 |
0,23 |
15 |
0,57 |
11,20 |
6,38 |
30 |
0,75 |
14,90 |
11,18 |
45 |
0,98 |
19,70 |
19,31 |
60 |
1,35 |
26,80 |
36,18 |
75 |
1,23 |
24,30 |
29,89 |
90 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
Rysunek 3. Charakterystyka zależności P=f(α) z zaznaczonym punktem mocy maksymalnej.
Jak widać obliczeń przedstawionych w tabeli 5. oraz z rysunku 3. najbardziej optymalnym kątem ustawienia łopatek jest kąt 60°.
2.5. Eksperyment 5.
Celem tego eksperymentu było wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej generatora przy stałej prędkości obrotowej.
W tym eksperymencie wykorzystaliśmy cztery zakrzywione łopatki ustawione pod kątem 60°. Prędkość obrotowa turbiny wynosiła 1000 [n/min]. Obciążenie było zmienne w zakresie od 0Ω do 100Ω.
Tabela 6. Wyniki pomiarów i obliczeń dla eksperymentu 5.
R |
U |
I |
P |
[Ω] |
[V] |
[mA] |
[mW] |
0 |
0,17 |
135 |
22,95 |
10 |
0,71 |
83,4 |
59,21 |
20 |
0,97 |
51,3 |
49,761 |
30 |
1,11 |
37,5 |
41,625 |
40 |
1,2 |
29,3 |
35,16 |
50 |
1,26 |
26,4 |
33,264 |
60 |
1,3 |
21,3 |
27,69 |
70 |
1,3 |
18,4 |
23,92 |
80 |
1,34 |
16,7 |
22,378 |
90 |
1,36 |
14,9 |
20,264 |
100 |
1,37 |
13,8 |
18,906 |
∞ |
1,52 |
0 |
0 |
Tutaj także prędkość turbiny była obliczona za pomocą wyprowadzonego z układu równań wzoru.
Wartość rezystancji wewnętrznej generatora:
Wartość rezystancji wewnętrznej generatora odczytana z miernika : 9,9 Ω
Rysunek 4. Charakterystyki I=f(U) oraz P=f(U) z zaznaczonymi punktami maksymalnej mocy.
3. Wnioski.
Najbardziej wydajnym kształtem łopatek są łopatki zakrzywione zgodnie.
Liczba łopatek wpływa na wartość maksymalnej mocy do uzyskania przez turbinę. Ponad to widać, że przy niższej prędkości obrotowej uzyskujemy znacznie wyższą wartość mocy generowanej w przypadku większej ilości łopatek.
Najbardziej optymalnym kątem ustawienia łopatek jest kąt 60°.