PORÓWNANIE TURBIN WIATROWYCH.pdf

147

PORìWNANIE TURBIN WIATROWYCH

WIND TURBINES COMPARISON

Abstract: This article describes types of wind turbines, their constructions, advantages and disadvantages. It

presents simplify algorithm of wind Î mills calculations and comparison: yacht Î turbine JSW Î 800 Î 12

BOBRME ÐKomelÓsÐ production and VAWT constructions prototypes. The laboratory tests were performed

of both type turbines (3 sets). Figure 6 presents results of tests of power density vs. wind speed of described

turbines. The paper describes possibilities of wind Î mill exploitations.

1. Wstħp

Pozyskiwanie energii z wiatru to na dzieı dzi-

siejszy jedna z najbardziej efektywnych i opþa-

calnych metod, bazujĢcych na rozwiĢzaniach

niekonwencjonalnych. MoŇe byę ona wykorzy-

stywana zarwno na potrzeby systemw ener-

getycznych, jaki i na potrzeby odbiorcw indy-

widualnych. To w tym rozwiĢzaniu przewiduje

siħ przyszþoĻę. ĺwiadczy o tym stale rozwija-

jĢca siħ pozycja energetyki wiatrowej na Ļwie-

cie. Zasoby wiatru, ktre nadajĢ siħ na wytwo-

rzenie energii elektrycznej dajĢ cztery razy

wiħksze iloĻci energii niŇ wynosi jej globalne

zuŇycie w ciĢgu roku. Obecnie w Europie pro-

wadzonych jest szereg programw majĢcych na

celu promowanie tego sposobu pozyskiwania

elektrycznoĻci oraz poszukiwanie bardziej

efektywnych rozwiĢzaı konstrukcyjnych sa-

mych turbin wiatrowych.

V jednopþatowe

V dwupþatowe

V z trzema þopatami

2. Podziaþ turbin wiatrowych

Turbina obok generatora jest najwaŇniejszym

elementem elektrowni wiatrowej. Za jej po-

Ļrednictwem pozyskiwana jest energia mecha-

niczna ze strugi powietrza. Jej parametry kon-

strukcyjne decydujĢ o wþaĻciwoĻciach caþej si-

þowni, jakĢ posiada ona moc i prħdkoĻę obro-

towĢ. Od konstrukcji koþa wiatrowego zaleŇĢ

gabaryty urzĢdzenia. W oparciu o rozwiĢzanie

tego problemu dobierane sĢ kolejne elementy

caþego urzĢdzenia, jak np. generator, przekþad-

nia lub jej brak oraz wysokoĻę masztu lub kon-

strukcji noĻnej.

Silniki wiatrowe moŇemy podzielię na:

poziomej osi obrotu Î HAWT (Horizontal

Axis Wind Turbine)

V silniki wielopþatowe

Artur Polak, Marcin Baraıski

BOBRME Komel, Katowice

148

V wyposaŇone w dyfuzor

3. Algorytm obliczeniowy turbin wiatro-

wych

V wykorzystujĢce efekt Magnusa

W tej czħĻci pracy przedstawiono algorytm po-

zwalajĢcy okreĻlię w przybliŇony sposb opty-

malne parametry i wytyczne konstrukcyjne dla

turbin o osi obrotu poziomej jak i pionowej.

zakþadana jest prħdkoĻę wiatru , tempera-

tura , ciĻnienie powietrza

għstoĻę powietrza

( )

pionowej osi obrotu Î VAWT (Vertical Axis

Wind Turbine)

V Savonius

- temperatura dla znanej għstoĻci po-

wietrza

- ciĻnienie powietrza dla znanej għsto-

Ļci powietrza

- znana għstoĻę powietrza

prħdkoĻę wiatru za turbinĢ

n =

prħdkoĻę w turbinie

ciħŇar wþaĻciwy

wysokoĻę turbiny

liczba þopat

Ļrednica turbiny

Ļrednica wewnħtrzna turbiny

powierzchnia

- turbiny HAWT

V Turbina DarrieusÓa

V H-Rotor

- Savonius

masa powietrza przepþywajĢcego przez

koþo wiatrowe w ciĢgu sekundy

=ßß

objħtoĻę powietrza w turbinie

V Turbina Ļwiderkowa

teoretyczny wspþczynnik wykorzystania

wiatru

Ä +

wspþczynnik szybkobieŇnoĻci

149

- liczba elementw, na ktre podzielona

jest þopata turbiny HAWT

dþugoĻę wycinka þopaty

siþa wywierajĢca nacisk osiowy

siþa hamujĢca

promieı þopaty - þopatħ podzielona jest na

kawaþkw i obliczenia prowadzone sĢ dla

tej liczby elementw þopaty, k-ty ele-

ment þopaty - HAWT

siþa napħdzajĢca

siþa powodujĢca obrt turbiny

- Savonius

sprawnoĻę aerodynamiczna

sprawnoĻę mechaniczna

moc turbiny wiatrowej

- HAWT

prħdkoĻę obrotowa koıcwki þopaty

n 1

Ã =

prħdkoĻę obwodowa

= p

- Savonius z dwiema þopatami

= h

prħdkoĻę wzglħdna strugi powietrza w kole

wiatrowym

- Savonius z czterema þopatami

szerokoĻę þopatki

moment obrotowy turbiny wiatrowej

- HAWT

[

(

( )

]

)

Ã =

siþa noĻna

= r

- Savonius z dwiema þopatami

= h

siþa oporu

- Savonius z czterema þopatami

= r

4. HAWT vs VAWT

, Î wspþczynniki siþy oporu oraz siþy

noĻnej zaleŇne od przyjħtego profilu þopaty

PoniŇej przedstawiono porwnanie turbiny

jachtowej JSW Î 800 Î 12 z dwoma prototy-

pami turbiny o pionowej osi obrotu, nad kt-

rymi prowadzone sĢ badania w laboratorium

BOBRME áKomelÑ.

siþa aerodynamicz na

150

5. Zalety oraz wady silnikw wiatrowych

konstrukcje o poziomej osi obrotu

o zalety:

V posiadajĢ wyŇszĢ sprawnoĻę od tur-

bin o pionowej osi obrotu,

V posiadajĢ estetyczny i harmonijny

wyglĢd.

o wady:

V ze wzglħdu na wysokĢ prħdkoĻę

obrotowĢ

V wymagajĢ mechanizmu, ktry przy

bardzo silnym wietrze ogranicza ob-

roty turbiny,

V wymagajĢ mechanizmu ánaprowa-

dzania na wiatrÑ,

V w przypadku umieszczenia generatora

w gondoli wymagajĢ zastosowania

poþĢczeı Ļlizgowych

konstrukcje o pionowej osi obrotu

o zalety:

V jednakowa praca niezaleŇna od kie-

runku wiatru - nie wymagajĢ mecha-

nizmu áustawiania na wiatrÑ, a wiħc

uproszczona konstrukcja mechaniczna

oraz sterowanie,

V moŇliwoĻę þatwego montaŇu na obie-

ktach - nie jest konieczne budowanie

wysokich masztw,

V moŇliwoĻę montaŇu na dachach bu-

dynkw, sþupach, istniejĢcych kon-

strukcjach masztw, itp,

V cicha praca - nawet przy maksy-

malnej prħdkoĻci obrotowej.

V odpornoĻę na silny wiatr - nie wy-

maga zatrzymania nawet przy wietrze

o prħdkoĻci 40 m/s - ksztaþt wirnika

zapewnia aerodynamiczne ogranicze-

nie prħdkoĻci obrotowej,

V odpornoĻę w warunkach zimowych na

pokrycie szadziĢ, szronem czy lepkim

Ļniegiem - dziħki niewielkiej Ļrednicy

i niskiej prħdkoĻci obrotowej, niewy-

waga wirnika z tego powodu nie po-

woduje duŇych niebezpiecznych

drgaı,

V bezobsþugowa praca zespoþu prĢdo-

twrczego Î brak poþĢczeı Ļlizgo-

wych

V moŇliwa jest konstrukcja przenoĻna

dziħki þatwemu montaŇowi i demonta-

Ňowi,

Dla przedstawionych konstrukcji wykonano

szereg testw majĢcych na celu porwnanie

turbin HAWT oraz prostych konstrukcji

VAWT. Ze wzglħdu na rŇnice gabarytowe

urzĢdzeı przedstawione poniŇej charakterystyki

zostaþy przeliczone na 1 powierzchni koþa

wiatrowego dla wszystkich badanych rozwiĢ-

zaı.

300

Rodzaje turbin

Savonius z czterema lopatami

Savonius z dwiema lopatami

Elektrownia jachtowa przy kacie

zaklinowania 20 st.

200

Moc

P [W]

100

Predkosc wiatru

v [m/s]

151

V stosunkowo niski koszt w porwnaniu

z klasycznym wiatrakiem o poziomej

osi obrotu,

V estetyczny wyglĢd - podczas pracy

wraŇenie cyklicznej zmiany ksztaþtu,

daje nowe moŇliwoĻci umieszczenia

reklam czy teŇ wykorzystania jako

element scenografii krajobrazu,

o wady:

V niska sprawnoĻę, aby wytworzyę takĢ

samĢ iloĻę energii, co tradycyjne tur-

biny wymagajĢ znacznie wiħkszych

gabarytw,

V ze wzglħdu na niewielkĢ prħdkoĻę ob-

rotowĢ potrzebny jest generator

wolnobieŇny lub przekþadnia, ktrej

zastosowanie zmniejsza dodatkowo

sprawnoĻę urzĢdzenia i przyczynia

siħ do zwiħkszenia emisji haþasu.

6. MoŇliwoĻci wykorzystania

produkcja energii elektrycznej na skalħ

lokalnĢ bĢdŅ krajowĢ,

podĻwietlanie tablic informacyjnych i re-

klamowych nocĢ Î konstrukcje VAWT

nie wymagajĢ wysokich masztw,

miejsca, gdzie wiejĢ ekstremalnie silne

wiatry: grskie chaty, nadmorskie pen-

sjonaty Î morze i gry to miejsca gdzie

wiatr moŇe osiĢgaę ogromne prħdkoĻci.

Turbiny o pionowej osi obrotu doskonale

sprawdzajĢ siħ w takich warunkach

i dziħki nim osiĢgajĢ o wiele lepsze para-

metry niŇ ma to miejsce w warunkach

normalnych,

dachy budynkw, wieŇowcw Î symula-

cje komputerowe pokazujĢ ok. 30%

zwiħkszenie prħdkoĻci wiatru kilka me-

trw nad dachem w porwnaniu do prze-

pþywu bez obecnoĻci budynku. Daje to

ponad dwu-krotny wzrost mocy uzyska-

nej dziħki usadowieniu turbiny w takim

miejscu,

balkony i tarasy,

domy jednorodzinne, ogrody, altanki

morskie znaki nawigacyjne,

rolnictwo - zasilanie elektryczne maszyn

i urzĢdzeı gospodarczych,

zasilanie pomp melioracyjnych,

hodowla ryb, zasilanie urzĢdzeı do napo-

wietrzania i rekultywacji zbiornikw

wodnych, podgrzewanie wody

ogrzewanie elektryczne w produkcji

szklarniowej.

7. Podsumowanie

W artykule przedstawiono kilka rozwiĢzaı kon-

strukcyjnych maþych siþowni wiatrowych. Po-

rwnaniu poddano dwa typy turbin, bħdĢcych

reprezentatywnymi dla swojej grupy:

turbinħ z poziomĢ osiĢ obrotu (trj-pþa-

towĢ) o Ļrednicy koþa wiatrowego 800

turbinħ z pionowĢ osiĢ obrotu (Savonius),

Opisano moŇliwoĻci wykorzystania tych urzĢ-

dzeı, a takŇe sposb projektowania turbiny

wiatrowej. Porwnano urzĢdzenia o poziomej

i pionowej osi obrotu. Tradycyjnie spotykane

turbiny z trzema þopatami doskonale wykorzy-

stujĢ strugħ wiejĢcego wiatru i sĢ przez to bar-

dzo efektywne, lecz majĢ kilka wad, ktre

ograniczajĢ ich zastosowanie. Turbiny VAWT

majĢ niskĢ sprawnoĻę oraz duŇe gabaryty, lecz

odznaczajĢ siħ kilkoma zaletami, ktre w pew-

nych warunkach sprawiajĢ, Ňe stajĢ siħ one

atrakcyjnĢ alternatywĢ.

Literatura

[1]. W. Jagodziıski ÐÑ; PWT. War-

szawa 1959

[2]. W. Nowak, A. Stechel Ð

Ñ;FRPZ. Szczecin 2004

[3]. R.Konieczny Ð vÑ -

artykuþ: Czysta Energia 03/2005

[4]. M.Hackleman Ð Ñ -

Backwoods Home Magazine: 03/04 2000

[5]. P. Cooper, O. Kennedy Ðv

v v Ñ;

Austalia 1998

[6]. S. Krohn Ð; 2002

[7]. T.Burton, D.Sharpe, N.Jenkins, E.Bosanyi

ÐÑ; 2001

[8]. G.L.Johnson ÐÑ; 2001

[9]. H.Dobesch, G.Kury Ð

;

Austria. 2000

Autorzy

dr inŇ. Artur Polak

BOBRME Komel, 41-209 Sosnowiec,

ul. Moniuszki 29; tel. (032) 299-93-81 wew.21;

e-mail: labor@komel.katowice.pl

mgr inŇ. Marcin Baraıski

BOBRME Komel, 41-209 Sosnowiec,

ul. Moniuszki 29; tel. (032) 299-93-81 wew.22;

e-mail: labor@komel.katowice.pl

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: