1. Wstęp teoretyczny

Silnik wiatrowy to urządzenie, które bazuje na zamianie energii kinetycznej wiatru w pracę mechaniczną łopatek wirnika, a następnie w energię kinetyczną w generatorze.
Napływający na wirnik strumień powietrza dzięki odpowiedniemu ustawieniu łopatek wywołuje ruch obrotowy wirnika. Energia obracającego się wirnika może być wykorzystywana bezpośrednio do napędzania urządzeń mechanicznych lub do wytwarzania energii elektrycznej(sprzężenie z generatorem).

Ilość energii wyprodukowanej przez silnik wiatrowy zależy od kilku czynników: prędkości i kierunku wiatru, sprawności całego układu. Odpowiednio wyprofilowane łopaty gwarantują wysoką sprawność silnika. W celu zwiększenia wykorzystania energii wiatru oraz regulacji prędkością obrotową wirnika stosuje się systemy regulacji kąta natarcia łopat.

Silniki wiatrowe dzielimy ze względu na ich wygląd- budowę wirnika i jego położenie względem strumienia powietrza:

• Silniki wiatrowe z wirnikiem łopatkowym

Silniki te mają wirnik położony w płaszczyźnie pionowej, a oś obrotu jest równoległa do kierunku wiatru. Ze względu na osiąganie wysokiej prędkości obrotowej, dlatego też należy w nich zastosować mechanizm ograniczający obroty turbiny. Ich praca jest zależna od kierunku wiatru- wymagają mechanizmu naprowadzania wiatru. Ich budowa jest kłopotliwa- wymagają budowy wysokich masztów, przez co szpecą otoczenie.

Silniki wirnikowe z wirnikiem łopatkowym możemy podzielić na trzy typy:

1. Silniki z wirnikiem wielopłatowym, gdy Z_n<2

2. Silniki z wirnikiem o niewielkiej licznie łopatek, gdy Z_n>2

3. Silniki szybkobieżne z wirnikiem o niewielkiej licznie łopatek, gdy Z_n>3,

Gdzie Z_n to współczynnik szybkobieżności, definiowany jako stosunek prędkości obrotowej końca łopatki wirnika do prędkości wiatru.

$$Z_{n} = \frac{\text{ωR}}{v}$$

ω−prędkość kątowa

R− promień wirnika

v− prędkość wiatru

• Silniki wiatrowe karuzelowe i rotacyjne

W tym typie silników oś obrotu wirnika jest prostopadła do kierunku wiatru. W związku z tym ich praca nie zależy od kierunku wiatru, nie wymuszają zastosowania mechanizmów nakierunkowywania. Silniki te ze względów konstrukcyjnych podzielono na dwa typy:

1. Karuzelowe- niepracujące łopaty zasłonięto przed działaniem wiatru

2. Rotacyjne- wirnik składa się z dwóch łopat w kształcie półokręgów przesuniętych względem osi obrotu

Ze względu na swoją budowę silniki karuzelowe i rotacyjne można łatwo zamontować na różnych obiektach, nie wymagają stawiania wysokich masztów- montaż i demontaż nie stanowią problemu.

Silniki te ze względu na swoją budowę(kształt wirnika ogranicza prędkość obrotową) są odporne na silny wiatr, nie wymagają stosowania mechanizmów ograniczających obroty.

Silniki wiatrowe karuzelowe i rotacyjne mają niskie sprawności. Wymagają one znacznie większych gabarytów, gdy wytworzyć taką samą ilość energii co silniki z wirnikiem łopatkowym.

• Silniki wiatrowe pracujące według schematu koła młyńskiego(silnik wiatrowy bębnowy)

W tym typie silnika oś obrotu wirnika jest pozioma i prostopadła do kierunku wiatru.

Ze względu na zmienną prędkość wiatru, wiatrak należy zaopatrzyć w odpowiednią regulację. Dzięki temu uzyskamy wymaganą stałą moc i zabezpieczenie w przypadku zbyt silnych wiatrów- bez dodatkowych urządzeń silnik wiatrowy może ulec zniszczeniu przy nagłym wzroście prędkości wiatru.

Stosowane sposoby zabezpieczania silników wiatrowych przed nadmierną prędkością wiatru:

• zmiana położenia koła wiatrowego względem kierunku wiatru - podczas zbyt silnego wiatru łopatki ustawia się skośnie względem kierunku wiatru, dzięki czemu przepływa mniejsza ilość powietrza i obroty wiatraka zmniejszają się

• regulacja hamowaniem aerodynamicznym – przy wzmagającym się wietrze sztucznie zwiększa się opory aerodynamiczne łopatek(stosowanie klap)

• regulacja obciążeniem użytecznym – zastosowanie zespołu wiatrowo-elektrycznego: na skutek zwiększania się szybkości obrotowej prądnicy(podczas silniejszego wiatru), wzrasta napięcie ładowania akumulatorów oraz znaczny wzrost prądu ładowania, w czego wyniku wzrasta też moment obciążeniowy, który powoduje przyhamowanie całego zespołu

• regulacja elektroniczna

W jednym silniku wiatrowym często stosuje się kilka ze sposobów regulacji, np. jeden reguluje prędkość obrotową, drugi ogranicza maksymalną moc.

Silnik wiatrowy jest ekologicznym źródłem energii elektrycznej- przy wytwarzaniu jej nie emitujemy żadnych gazów cieplarnianych, nie tworzymy odpadów. Jest to też bardzo wygodna forma pozyskiwania energii- przy postawionym wiatraku nie trzeba już realizować żadnych inwestycji oprócz przeglądów i wymaganych napraw. Sprawność wiatraka może wynieść od 23% do 47% w zależności od konstrukcji danego modelu.

Jednak wiatraków nie można stawiać na dowolnym terenie- niezbędny jest rozległy płaski teren, na którym regularnie wieją dość mocne wiatry. Niestety warunki do budowy typowych wiatraków nie są optymalne we wszystkich obszarach świata, w tym w Polsce. Poprzez wieloletnią obserwację prędkości oraz kierunku wiatru tworzy się tak zwane mapy wiatrowe, która określają obszary kraju pozwalające na umieszczenie na nich farm wiatrowych. W Polsce najbardziej korzystnymi obszarami są: wybrzeże od Koszalina po Hel, rejon wyspy Wolin, Suwalszczyzna, Wielkopolska, Mazowsze, Beskid Ślądki, Bieszczady i Pogórze Dynowskie.

Wiatraki są też źródłem hałasu, należy budować je w pewnej odległości od terenów zamieszkałych. Elektrownie wiatrowe, z racji charakteru wykonywanej pracy związanej z przemianą energii wiatru na energie elektryczną, są również źródłem hałasu infradźwiękowego, który według wielu opinii może osiągać duże poziomy i stanowi zagrożenie dla otoczenia.

2. Opis laboratorium

Naszym zadaniem było mierzenie napięcia przy różnych wartościach ustawionej rezystancji na oporniku w zależności od kąta nachylenia łopatek wirnika. Łopatki nachylone były pod kątem ϕ₁ = 75^o,
ϕ₂ = 60^o, ϕ₃ = 45^o.

Rysunek 1 Schemat stanowiska pomiarowego

1. woltomierz

2. opornik dekadowy

3. prądnica

4. wirnik

5. wentylator

6. anemometr