Politechnika
Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Katedra Ciepłownictwa
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Badanie charakterystyk turbiny wiatrowej
z wirnikiem trzy- i sześciopłatowym
Ć
wiczenie nr 4
Laboratorium z przedmiotu:
„Alternatywne źródła energii”
Kod:
Ś
C3066
Opracowali:
dr inż. Tomasz Teleszewski
mgr inż. Anna Werner-Juszczuk
luty 2015
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 4
Katedra Ciepłownictwa
Badanie charakterystyk turbiny wiatrowej
z wirnikiem trzy- i sześciopłatowym
2
1.
Wprowadzenie
Pod względem liczby łopatek wirnika wyróżnia się siłownie wiatrowe jedno-, dwu-, trzy-,
cztero- i wielopłatowe.
Rys. 1. Schemat turbiny jednopłatowej
Rys. 2 Schemat turbiny dwupłatowej
Rys. 3. Schemat turbiny trzypłatowej
Rys. 4 Schemat turbiny wielopłatowej
Siłownie z większą ilością łopat są wykorzystywane głównie do przepompowywania
wody, napędu młynów lub innych zastosowań z wykorzystaniem energii mechanicznej.
Najpowszechniej wykorzystywane są w słabo zamieszkanych obszarach USA, gdzie służą
jako dodatkowe źródło energii elektrycznej oraz napęd pomp wodnych. Charakteryzują się
rozruchem już przy bardzo słabym wietrze, dużym momentem obrotowym, prostotą
konstrukcji (płaty nie mają specjalnych profili aerodynamicznych) i niską ceną w porównaniu
z elektrowniami o dwóch lub trzech śmigłach.
W przypadku turbin wiatrowych z poziomą osią obrotu (HAWT z ang. Horizontal Axis
Wind Turbines) najpowszechniej stosowane są wirniki trzypłatowe, rzadziej jedno- lub
dwupłatowe.
Mniejsza liczba łopat oznacza spadek masy wirnika, a tym samym obniżenie jego kosztów.
Jednocześnie wirniki jedno- i dwupłatowe wymagają bardziej złożonej budowy piast, co
skutkuje zwiększeniem kosztów produkcji.
Im mniejsza liczba łopat wirnika, tym większa prędkość obrotowa wirnika, aby uzyskać
moc porównywalną z mocą turbiny trójpłatowej. Konsekwentnie zwiększa się prędkość
wierzchołkowa wirnika (stosunek prędkości wierzchołka wirnika do prędkości wiatru tzw.
TSR, z ang. Tip Speed Ratio), co powoduje wzrost poziomu hałasu generowanego przez
turbinę.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 4
Katedra Ciepłownictwa
Badanie charakterystyk turbiny wiatrowej
z wirnikiem trzy- i sześciopłatowym
3
2.
Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
Celem ćwiczenia jest porównanie charakterystyk mocy modelowej turbiny wiatrowej
z wirnikiem trzypłatowym oraz sześciopłatowym P=f(v) oraz porównanie zależności
prędkości obrotowej turbiny od prędkości powietrza n=f(v) w tunelu aerodynamicznym przy
stałym kącie natarcia łopat wirnika turbiny trzypłatowej i sześciopłatowej.
3.
Metodyka badań
a)
opis stanowiska badawczego modelowej turbiny wiatrowej
Rys. 5. Schemat stanowiska badawczego: 1-wentylator, 2-tunel aerodynamiczny, 3-rurka
Pitota, 4- model turbiny wiatrowej, 5- jednostka sterująca, 6 – komputer, 7 – jednostka INIT1
Rys. 6. Widok pulpitu programu SCADA
6
5
4
3
2
1
1
7
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 4
Katedra Ciepłownictwa
Badanie charakterystyk turbiny wiatrowej
z wirnikiem trzy- i sześciopłatowym
4
b)
przebieg realizacji eksperymentu (rys. 5)
1)
Ustawić kąt nachylenia łopat modelu turbiny elektrowni wiatrowej zadany
przez prowadzącego.
2)
Włączyć jednostkę sterującą 5
3)
Włączyć jednostkę „INIT1”
4)
Włączyć DC Lamp 1 i 2 (INIT1)
5)
Ustawić „Load select” w pozycji „2”
6)
Włączyć rejestrator, klikając na ikonkę „START”.
7)
Ustawić „MEAS” w pozycji „BEFORE” .
8)
Ustawić pierwszą zadaną przez prowadzącego nastawę prędkości powietrza
suwakiem (AVE-1).
9)
Odczytać pięciokrotnie prędkość przepływu powietrza (SVA-1) oraz prędkość
obrotową turbiny (SV-1).
10)
Odczytać pięciokrotnie napięcie (V_D) oraz natężenie prądu (I-DC).
11)
Wyniki zapisać do tabeli 1.
12)
Powtórzyć czynności 9-11 dla pozostałych nastaw zadanych przez
prowadzącego.
13)
Z wirnika usunąć trzy łopaty.
14)
Powtórzyć czynności 8-12 dla turbiny trzypłatowej.
15)
Wyniki zapisać do tabeli 2.
Po wykonaniu ćwiczenia należy wyłączyć wentylator (1), przesuwając suwak (AVE-1) na
pozycję „0”.
c)
prezentacja i analiza wyników badań
Na podstawie wykonanych pomiarów wielkości charakterystycznych wykreślić
charakterystyki P=f(v), n=f(v) turbiny z wirnikiem trzypłatowym i sześciopłatowym.
Podstawowe wielkości należy wyznaczyć ze wzoru:
1) moc modelowej turbiny wiatrowej:
P
U I
= ⋅
W
(1)
gdzie:
U
- jest to napięcie [V],
I
- jest to natężenie prądu [A].
Wyniki badań oraz obliczeń charakterystycznych wielkość turbiny z wirnikiem
trzypłatowym i sześciopłatowym należy zapisać odpowiednio w tabelach 1 i 2.
Porównać charakterystyki turbiny z wirnikiem trzypłatowym i sześciopłatowym.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 4
Katedra Ciepłownictwa
Badanie charakterystyk turbiny wiatrowej
z wirnikiem trzy- i sześciopłatowym
5
Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów oraz obliczeń – turbina z wirnikiem
sześciopłatowym
Nastawa k
ą
t nachylenia łopaty turbiny do osi turbiny:
o
n
wentMAX
v
v
sr
n
n
sr
U
U
sr
I
I
sr
P
sr
%
m/s
m/s
obr/min
obr/min
V
V
A
A
W
Imię i nazwisko studenta:
Data wykonania ćwiczenia:
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 4
Katedra Ciepłownictwa
Badanie charakterystyk turbiny wiatrowej
z wirnikiem trzy- i sześciopłatowym
6
Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów oraz obliczeń – turbina z wirnikiem
trzypłatowym
Nastawa k
ą
t nachylenia łopaty turbiny do osi turbiny:
o
n
wentMAX
v
v
sr
n
n
sr
U
U
sr
I
I
sr
P
sr
%
m/s
m/s
obr/min
obr/min
V
V
A
A
W
Imię i nazwisko studenta:
Data wykonania ćwiczenia:
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 4
Katedra Ciepłownictwa
Badanie charakterystyk turbiny wiatrowej
z wirnikiem trzy- i sześciopłatowym
7
4.
Wymagania BHP
Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na
pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących
w laboratorium.
W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów
porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego.
Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy
wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia.
Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach
elektrycznych bez polecenia prowadzącego.
5.
Sprawozdania studenckie
Sprawozdania studenckie powinno zawierać następujące informacje:
1)
Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł
ć
wiczenia, datę wykonania ćwiczenia,
2)
Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem:
a)
cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,
b)
niezbędne związki teoretyczne,
c)
opis rzeczywistego stanowiska badawczego,
d)
przebieg realizacji eksperymentu,
e)
wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień,
f)
wykresy i charakterystyki,
g)
zestawienie i analiza wyników badań.
3)
Analiza dokładności pomiarów.
4)
Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków.
6.
Literatura
1. Foit H.: Zastosowanie odnawialnych źródeł ciepła w ogrzewnictwie i wentylacji, Gliwice,
2011
2. Klugmann-Radziemska E.: Odnawialne źródła energii : przykłady obliczeniowe, Gdańsk,
2011
3. BoczarT.:Wykorzystanie energii wiatru, Warszawa, 2010
4. Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii, Radom, 2011
5. Aldo Vieira da Rosa: Fundamentals of renewable energy processes, Amsterdam, 2009
6. L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: „Pomiary w inżynierii sanitarnej”, Arkady
Warszawa 1980
