Teoria i założenia projektowe
Teoria i założenia projektowe
Założenia
W trakcie początkowych badań i obliczeń przyjęto poniższe parametry projektu:
|
Parametry techniczne |
|
| średnica wirnika | 4[m] |
| liczba łopat | 3 |
| moc na wale wirnika (10 [m/s]) | 2[kW] |
| moc zainstalowanego generatora* | 1[kW] |
| zakres użytecznych prędkości wiatru | 5 - 14 [m/s] |
|
stałe przełożenie, zmienny kąt natarcia łopat, sterowanie elektryczne, mikroprocesorowy układ sterujący z czujnikami pomiarowymi |
|
*mniejsza moc zainstalowanego generatora pozwala uruchomić generator przy słabszym wietrze, a w razie sprzyjających warunków pogodowych istnieje możliwość długotrwałego przeciążenia maszyny.
Elektrownia wiatrowa - teoria
Turbina wiatrowa pozwala przetworzyć energię poruszających się mas powietrza na energię elektryczną. Jest to sposób na darmową energię, jednak całkowicie zależną od warunków pogodowych. Moc jaką posiada poruszający się słup powietrza można określić wzorem [1]
[1]
Po podstawieniu do wzoru [1] wzorów
[2]
[3]
otrzymujemy wzór na energię słupa poruszającego się powietrza [4].
[4]
Po kolejnych przekształceniach otrzymujemy wzór na moc [5]
[5]
Wzór [5] przedstawia zależność, która nie uwzględnia strat powstałych w trakcie przetwarzania energii wiatru na energię mechaniczną a następnie elektryczną. Przyjęte współczynniki wynoszą odpowiednio: 33% - sprawność koła wiatrowego, 85% sprawność generatora, 95% sprawność mechaniczna.
[6]
Po podstawieniu wartości przyjętych w projekcie otrzymujemy:
moc na wale turbiny: 2.5 kW
moc wyjściową generatora: 2 kW
Wykres przedstawia zakresy mocy możliwe do uzyskania przy poszczególnych zakresach prędkości wiatru.
Przy prędkości powietrza poniżej 6 m/s generator nie wytwarza energii lub moc generowana przez generator jest znikoma. W zakresie od 6 do 10 m/s generator może pracować wytwarzając od 50 do 200% swojej mocy znamionowej. Wiatr o prędkości powyżej 10 m/s może być wykorzystany do poprawnej pracy poprzez regulację mocy generowanej na wale wirnika. Moc uzyskaną z wiatru można regulować zmieniając kąt zaklinowania łopatek wirnika.
Możliwość sterowania kątem zaklinowania łopat pozwala wykorzystać silniejsze podmuchy do produkcji energii. Aby możliwa była zmiana układu łopat konieczna jest budowa skomplikowanego mechanizmu piasty i układu sterującego nastawami łopat.
Oznaczenia:
E - energia kinetyczna
m0 - masa powietrza
V - prędkość powietrza
ρ - gęstość powietrza 1,22 kg/m3
Obj - objętość powietrza
s - pole powierzchni zakreślanej przez wirnik
t - czas
P - moc