ELEKTROWNIA WIATROWA

Sprawozdanie z eksperymentuoraz przedstawienie procesu budowy

Prezentacja projektu uczniów XXVI LO im. Krzysztofa Kamila Baczyńskiego

ZAŁOŻENIA PROJEKTUCo chcieliśmy osiągnąć?

Zbudować niewielki model elektrowni wiatrowej o jak największej wydajności przy sile wiatru przybliżonej do

ruchu powietrza w pobliżu domowego wiatraka.

Wymiary: 25x25x25 cm Prędkość wiatru: 2 m/sBudżet: mocno ograniczony ;-) Termin: koniec marca 2012

PROJEKTOWANIE TEORETYCZNE Od czego zaczęliśmy pracę ?

Wielkie dzieła nie wychodzą z rąk stolarzy bez żmudnej fazy projektowania. Jako osoby zupełnie niewtajemniczone w energetykę wiatrową najpierw zajęliśmy się przeglądem źródeł zarówno książkowych, jak i internetowych. Uzbrojeni w potężną wiedzę (jak nam się wtedy wydawało), stworzyliśmy kilka projektów, które porzuciliśmy… ze względów technicznych.

Okazało się, że bycie inżynierem w praktyce wcale nie jest takie proste…

PROJEKT I Turbina wiatrowa o osi poziomej wyposażona w dyfuzor

Nasz pierwszy projekt zakładał stworzenie elektrowni wiatrowej w układzie klasycznym wzbogaconej o dyfuzor.

Dlaczego dyfuzor? Zgodnie z z prawem Bernoulliego, gdy standardową turbinę zabudujemy w przewężeniu rurowego tunelu, to wirnik będzie poruszał się w powietrzu przepływającym szybciej niż wiatr poza tym tunelem. Ostatecznie da to zdecydowanie więcej energii, niż gdyby turbina pracowała bez dyfuzora.

Pojawiły się jednak pytania:

Ile śmigieł?

Jaki kształt łopat będzie najlepszy?

Jaki kształt dyfuzora? A może dodać drugi wiatrak na końcu osi?

Jak najlepiej przymocować oś do dyfuzora?Jakich materiałów użyć?

BUDOWA Uzbrojeni w odpowiednią (jak nam się wydawało) wiedzę,

rozpoczęliśmy budowę turbiny.

Podczas prac natrafiliśmy na kilka przeszkód: •Optymalny sposób mocowania osi do podstawy

Użyliśmy łożysk kulkowych w odpowiednim rozmiarze. Sposób ich mocowania okazał się problematyczny. Łożyska opadały wewnątrz metalowych nóg.

•Nadal nierozwiązany problem optymalnej ilości śmigieł i ich kształtu

Planowaliśmy dojść do optymalizacji metodą prób i błędów. O wiele lepszym sposobem wydało nam się jednak wprowadzenie w życie innego rozwiązania inżynieryjnego…

PORZUCONY KSZTAŁT

Owe niekształtne twory stanowią jeden z modeli śmigieł naszego wiatraka. W planach miały przyjąć kształt półkola. Do ich budowy zużyliśmy: 1. Żarówki 2. Silikon 3. Folię aluminiową spożywczą 4. Taśmę klejącą z papieru

Jak widać podczas budowy towarzyszyły nam porażki, mniejsze i większe… Teraz już wiemy, że nie należy utrudniać prac wydumanymi pomysłami.

(ciekawostka)

PROJEKT IITurbina wiatrowa o pionowej osi obrotu

Charakterystyka: Przekrój poziomy wirnika jest zbliżony do litery "S". Wirnik ma cztery ramiona. Różnica sił oddziaływania wiatru na wklęsłą i wypukłą stronę łopat powoduje obrót wirnika.

Zalety: → prosta w budowie → duża wytrzymałość

Wady :

→ jeszcze nie odkryliśmy żadnych wad(wcale nie z powodu niezawodności takiego rozwiązania, po prostu… za mało szukaliśmy)

SPODZIEWANA WYDAJNOŚĆMoc turbiny wiatrowej wyraża się wzoremp – gęstość powietrza, v -prędkość wiatru, F – przekrój poprzeczny strumienia powietrza,

e - współczynnik wykorzystania energii

Zatem, gdybyśmy stworzyli „perpetuum mobile”, gdzie e = 100% osiągnęłoby ono P = 1,65W

Niestety, jak na nasze możliwości jest to nie do osiągnięcia, w teorii współczynnik wykorzystania energii może byś równy 59,3%, lecz w praktyce można co najwyżej osiągnąć go na poziomie 50%, co było naszym celem. Czyli aby P = 0,83W

MODEL I

2. Koniec osi

1. Bloczek

3. Obudowa konstrukcji

4. Oś i łożyskowanie

5. Łopaty

SPRAWNOŚĆ MODELU I

Numer Pomiaru Czas Moc1 10,47 s 0,0086 W

2 12,23 s 0,0073 W

3 9,50 s 0,0094 W

4 11,74 s 0,0076 W

- Moc 0.0082 ± 0,0013 W

W jest to ΔEp = mgΔh, P = W / t, gdzie m = 30g, a Δh=0,03 ± 0,01m

Niepewność pomiarowa. 0,0086 W – 0,0073 W = 0,0013 W

Max Min

Jako grupa doszliśmy do konkluzji, iż wynik naszego wiatraka jest niesatysfakcjonujący,

ponieważ osiągnęliśmy mniej niż 1% spodziewanego wyniku.

MODEL II (PO POPRAWKACH)1. Koniec osi

2. Bloczek

3. Obudowa konstrukcji

4. Oś i łożyskowanie

5. Łopaty

1. KONIEC OSI 2.BLOCZEKZostaliśmy poinformowani, że nasza konstrukcja miała zbyt mały moment obrotowy w stosunku do długości osi, na którą nawijała się nitka (wykonana

de facto z nogi od szafy o średnicy ok.4 cm). Rozwiązaliśmy problem,

zastępując dotychczasową końcówkę śrubą.

Okazało się również, że nitka zawijała się nam do środka łożyska, dlatego byliśmy zmuszeni podnieść nasz

bloczek do góry.

3. OBUDOWA KONSTRUKCJI

4. OŚ I ŁOŻYSKOWANIE

Zdjęliśmy część obudowy, aby nie rozbijać strumienia wiatru. Z tego powodu, iż wiatraki tego

typu działają na różnicy oporów powietrza padającego na część wklęsłą i wypukłą, uznaliśmy za dobry pomysł osłonięcie wypukłych części łopat specjalną ścianką. Podstawa i szkielet wykonane są

z drewna, reszta z tworzyw sztucznych.

Początkowo w płomieniach młodego inżynieryjnego szału osadziliśmy oś na 3 łożyskach kulkowych, dodatkowo używając w górnej części

czwartego. Usunęliśmy na dole 2 łożyska, aby zmniejszyć opór, który one powodowały oraz usunęliśmy ich obudowy, aby wyczyścić gęsty

smar, który się w nich znajdował i zastąpiliśmy go o wiele bardziej wydajnym.

5. ŁOPATY

Łopaty wykonaliśmy z plastikowej rury o

średnicy ok.8,5cm i wysokości 18cm.

Zmiana polegała na wycięciu drewnianych

podpórek, które mających zapobiec

rozklejeniu się konstrukcji.

Pomimo iż różnica ciężaru była niewielka, to usunięcie podpórek korzystnie wpłynęło na cyrkulacje

powietrza wewnątrz łopaty. Niestety, obniżając jej wytrzymałość, ale wytrzymała ona jej testy

SPRAWNOŚĆ MODELU II

Numer Pomiaru Czas Moc1 25,45 s 0,0189 W

2 17,44 s 0,0275 W

3 24,38 s 0,0197 W

4 22,33 s 0,0215 W

Moc 0,0200 ± 0,0026 W

W jest to ΔEp = mgΔh, P = W / t, gdzie m = 160g, a Δh=0,03 ± 0,01m

Min

Max

Niepewność pomiarowa.0,0215 W – 0,0189 W = 0,0026 W

Musieliśmy usunąć drugi pomiar z naszej analizy, ponieważ za bardzo odstawał od

reszty i prawdopodobnie

wkradł się tam jakiś błąd pomiaru.

Jak widać po poprawkach znacznie podniosła się sprawność naszego

wiatraka, lecz dalej pozostała na bardzo niskim poziomie, osiągnęliśmy zaledwie

2,3% tego, co zamierzaliśmy.

KONKLUZJE

•Ze źródeł specjalistycznych dowiedzieliśmy się, że turbiny o osi pionowejmają znacznie niższy współczynnik sprawności niż konstrukcje klasyczne (śmigłowe), czyli około 30%.

•Pomimo niskiej sprawności udało nam się zdobyć wiele doświadczeń z zakresu inżynierii. Mamy zamiar wykorzystać je przy budowie kolejnej turbiny. : )

Nawet takie kosmetyczne poprawy znacznie poprawiły sprawność naszego wiatraka. Opierały się głównie na usuwaniu zbędnych elementów. Stąd wniosek na przyszłość – należy każdy element budowy dokładnie przemyśleć

WYKORZYSTANE MATERIAŁYBibliografia: Mieczysław Jażewski „Fizyka Ogólna” R.Resnick i D.Halliday „Fizyka dla

studentów nauk przyrodniczych i technicznych”

Inne źródła informacji: Program wiatrak 1.1 http://www.uwm.edu.pl/kolektory/

silownie/pionowe.html http://zasoby1.open.agh.edu.pl/

dydaktyka/inzynieria_srodowiska/c_odnaw_zrodla_en/

http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/inzynieria_srodowiska/c_odnaw_zrodla_en/files/inne_rozwiazania.htm

http://darmowa-energia.eko.org.pl/pliki/wiatr/prof_cxy.html

Skład grupy: Aleksandra Sroczyńska Damian Kądrowski Łukasz Zimoń

Wszystkie grafiki wykorzystane w prezentacji zostały stworzone przez członków grupy.