Tytułem wstępu

Wraz ze wzrostem świadomości odpowiedzialności za środowisko naturalne i zrównoważonego rozwoju energetyka zmienia swój profil, powracając jak się zdaje do korzeni w postaci naturalnych źródeł energii, takich jak wiatr. Młyn wiatrowy, żagiel, pompy napędzane energią wiatru – stanowią przykłady kamieni milowych w historii ludzkości, sięgających do czasów starożytnej Persji, Imperium Rzymskiego czy Średniowiecza. Stosunkowo proste techniki użyte w tych rozwiązaniach były udoskonalane wraz z upływem czasu, tak by zmaksymalizować ich wydajność i dostosować je do potrzeb nowoczesnego społeczeństwa. Dziś stają się one orężem w walce z zanieczyszczeniami i narzędziem poprawy jakości środowiska i życia [1]. W roku 2015 zainstalowano w Polsce 1,3 GW mocy znamionowej w turbinach wiatrowych, 9,9% bilansu zainstalowanego w tym czasie w całej UE – wartość prześcigniętą tylko przez Niemcy [2]. Tym sposobem wiatr pozostaje najważniejszym Odnawialnym Źródłem Energii na polskim rynku OZE, z 66% udziału. Większość turbin montowanych w Polsce to siłownie o mocy wielu megawatów skupione w farmach wiatrowych. Tymczasem polskie zasoby wietrzności [3] zdają się odpowiadać filozofii energetyki rozproszonej, w której konsument może sam stać się prosumentem w chwili rozpoczęcia dostarczania energii, np. z małych turbin wiatrowych (ang. Small Wind Turbine – SWT), do sieci. Niestety, SWT dostępne na polski rynku rzadko odpowiadają miejscowym warunkom wietrzności i są zbyt drogie (w przeliczeniu na kWh). Stąd zainteresowanie problemem ze strony Instytutu Maszyn Przepływowych (IMP) i realizacja projektów badawczych mających na celu skonstruowanie polskiej turbiny SWT.

GUST (Generative Urban Small Turbine) to projekt studencki uruchomiony w październiku 2015. Skupia on studentów Politechniki Łódzkiej z kierunków Mechanicznych na stopniu inżynierskim i magisterskim. Połączyła ich idea pracy nad bieżącym, realnym problemem dotyczącym energii wiatrowej, jak również chęć rozwoju własnych umiejętności inżynierskich i zdobycia praktycznego doświadczenia. Celem zespołu jest zaprojektowanie i skonstruowanie turbiny SWT i udział w konkursie International SWT w Holandii. Są to międzynarodowe zawody gromadzące drużyny z wiodących europejskich ośrodków badawczych. Zmagania mają na celu zaproponowanie rozwiązania, wydajnego zarówno energetycznie jak i finansowo, które może zmienić sposób postrzegania i przyszłość energetyki wiatrowej. Zespół GUST startuje w zawodach z klasyczną turbiną o poziomej osi obrotu (ang. Horizontal-Axis Wind Turbine, HAWT) o średnicy 1,6m i mocy nominalnej 350W. Wizualizacja w postaci modelu 3D został przedstawiana na Rys.1.

Turbinka_Render_09b

Rys. 1. Model CAD 3D projektowanej turbiny GUST

Aerodynamika – co w wietrze piszczy

Pierwszym krokiem optymalizacji turbiny HAWT jest pochylenie się nad aerodynamiką rotora. Istnieją liczne teorie pozwalające zbadać ten aspekt, różniące się złożonością i założeniami. Jedną z najczęściej używanych jest teoria Blade Element Momentum (BEM). Pozwala ona wyliczyć moc turbiny wiatrowej na podstawie geometrii rotora i danych na temat przepływu. BEM jest rozwiązaniem użytym w wielu gotowych algorytmach i programach służących do inżynierskich obliczeń turbin wiatrowych. GUST postanowił oprzeć się na kodzie FAST, stworzonym w National Wind Technology Center, oddziale amerykańskiego Departamentu Energii. Geometria łopaty jest oparta na profilach aerodynamicznych NREL S834/S826, które wykazują się bardzo dobrymi właściwościami aerodynamicznymi w rozważanym zakresie liczb Reynoldsa (Re = 100 000). Przykładowe charakterystyki zoptymalizowanego rotora są widoczne na Rys. 2, gdzie moc turbiny wiatrowej pokazano w funkcji prędkości wiatru dla różnych wartości współczynnika szybkobieżności (ang. Tip-Speed Ratio TSR = ωR/V, gdzie ω – prędkość obrotowa, R – promień rotora, V – prędkość wiatru). Jak widać, moc uzyskiwana z wirnika turbiny wiatrowej zmienia się istotnie wraz ze zmianą jego prędkości obrotowej – zwiększanie ω jest interesujące tylko do pewnej wartości TSR, w tym przypadku równej 5. Dlatego tak ważne są badania aerodynamiczne samego wirnika, pozwalające oszacować optymalne warunki jego sterowania. Dodatkowe symulacje działania turbiny wykonano, aby zbadać wpływ ilości łopat na wydajność rotora. Zakończono je konkluzją, iż zwiększenie ilości łopat turbiny może pozwolić na dodatkowe zwiększenie uzysku energetycznego, lecz jest okupione koniecznością pocienieni łopat. To może spowodować, iż będą one miały tendencję do wyginania się (co obniża sprawność) a nawet – do złamania (co obniża sprawność jeszcze bardziej…). Stąd zespół GUST zdecydował się na pozostanie przy konfiguracji trójłopatowej, pozostawiając dalsze działania optymalizacyjne na kolejne edycje konkursu.

Opis_01

Rys. 2. Charakterystyki rotora turbiny wiatrowej o różnym współczynniku szybkobieżności

Konstrukcja – jak to jest zrobione

Nawet najlepiej zoptymalizowana pod względem aerodynamicznym turbina wiatrowa, nie zadziała jeśli nie będzie odpowiednio zaprojektowana od strony mechanicznej. Całość składa się z łopatek zamontowanych w piaście w taki sposób aby nie tylko zapewnić bezpieczne połączenie ale również zapewnić łatwy montaż. Piasta osadzona jest na wale, którego drugi koniec stanowi cześć generatora. Generator to główne urządzenie, które nadaje sens całej konstrukcji. To w nim energia kinetyczna rotora zamieniana jest a energię elektryczną, która może być następnie przekazana do sieci. Jednym z zagadnień, które trzeba wziąć pod uwagę podczas projektowania jest materiał z którego wykonane mają być poszczególne części. Bardzo ważne jest zminimalizowanie wagi wirnika (a dokładniej jego momentu bezwładności), aby zapewnić jak największą jego wydajność. Jednakże, materiał musi wytrzymać obciążenia pochodzące głównie od sił aerodynamicznych i odśrodkowych działających na łopatki. Wybraliśmy kilka materiałów i przebadaliśmy czy możliwość ich zastosowania w projekcie; materiały te to: tworzywo ABS powszechnie używana do druków 3D, poliamid 66 i stop aluminium jako punkt odniesienia. Wyniki pokazały, że najprawdopodobniej najlepszym wyborem do wytworzenia łopatek dla GUST będzie poliamid 66. Jest to polimer, który posiada bardzo dobre właściwości mechaniczne: jest twardy, odporny na zmęczenie i zużycie, łatwy  w obróbce i przede wszystkim bardzo lekki. W celu wyznaczenia naprężeń w proponowanym modelu użyto dwóch sposobów. Pierwszym z nich był tzw. Simple Load Model (ang. prosty model obciążeń). Jest to metoda analityczna, pozwalająca a wyliczenie naprężeń w odniesieniu dla projektowanych warunków pracy. Drugim wykorzystanym sposobem była metoda elementów skończonych (MES lub FEM z ang. Finite Element Method). MES opiera się na komputerowych symulacjach, dzięki którym można w łatwy sposób wyznaczyć słabe punkty i obciążenia dla konkretnych, często skomplikowanych kształtów  badanych części. Przeprowadzono kilka symulacji w celu zweryfikowania, czy łopatka wykonana z danego materiału wytrzymałaby określone warunki wiatrowe. Przykładowe wyniki symulacji przedstawia Rys. 3.

Opis_02

Rys. 3. Rozkład naprężeń zredukowanych Von Misesa dla dwóch prędkości obrotowych:
a) ω = 322 obr/min  b) ω = 800 obr/min

Sterowanie – dlaczego to działa tak jak powinno

Nawet najlepiej zaprojektowana turbina nie działałaby, gdyby nie mogła być sterowana. Szeroko rozumiane bezpieczeństwo małych turbin wiatrowych (SWT) jest bardzo ważnym czynnikiem konstrukcyjnym. Spełnienie kryteriów bezpieczeństwa postawionych przez organizatorów konkursu ISWT 2016 wymagało wzmożonego wysiłku projektantów. System sterowania i bezpieczeństwa powinien:

  • Być niezależny i służyć jako nadrzędna automatyczna ochrona turbiny przed błędami i awariami któregokolwiek z elementów.
  • Zapobiegać przekraczaniu maksymalnej prędkości obrotowej i otrzymywanej mocy
  • Pozwalać na ręczne zatrzymanie turbiny (zdalnie z odległości co najmniej 10 metrów) w razie niebezpieczeństwa
  • Zawierać się w zwartej zabudowie turbiny

Prototypowy system bezpieczeństwa składa się z mikrokontrolera z niezależnym systemem zasilania, obrotomierz, czujnik monitorujący napięcie i natężenie, serwomotor do wyzwalania hamulca, główny akumulator systemu hamulcowego, karta do zbierania danych z pamięcią SD, ręczny przycisk wyłącznik bezpieczeństwa, diody LED i ewentualny wyświetlacz. Cały system obsługiwany jest przez mikrokontroler automatycznie monitorujący wszystkie procesy w turbinie. Atutem jest również to że jest kompatybilny ze zwykłą wtyczką USB. Schemat pokazujący algorytm według którego działa przedstawiony jest na Rys. 4.

Opis_03

Rys. 4. Schemat algorytmu mikrokontrolera.

Pierwszym krokiem jest sprawdzenie czy wszystkie czujniki są aktywne i czy nie ma czynników zakłócających ich poprawną pracę, takich jak na przykład podwyższona temperatura. Jednocześnie, kontroler sprawdza czy ręczny wyłącznik bezpieczeństwa nie jest zablokowany, a także czy w akumulatorze jest wystarczająco dużo energii aby zapewnić ciągłą pracę systemu. Jeśli któryś, z powyższych warunków nie jest spełniony, wyzwolony zostanie automatyczny hamulec zapobiegający rozruchowi turbiny. Czynność taka byłaby zasygnalizowana zapaleniem odpowiedniej diody. Hamulec wyzwolony zostałby również gdy przekroczona zostałaby maksymalna prędkość 800 obr./min. lub czujnik napięcia zasygnalizowałby brak odpowiedniej rezystancji. System bezpieczeństwa może zostać odblokowany jedynie w sposób ręczny, wykorzystując na przykład zdalny system sterowania. Ponadto, dane zbierane przez system i zapisywane na karcie SD pozwolą na dalszy rozwój projektu GUST i optymalizację prototypu.

Bibliografia:

[1] P. Leconte i M. Rapin, „Éoliennes,” Techniques de l’Ingénieur.
[2] EWEA, „Wind in power – 2015 European statistics,” 2016.
[3] H. Lorenc, Atlas klimatu Polski, Warszawa: Instytut Meteorologii i gospodarki Wodnej, 2005.