Krzysztof Korycki
Centrum Badań i Innowacji Pro-‐Akademia
ul. Piotrkowska 238, 90-‐360 Łódź, Krzysztof.Korycki@proakademia.eu
MOŻLIWOŚCI CTT OZE W ZAKRESIE POMIARÓW WIETRZNOŚCI, BADANIA MIKROTURBIN WIATROWYCH I NAPOWIETRZANIA TERENÓW MIEJSKICH
Streszczenie
Laboratorium wiatrowe Centrum Transferu Technologii w obszarze Odnawialnych Źródeł Energii zajmuje się szerokim spektrum zagadnień badawczych. Część z nich dotyczy meteorologii oraz klimatologii i obejmuje ana-‐
lizę warunków wiatrowych pod kątem energii użytecznej do pracy turbin wiatrowych. Inne są związane z badaniami w tunelu aerodynamicznym i dotyczą inżynierii wiatrowej, w tym konstrukcji turbin wiatrowych oraz przewietrzania i napowietrzania terenów zurbanizowanych. Zaplecze obliczeniowe pozwoli na prowadze-‐
nie analiz rozkładów i symulacji numerycznych mierzonych wielkości.
Słowa kluczowe
prognoza wietrzności, energia użyteczna wiatru, turbina wiatrowa, inżynieria wiatrowa, przewietrzanie i napo-‐
wietrzanie terenu, tunel aerodynamiczny
Wprowadzenie
Laboratoria Centrum Transferu Technologii w obszarze Odnawialnych Źródeł Energii stanowią bazę badawczo-‐
rozwojową i zaplecze techniczne członków klastra Bioenergia dla Regionu. Ich podstawową rolą jest wspoma-‐
ganie realizacji badań i wdrażania nowych rozwiązań oraz umożliwienie wymiany doświadczeń między przedsiębiorstwami, instytucjami otoczenia biznesu i jednostkami naukowymi. Głównymi osiami współpracy regionalnej, krajowej i międzynarodowej są ułatwienie transferu wiedzy oraz zmniejszenie kosztów działalności dzięki wykorzystaniu wspólnej infrastruktury badawczej.
Laboratorium wiatrowe Centrum Transferu Technologii w obszarze Odnawialnych Źródeł Energii zajmuje się szerokim spektrum zagadnień badawczych. Część z nich dotyczy meteorologii oraz klimatologii i obejmuje ana-‐
lizę warunków wiatrowych pod kątem energii użytecznej do pracy turbin wiatrowych. Inne są związane z badaniami w tunelu aerodynamicznym i dotyczą inżynierii wiatrowej oraz – w pewnym zakresie – konstrukcji maszyn przepływowych, zwłaszcza turbin wiatrowych. Oferta laboratorium stanowi odpowiedź na potrzeby gospodarki narodowej oraz zleceniodawców indywidualnych i instytucjonalnych w tym zakresie. Przewiduje się prowadzenie badań pod kątem ekspertyz i konsultacji oraz zgodności z normami.
Obowiązujące normy europejskie nakładają obowiązek badań w tunelu aerodynamicznym w zakresie aproba-‐
cyjnym i weryfikacyjnym na potrzeby akredytacji w dziedzinie aerodynamiki budowli i innych działów inżynierii wiatrowej [3]. Zalecane działania w zakresie systemu klimatycznego przedstawione w Studium uwarunkowań i kierunków zagospodarowania przestrzennego miasta Łodzi [8] wskazują na potrzebę ochrony istniejących korytarzy wymiany powietrza oraz terenów napływu natlenionych mas powietrza przed niekorzystnymi zmia-‐
nami powodującymi blokowanie lub osłabianie wymiany powietrza zarówno w strefie zwartej zabudowy centrum, jak i w nowo budowanych dzielnicach peryferyjnych. Ważne jest wzbogacanie istniejącego układu naturalnych i sztucznych korytarzy nawietrzających, zwłaszcza na osi wschód-‐zachód.
Ustawa Prawo Ochrony Środowiska – w myśl dyrektywy ramowej 96/62/WE Rady Unii Europejskiej – wymaga stosowania systemów zarządzania jakością powietrza (SZJP), zapewniających monitoring emisji, rozprzestrze-‐
niania się zanieczyszczeń pyłowych i gazowych oraz emisji. Narzędziami i źródłami informacji są pomiary terenowe i modele matematyczne rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w atmosferze. Z oceną jakości modelu matematycznego wiążą się pojęcia walidacji i weryfikacji. Walidacja oznacza ogólne porównanie wyników mo-‐
delowania z pomiarami, udokumentowanie dokładności przy pomocy statystyk i – w razie znacznych rozbieżności – skorygowanie formuł matematycznych. Walidacja modelu jest jednym z podstawowych warun-‐
ków dopuszczalności jego stosowania. Wyniki weryfikacji mogą oznaczać konieczność korekty, jeśli charakter błędów jest systematyczny, np. zawyżenie lub zaniżenie wartości średnich [10]. Miarą jakości modelu matema-‐
tycznego są statystyki błędów, otrzymane w wyniku porównania z danymi eksperymentalnymi uzyskanymi z pomiarów terenowych lub w tunelu aerodynamicznym.
Pomiary wietrzności
Oprócz analizy bieżących pomiarów anemometrycznych w miejscu planowanej lokalizacji turbiny brane są pod uwagę wieloletnie serie obserwacyjne sieci Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Uwzględnienie w modelu badawczym szeregów danych pomiarowych z perspektywy jednorocznej i wieloletniej pozwala na wyznaczenie prognozy wietrzności w danym miejscu. Dane bazowe odnoszą się do wiatru na wysokości 10 m nad poziomem gruntu, ale po przeliczeniu można je również stosować do wyżej położonych osi turbin.
Najmniejszy błąd prognozy – poniżej 10% – występuje dla otwartych terenów rolniczych o niewielkich deniwe-‐
lacjach. Na wzrost niepewności prognozy wpływa sąsiedztwo lasów lub zabudowań powodujących turbulencje wynikające z szorstkości podłoża. Dane modelowe są obciążone największym błędem w przypadku terenów zurbanizowanych o gęstej i wysokiej zabudowie, a także terenów wysokogórskich. Po podstawieniu charaktery-‐
styki pracy turbiny do prognozy wietrzności można oszacować ilość energii elektrycznej produkowanej w ciągu roku.
Stacja meteorologiczna CTT rejestruje i gromadzi w systemie ciągłym dane pomiarowe elementów meteorolo-‐
gicznych dotyczących warunków insolacyjnych, termiczno-‐wilgotnościowych oraz wiatrowych. Przenośne wyposażenie pomiarowe umożliwia rejestrację wartości wybranych elementów pogody w lokalizacjach wska-‐
zanych przez inwestora – prosumenta. W skład docelowego wyposażenia stacji meteorologicznej wejdą dwa termohigrometry (jeden do zastosowań wnętrzowych służący do oceny klimatu pomieszczeń budynku pasyw-‐
nego pod kątem zgodności z normą, drugi umieszczony w klatce meteorologicznej), dwa pyranometry do pomiaru natężenia promieniowania słonecznego, dwa anemometry do pomiaru prędkości wiatru (jeden ultra-‐
dźwiękowy, drugi czaszowy), a także moduł zbierania danych i oprogramowanie do rejestracji, wizualizacji danych oraz obsługi urządzeń i alarmowania.
Inżynieria wiatrowa
Inżynieria wiatrowa zajmuje się badaniem wpływu wiatru na środowisko naturalne, ludzi oraz na budowle i konstrukcje inżynierskie [1]. Badania w laboratorium wiatrowym CTT obejmą oddziaływania aerodynamiczne konstrukcji budowlanych – opory i drgania aeroelastyczne. Prowadzone będą również symulacje klimatu wia-‐
trowego, leżące w obszarze zainteresowań inżynierii środowiska, architektów i urbanistów – w tym przewietrzanie i napowietrzanie terenów zabudowanych o różnej architekturze oraz rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń pyłowych i gazowych.
Modelowanie elektrowni wiatrowych ma znaczenie z uwagi na rosnącą liczbę konstrukcji i ich moc. Jednym z głównych zastosowań tunelu aerodynamicznego jest badanie modeli turbin wiatrowych. Sprawność oraz efektywność działania elektrowni wiatrowej w znacznym stopniu zależą od rodzaju turbiny. Istnieje wiele mo-‐
deli matematycznych o różnym stopniu złożoności pozwalających na symulowanie pracy turbin. Modele turbin należy analizować wraz z modelem wiatru. Wiatr wprawia w ruch wirnik turbiny, a praca wirnika powoduje zaburzenia przepływu powietrza. Do wyznaczania sił aerodynamicznych działających na elementy łopaty turbi-‐
ny stosuje się powszechnie teorię strumieniową elementu łopaty [9]. Jest ona połączeniem teorii elementu łopaty z teorią strumienia śmigłowego. Prędkość rozruchowa modelu turbiny wiatrowej w tunelu wynosi ok.
5 m/s. W warunkach polowych jest znacznie niższa – ok. 3 m/s, ponieważ naturalny wiatr ma charakter porywi-‐
sty, z większym udziałem turbulencji niż w laminarnym strumieniu tunelu. Dla każdej ustawionej prędkości przepływu w tunelu zwiększa się obciążenie hamulca magnetycznego, aż do uzyskania maksymalnej mocy ge-‐
nerowanej na turbinie. Wpływ na przebieg generowanej mocy mogą mieć także cechy połączenia mechanicznego, elastyczność wałów, sprzęgieł i przekładni [12]. Wynik jest rejestrowany, a pomiary są prowa-‐
dzone dosyć wolno w celu wyeliminowania udziału energii momentu bezwładności.
Moment turbiny wiatrowej zależy od wielu parametrów procesu przetwarzania energii wiatru. Spowalnianie wiatru wywołane mijaniem masztu znajdującego się za wirnikiem przez łopatę turbiny czy straty energii na końcówkach płatów wywierają istotny wpływ na przebieg uzyskiwanego momentu [11]. Straty końcówkowe powstają wskutek przepływu powietrza na końcu płata ze strony nadciśnienia na stronę podciśnienia. Skutkiem jest spadek siły nośnej oraz momentu i mocy turbiny. Do rozważenia pozostaje kwestia, czy obciążenie turbiny przez generator wpłynie na osłabienie wahań momentu.
Tunel aerodynamiczny w CTT OZE
Tunel aerodynamiczny stanowi integralną cześć parterowego budynku CTT w Konstantynowie Łódzkim przy ul.
Innowacyjnej 11. Jego budowę pokazano na rysunku 1, a bryłę budynku na rysunku 2. Jest to poddźwiękowy
tunel o obiegu zamkniętym z zamkniętą komorą pomiarową, którą można wysuwać jako niezależny wózek z usuwalnymi oknami [2]. Został wykonany z blachy o grubości 4 mm i posadowiony na płycie fundamentowej, co pozwala na zapewnienie sztywności konstrukcji podczas pracy. Komora pomiarowa o wymiarach (WxSxD) 800x600x2000 mm i przekroju poprzecznym 0,48 m2 została zabudowana w pomieszczeniu laboratorium. Sek-‐
cja wentylatora o przekroju kołowym ma średnicę wewnętrzną 1050 mm. Prędkość strumienia powietrza – generowana przez wentylator z silnikiem elektrycznym o mocy 22 kW – jest płynnie regulowana do 40 m/s. Do kontroli prędkości przepływu służy regulacja obrotów silnika wentylatora przy użyciu przetwornicy częstotliwo-‐
ści. Nastawy można uzyskać w sposób ręczny – za pomocą potencjometru na pulpicie operatora, lub automatyczny – przez regulator PID sterowany programowo.
Dyfuzor wentylatora zmienia przekrój z ośmiobocznego do kwadratowego. Zmniejszenie prędkości przepływu na wylocie minimalizuje straty i zakłócenia w strumieniu powietrza dochodzącym do sekcji ulownicy. Na końcu dyfuzora znajduje się jeden z włazów inspekcyjnych. Dwie siatki zabezpieczają kierownice i wentylator przed uderzeniami uniesionych przez strumień powietrza elementów.
Konstrukcja tunelu zapewnia równomierny rozkład prędkości (z tolerancją do 1%) w obszarze stanowiącym co najmniej 80% przekroju przestrzeni pomiarowej, w płaszczyznach pionowej i poziomej, przechodzących przez jej oś. Kąt odchylenia strumienia od osi tunelu w obu płaszczyznach jest mniejszy od 0,3. Konstrukcja komory pomiarowej wykonana została z przezroczystego plexiglasu o grubości 10 mm zamocowanego w ramach alumi-‐
niowych, umożliwiających mocowanie obiektów pomiarowych. Połączenie komory z konstrukcją tunelu zapewniają uchwyty szybkozaciskowe.
Rysunek 1. Budowa tunelu aerodynamicznego i komory pomiarowej (27.05.2014 r.)
Rysunek 2. Siedziba Centrum Transferu Technologii z tunelem aerodynamicznym (29.07.2014 r.)
W tunelu zamontowano dwa czujniki ciśnienia odniesienia, jeden czujnik ciśnienia barometrycznego oraz czuj-‐
nik temperatury. Docelowo powstanie warsztat modelarski wyposażony w obrabiarki skrawające oraz zestaw narzędzi do przygotowania modeli. Część z nich powstanie przy użyciu wielokolorowej drukarki 3D.
Wyposażenie pomiarowe tunelu aerodynamicznego
Podstawowym narzędziem pomiarowym w tunelu aerodynamicznym jest waga aerodynamiczna, czyli przyrząd pomiarowy dający możliwość pomiaru sił i momentów działających na model opływany przez przepływający ośrodek [3]. Docelowe wyposażenie tunelu aerodynamicznego obejmuje wagi tensometryczne trójskładnikowe oraz pięcioskładnikowe. Analiza komputerowa umożliwia wyznaczenie miejsc maksymalnej koncentracji naprę-‐
żeń badanej konstrukcji. Dzięki temu tensometry są naklejane w miejscach, w których dana siła przyjmuje wartość najwyższą [4]. Wymagane wzmocnienie wagi waha się w zakresie 1000-‐3000. Układ wzmacniaczy z uwagi na dwa symetryczne przetworniki sił i momentów ma dwa kanały. Sygnał wyjściowy jest sumą sygna-‐
łów obu wzmacniaczy, rejestrowanych z częstotliwością próbkowania 100 kHz. W skład aparatury pomiarowej wchodzą również: sonda ciśnienia statycznego, zestaw anemometrów z sondami, matryca czujników do wielo-‐
punktowego pomiaru ciśnień, czujniki indukcyjne oraz urządzenia rejestrujące, przetwarzające i wzmacniające sygnały z czujników.
Mierzone wielkości to prędkość przepływu i jego turbulencji, ciśnienie wiatru w przepływie, ciśnienie na korpu-‐
sach modeli, siły i momenty sił działających na modele lub ich fragmenty np. dachy [5]. Gromadzenie, przetwarzanie i prezentację graficzną zebranych danych pomiarowych umożliwia dedykowane oprogramowa-‐
nie. Większość omawianego wyposażenia nie jest produkowana w Polsce.
Rysunek 3. Komora pomiarowa tunelu aerodynamicznego z badanym modelem turbiny wiatrowej
Odmienne warunki przepływu w tunelach i w warunkach terenowych – turbulencja, zmiany ciśnienia – można skorygować, stosując odpowiednie poprawki. Przenoszenie wyników badań tunelowych na obiekty rzeczywiste jest możliwe po spełnieniu wymagań podobieństwa dynamicznego. Z teorii podobieństwa oraz analizy wymia-‐
rowej wynika, że do określenia siły aerodynamicznej działającej na bryłę opływaną przez gaz termodynamicznie doskonały i nieprzewodzący ciepła wystarczy znajomość wymiarów opływanej bryły, kątów położenia bryły wobec kierunku prędkości, modułu prędkości przepływu niezakłóconego, temperatury, gęstości i lepkości ośrodka oraz stałej gazowej. Bezwymiarowe wielkości podobieństwa to m.in. liczba Reynoldsa i liczba Macha.
Opis wektora siły aerodynamicznej najwygodniej jest przeprowadzić w układzie współrzędnych prostokątnych zorientowanym tak, aby oś x pokrywała się z kierunkiem prędkości. Środek aerodynamiczny to punkt modelu, względem którego moment aerodynamiczny jest stały niezależnie od kąta natarcia strumienia powietrza. Kon-‐
strukcja wagi pozwala na swobodny obrót ramy z modelem względem każdej z trzech osi. Kąt natarcia jest zmieniany ręcznie. Zmierzone siły aerodynamiczne są wielkościami brutto i należy od nich odjąć tarę wagi. Tara wynika z faktu, że osie wagi nie pokrywają się ze środkiem ciężkości wagi oraz modelu. Tara wagi zmienia się wraz z kątem natarcia, jej wartość wyznacza się przez dokonanie pomiaru sił i momentów przy wyłączonym wentylatorze tunelu.
Analiza numeryczna i symulacje
Szybki rozwój metod obliczeniowych mechaniki płynów (Computational Fluid Dynamics) oraz komputerowej inżynierii wiatrowej umożliwia rozwiązywanie wielu zagadnień, jednak wciąż niezbędne jest prowadzenie eks-‐
perymentów modelowych w tunelach aerodynamicznych, aby zmierzyć i wyjaśnić zjawiska towarzyszące przepływom i opływom płynów lepkich [1]. Badania te – ze względów ekonomicznych – są prowadzone w zmniejszonej skali. Analiza wymiarowa i teoria podobieństwa pozwalają na podstawie wyników uzyskanych w tunelu formułować wnioski, odnoszące się do badanych zjawisk w ich rzeczywistej wielkości.
Wizualizację przepływu i turbulencji realizuje się przez podanie kontrastu dymnego do strugi powietrza, a następnie jej rejestrację w postaci serii szybkich zdjęć. Dane uzyskane z wizualizacji w tunelu po zastosowaniu skalowania można porównać z wynikami symulacji. Metoda CFD pozwala na symulowanie zagadnień związa-‐
nych z transportem pędu, energii i masy w układach rzeczywistych [7]. Dzięki temu można uzyskać informacje o rozkładzie pola ciśnienia i prędkości w przepływie płynu. Umożliwia to analizowanie ruchu ciepła przez symula-‐
cję pola temperatury oraz ruchu masy przy badaniu rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń na przykładzie pola stężeń. W tym celu za pomocą programu numerycznie rozwiązuje się równania opisujące wymianę pędu, bilan-‐
su energii i masy. Akumulacja, konwekcja i dyfuzja to trzy procesy występujące przy przenoszeniu pędu, ciepła i masy. Uzyskane rozwiązania równań można przedstawić graficznie, co ułatwia analizę układu.
Zaplecze obliczeniowe laboratorium wiatrowego pozwoli na wykonanie symulacji numerycznej rozkładu ciśnień i pola prędkości wiatru w trakcie przepływu i opływu wokół budowli oraz dla typowych rodzajów terenu o różnej szorstkości. Będą prowadzone także symulacje statycznego oraz dynamicznego oddziaływania wiatru na budowle i konstrukcje z uwzględnieniem wzbudzenia wirowego oraz odpowiedzi statycznej i dynamicznej budowli smukłych, mostów podwieszanych i wiszących.
W nieco dalszej perspektywie przewidywana jest analiza numeryczna niestateczności aeroelastycznej typu dywergencji, galopowania w śladzie aerodynamicznym, flatteru skrętnego i giętno-‐skrętnego oraz wzbudzenia wirowego w warunkach krytycznego odrywania się wirów [5]. Podczas badań w tunelu aerodynamicznym oraz w czasie analiz numerycznych trzeba pamiętać, że oszacowane wyniki mogą różnić się od rzeczywistych, ale najczęściej są zawyżone z powodu wysokiej turbulencji. W warunkach rzeczywistych turbulencja zmniejsza wpływ niebezpiecznych zjawisk, takich jak odrywanie się wirów czy galopowanie w śladzie aerodynamicznym [6].
Bibliografia
[1] Flaga A., Inżynieria wiatrowa. Podstawy i zastosowanie, Arkady 2008.
[2] Boba R., Dokumentacja techniczna tunelu aerodynamicznego LSWT-‐CC078-‐40PL, Casp System Sp. z o.o., Jaworzno 2013.
[3] Bęc J., Flaga A., Lipecki T., Szczerba Z., Materiały III Ogólnopolskiego Sympozjum, Wpływy środowiskowe na budowle i ludzi – obciążenia, oddziaływania, interakcje, dyskomfort, Politechnika Lubelska – Zwierzyniec, 14-‐16 maja 2001; Pięcioskładnikowa tensometryczna waga aerodynamiczna do badań modelowych budowli i konstrukcji, ss. 191–198.
[4] Bęc J., Flaga A., Lipecki T., Szczerba Z., Materiały III Ogólnopolskiego Sympozjum, Wpływy środowiskowe na budowle i ludzi – obciążenia, oddziaływania, interakcje, dyskomfort, Politechnika Lubelska – Zwierzyniec, 14–16 maja 2001, Trójskładnikowa tensometryczna waga aerodynamiczna do badań modelowych mostów, str. 199–
206.
[5] Flaga A., Materiały III Ogólnopolskiego Sympozjum, Wpływy środowiskowe na budowle i ludzi – obciążenia, oddziaływania, interakcje, dyskomfort, Politechnika Lubelska – Zwierzyniec, 14–16 maja 2001, Laboratorium inżynierii wiatrowej z tunelem aerodynamicznym Politechniki Krakowskiej, ss. 223–230.
[6] Błazik-‐Borowa E., Materiały III Ogólnopolskiego Sympozjum, Wpływy środowiskowe na budowle i ludzi – obciążenia, oddziaływania, interakcje, dyskomfort, Politechnika Lubelska – Zwierzyniec, 14–16 maja 2001; Po-‐
równanie obciążeń aerodynamicznych otrzymanych w tunelu aerodynamicznym i z obliczeń programem Fluent, ss. 208–214.
[7] Rudniak L., Materiały III Ogólnopolskiego Sympozjum, Wpływy środowiskowe na budowle i ludzi – obciąże-‐
nia, oddziaływania, interakcje, dyskomfort, Politechnika Lubelska – Zwierzyniec, 14–16 maja 2001, Zastosowanie metody CFD do analizy zagadnień związanych z aerodynamiką zewnętrzną i wewnętrzną budyn-‐
ków, ss. 245–251.
[8] Studium uwarunkowań i kierunków zagospodarowania przestrzennego miasta Łodzi 2010.
[9] Mazur D., Szczerba Z., Badania wstępne turbiny wiatrowej w konfiguracji pionowej w tunelu aerodynamicz-‐
nym oraz obliczenia przy użyciu metody DMS, Przegląd Elektrotechniczny R.90 nr 1/2014, ss. 175–178.
[10] Łobocki L., Wskazówki metodyczne dotyczące modelowania matematycznego w systemie zarządzania jakością powietrza, Główny Inspektorat Ochrony Środowiska, Warszawa 2003.
[11] Uracz P., Karolewski, B., Modelowanie turbiny wiatrowej z wykorzystaniem teorii elementu płata, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 59, 2006, [12] Uracz P., Karolewski B., Modelowanie turbin wiatrowych z wykorzystaniem charakterystyk współczynnika mocy, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej Nr 59, 2006.
RESEARCH POTENTIAL OF RES TECHNOLOGY TRANSFER CENTRE IN THE FIELD OF WIND MEASUREMENTS, MICROTURBINE RESEARCH AND AERIFICATION OF URBAN ZONES
Abstract
Wind Laboratory of Transfer Technology Centre Renewable Energy Sources performs wide research spectrum.
It concerns meteorology, climatology as well as analysis of wind as a useful energy source for wind turbines.
Works based on aerodynamic tunnel investigations focuses on wind engineering, wind turbine construction as well as airing and aerification of urban zones.
Keywords
forecast of wind speed, wind useful energy, wind turbine, wind engineering, airing and aerification, aerodyna-‐
mic tunnel
