ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE MAŁYCH TURBIN WIATROWYCH

(1)

ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE MAŁYCH TURBIN WIATROWYCH

Jakub Bukała

^1a

, Krzysztof Damaziak

^1b

, Marcin Krzeszowiec

^1c

,

Jerzy Małachowski

^1d

1Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Wojskowa Akademia Techniczna

ajbukala@wat.edu.pl, ^bkdamaziak@wat.edu.pl, ^cmkrzeszowiec@wat.edu.pl,

djerzy.malachowski@wat.edu.pl

Streszczenie

W niniejszej pracy przedstawiono przegląd literaturowy wybranych rozwiązań konstrukcyjnych z zakresu tzw.

małych turbin wiatrowych. Duża dynamika rozwoju oraz struktura branży sprawa, iż na rynku dostępnych jest obecnie kilkadziesiąt wariantów wspomnianych urządzeń. Przegląd skupia się na wyszczególnieniu cech charakterystycznych danych konstrukcji oraz porównaniu ich zalet i wad. Praca przygotowana została na podstawie szerokiego studium literaturowego obejmującego zarówno dane producentów, jak i niezależne opinie i ekspertyzy. Po- zwoliło to na obiektywną ocenę różnych rozwiązań technicznych, co z kolei umożliwiło wskazanie ograniczeń, jak i możliwości stojących przed tymi maszynami, które uwzględnione zostaną jako wytyczne w procesie projektowania turbiny wiatrowej małej mocy.

Słowa kluczowe: małe turbiny wiatrowe, rozwiązania, mała energetyka wiatrowa, elektrownie przydomowe

DESIGN APPROACHES TO SMALL WIND TURBINES

Summary

This paper presents an overview of selected design approaches to what we call SWTs - Small Wind Turbines.

The high rate of growth and specific structure of the industry, causes that there are tens of various models of these devices on offer at this time. This overview focuses on pointing out characteristic features of possible design solutions and comparing their advantages and disadvantages. This paper was prepared on the basis of an extensive study of literature, including both manufactures data and independent expertise. It allowed for objective evaluation of different design approaches, which in turn enabled the systematic identification of limitations as well as the opportunities for these machines. Reached conclusions will provide valuable guidelines for the design process of future small wind turbines.

Keywords: small wind turbines, design, small wind energy

1. WSTĘP

Turbiny wiatrowe (ang. wind turbines) to urządze- nia, których zadaniem jest zamiana energii kinetycznej przepływającej masy powietrza (wiatru) w użyteczną pracę mechaniczną (najczęściej ruchu obrotowego wirnika). Historyczne turbiny wiatrowe, zwane wiatrakami (ang. windmill), służyły głównie do mielenia zboża oraz pompowania wody (np. osuszanie polderów na terenie dzisiejszej Holandii tą metodą datowane jest już na XIV - XV w.). Obecnie turbiny wiatrowe wykorzystywane są najczęściej do produkcji energii elektrycznej [1]. Turbiny wiatrowe dużej mocy (najczęściej pracujące w zespołach

nazywanych farmami wiatrowym) stają się w ostatnich latach istotnym źródłem energii z kategorii tzw. źródeł odnawialnych. Podejście tego typu ma na celu redukcję pozyskiwania energii ze spalania paliw kopalnych, co podyktowane jest z kolei uwarunkowaniami ekologicz- nymi [2]. Szczególnie dynamiczny rozwój w tym sektorze obserwowany jest na przestrzeni ostatnich 30 lat, kiedy to turbiny wiatrowe były najszybciej rosnącym źródłem energii elektrycznej na świecie.

(2)

Turbiny wiatrowe małej mocy są zdefiniowane, zgodnie z dokumentem IEC 61400 -2 (International Electrotechnical Commission), jako posiadające mniej niż 200 m² pola powierzchni pracy rotora w odniesieniu do mocy znamionowej nie większej niż ok. 50kW (w innych definicjach występują ograniczenia do 20kW, czy nawet 100kW). Pojęcie to odnosi się głównie do urządzeń mających na celu dostarczanie energii elektrycznej na potrzeby prywatnych domostw (w przeciwieństwie do komercyjnego przeznaczenia dużych turbin wiatrowych, które dostarczają energię do krajowej sieci). Koszt tego typu jednostek wynosi zwykle ok. 4000 € za 1 kW mocy, co przekłada się na szacun- kową cenę energii w granicach 0,2 do 0,3 USD za 1 kWh [1, 3, 4, 5].

Turbiny wiatrowe "bardzo małej mocy" cechują sie wydajnością od 300 W do 1 kW mocy wyjściowej, a ich typowym zastosowaniem jest ładowanie baterii w lokalizacjach pozbawionych dostępu do sieci energe- tycznej. Szacuje się, że mogą dostarczyć do 5% zapotrzebowania gospodarstwa domowego przy koszcie całkowitym ok. 800 USD za jednostkę o mocy ok. 400 W, co oznacza szacunkowy koszt energii w granicach 0,4 - 0,5 USD za 1 kWh.

Porównanie wielkości (wymiarów geometrycznych), teoretycznych zdolności produkcyjnych oraz potencjal- nych oszczędności w emisji dwutlenku węgla dla przy- kładowych turbin wiatrowych - małej mocy i tych użytkowanych w skali przemysłowej przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1 Wymiary, potencjał wytwórczy i oszczędności w emisji dwutlenku węgla dla turbin wiatrowych małej mocy oraz

komercyjnych turbin przemysłowych [6]

Podobnie jak w przypadku dużych turbin wiatrowych, energia elektryczna pozyskiwana z turbin wiatrowych małej mocy przewyższa ceną tę otrzymywaną

tradycyjnymi metodami. Jako powód tego stanu rzeczy wskazuje się m. in. wysoki koszt inwestycji, brak tech- nicznej dojrzałości oferowanych rozwiązań, a także rozdrobniony rynek oferujący bardzo wiele koncepcji technicznych, z których znacząca liczba nie została prawidłowo zaprojektowana i przebadana [7]. Należy zwrócić także uwagę na fakt, iż z uwagi na zmienność warunków wiatrowych elektrownie wiatrowe małej mocy stanowić mogą jedynie dodatkowe źródło energii elektrycznej, pokrywając pewną część zapotrzebowania energetycznego gospodarstwa (zależnie od warunków wiatrowych lokalizacji).

Turbiny wiatrowe małej mocy oferują jednakże obie- cującą alternatywę dla wielu użytkowników nieposiada- jących dostępu do sieci elektrycznej, a dysponujących dobrymi warunkami wiatrowymi. Jest tu mowa zarówno o samodzielnych systemach, jak i układach hybrydowych opartych na ogniwach fotowoltaicznych, małych elek- trowniach wodnych, czy generatorach z silnikami diesla [8]. Takie systemy zyskują coraz większą popularność, również jako potencjalne instrumenty obniżania emisji gazów cieplarnianych [6].

Kolejnym czynnikiem stymulującym rozwój turbin wiatrowych małej mocy są regulacje prawne mające na celu promowanie odnawialnych źródeł energii. Unia Europejska ustanowiła swoje cele związane z takimi metodami wytwarzania energii w tzw. pakiecie klima- tyczno-energetycznym (3x20%), czyli ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 20%, zwiększenie udziału źródeł odnawialnych w produkcji energii do 20% i zwiększenie efektywności wykorzystania energii o 20%, a wszystko to do roku 2020. Rząd holenderski, czy władze Rotterdamu ustaliły swe cele jeszcze ambitniej, ogłaszając redukcję w tym samym czasie emisji gazów cieplarnianych o odpo- wiednio 30% i 50% [9].

Liczba turbin wiatrowych małej mocy będących obecnie w użyciu na całym świecie szacuje się na ok. 730 000 urządzeń (w tym niemal pół miliona w Chinach!).

Operuje dziś ok. 330 firm w 26 państwach, które zajmu- ją się ich wytwarzaniem. Więcej niż połowa z nich znajduję się w Chinach, USA, ale również Niemcy, Wielka Brytania, Kanada i Holandia zajmują wysokie miejsca w tej kategorii. Globalny rynek technologii związanych z turbinami wiatrowymi małej mocy wg obecnych prognoz ma utrzymać swoje wysokie tempo wzrostu w latach 2015 – 2020, osiągając skumulowaną zdolność wytwórczą rzędu 5000 MW w roku 2020 [10].

Opisana sytuacja powoduje, że w ostatnim czasie wielu inżynierów i naukowców podjęło starania mające na celu uczynienie energii elektrycznej produkowanej przez małe turbiny bardziej konkurencyjną w stosunku do innych źródeł. By stało się to możliwe należy dopro- wadzić do zwiększenia wydajności i sprawności, zredu- kować koszty, zapewnić rozsądną żywotność

(3)

i niezawodność, a także ułatwić i ujednolicić procedury obsługowe i serwisowe [11].

Turbiny wiatrowe dzielą się ze względu na ich kon- strukcję na dwie zasadnicze grupy [3].

2. TURBINY WIATROWE O POZIOMEJ OSI OBROTU (HAWT)

Obecnie turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu (ang. horizontal axis wind turbines - HAWT) są typem najczęściej spotykanym z uwagi na ich wysoką wydaj- ność w warunkach silnych wiatrów (wysoki wyróżnik szybkobieżności, wysoka sprawność, małe wahania momentu obrotowego), wysoką niezawodność, łatwość serwisu i niski koszt. Przykład urządzenia takiego typu przedstawiono na rys. 2. Turbiny tego typu stanowią obecnie ok. 99% użytkowanych turbin wiatrowych (jednakże w przypadku turbin wiatrowych małej mocy odsetek ten wynosi ok. 75%) i mogą być podzielone na następujące grupy [3]:

2.1 TURBINY NAWIETRZNE (UPWIND)

W wariancie nawietrznym (ang. upwind) wirnik turbiny znajduje się z przodu jednostki (rys. 2.), a całość charakteryzuje się wysoką sprawnością ze względu na ograniczoną interferencję powietrza i wieży podpierają- cej. Turbiny tego typu nie nakierowują się na wiatr i w związku z tym potrzebują układów sterowania (jak proste ogony z łopatami, czy bardziej zaawansowane systemy automatyczne). Jest to najbardziej popularny wariant dla turbin wiatrowych małej mocy.

2.2 TURBINY ZAWIETRZNE (DOWNWIND)

W tych aplikacjach wirnik znajduje się z tyłu jednostki, co skutkuje szeregiem korzyści, np. łopaty wirnika mogą być do pewnego stopnia giętkie (z uwagi na brak możliwości kolizji z wieżą), a turbina samo- nakierowuje się na wiatr. Niestety, okupione jest to niższą sprawnością w porównaniu do turbin nawietrz- nych.

2.3 TURBINY TRÓJŁOPATOWE

Zdecydowana większość zainstalowanych turbin o poziomej osi obrotu to turbiny trójłopatowe (rys. 2.).

Oferują one bardzo dobrą równowagę sił aerodynamicznych, wysoką stabilność pracy z uwagi na zrównoważe- nie sił żyroskopowych i jednolity moment obrotowy (3 to najmniejsza liczba łopatek przy której wirnik posiada pod kątem dynamiki charakterystykę zbliżoną do dys- ku). Wszystko to ma wpływ na bardzo wysoką nieza- wodność tego typu turbin wiatrowych [3]. Powszechnie przyjmuje się również, że ze względów estetycznych

wirnik trójłopatowy wydaje się być bardziej naturalny, obracając się bardziej spokojnie, aniżeli "nerwowy dla oka" wirnik dwułopatowy [1].

Rys. 2 Evance R9000 5kW turbina wiatrowa małej mocy z trójłopatowym wirnikiem [12]

2.4 TURBINY DWUŁOPATOWE I JEDNOŁOPATOWE

Z PRZECIWWAGĄ

Do największych zalet tych rozwiązań zaliczyć należy niską masę wirnika, która z kolei przekłada się na stosunkowo niski koszt jego wykonania, a także innych elementów turbiny, np. elementu wsporczego. Niestety z uwagi na wysoki wyróżnik szybkobieżności i wysoką prędkość obrotową turbiny tego typu mogą być znacząco głośniejsze. Urządzenia te wykazują zadowalające sprawności i niezawodność przy stosunkowo wysokich prędkościach wiatru. Przykład urządzenia takiego typu przedstawiono na rys. 3.

(4)

Rys. 3 Turbina wiatrowa Monopteros 50 firmy MBB z jednołopatowym wirnikiem [13]

2.5 TURBINY WIELOŁOPATOWE

Sprawność aerodynamiczna rośnie wraz z liczbą ło- pat wirnika, ale nie jest to zależność liniowa. Każda następna łopata wirnika zwiększa sprawność o coraz mniejszą wartość (zwiększenie liczby łopat z jednej do dwóch pozwala uzyskać dodatkowo ok. 6% sprawności, kiedy zwiększenie liczby łopat z dwóch do trzech pozwala zwiększyć sprawność jedynie o 3%). Dodatkowo wraz z wzrostem liczby łopat rośnie startowy moment obrotowy turbiny [12]. Dostarczanie dużego momentu obrotowego przy relatywnie niskiej prędkości wiatru jest domeną turbin wielołopatowych, niestety przy zastoso- waniu klasycznego układu generatora prądowego bez przełożenia mechanicznego dużo bardziej pożądane jest uzyskanie wysokiej prędkości obrotowej przy odpowied- nio niższym momencie obrotowym [1].

2.6 TURBINY Z OSŁONIĘTYM WIRNIKIEM

Turbiny z wirnikami osłoniętymi (ang. ducted rotor, duct augmented wind turbine, shrouded rotor, wind lens) są przedmiotem badań od dziesięcioleci, ale wciąż traktowane są jako rozwiązanie nowatorskie. Badania wykazują, że tego typu urządzenia mogą pracować w szerszym zakresie prędkości wiatru i wytwarzać więk- szą moc w przeliczeniu na pole powierzchni pracy wirnika niż standardowe turbiny. Z drugiej zaś strony ich

konstrukcja jest bardziej skomplikowana, a sam kołnierz bywa stosunkowo ciężki, co skutkuje dodatkowym obciążeniem elementu wsporczego. Jako główne mecha- nizmy, które mają być odpowiedzialne za zwiększenie sprawności tego typu turbin, wskazuje się zwiększenie przepływu powietrza przez turbinę (masy powietrza na jednostkę czasu), a także pewne bardziej skomplikowane zjawiska natury aerodynamicznej, związane m. in. z powstawaniem wirów [11]. Autorzy prac na temat turbin z wirnikami osłoniętymi optują za ich komercyjnym zastosowaniem z uwagi na: mniejszą wrażliwość na turbulencje, bardziej spójną konstrukcję, lepszą wytrzy- małość zmęczeniową konstrukcji, większy moment rejestrowany przy niskich prędkościach wiatru, mniejsze wahania obciążeń działających na łopatki turbiny, cichszą pracę układu, czy wyższą dopuszczalną prędkość obrotową [9]. Przeciwnicy tego typu turbin zarzucają im m. in. fakt, iż osiągi rejestrowane dla nich w tunelach aerodynamicznych są niemożliwe do odtworzenia w warunkach rzeczywistych z uwagi na częstą zmianę kierunku i prędkości wiatru. Przykład urządzenia takiego typu przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4 3kW turbina o poziomej osi obrotu z osłoniętym wirnikiem [9]

2.7 TURBINY W UKŁADZIE VENTURIEGO

Koncepcja turbiny Venturiego zakłada, iż łopaty wirnika utwierdzone są w piaście w obu swych końcach i w trakcie obrotu wirnika utworzona zostaje sferyczna powierzchnia (rys. 5.). Dzięki temu turbina Venturiego tworzy lokalną strefę niskiego ciśnienia w środku wspo- mnianej sfery, która modyfikuje przepływ powietrza i pozwala efektywniej wykorzystać energię kinetyczną wiatru, co z kolei przekłada się na wyższą sprawność aerodynamiczną w porównaniu z konwencjonalnymi

(5)

turbinami. Twórcy stwierdzają również, że turbina Venturiego może generować elektryczność już przy bardzo niskich prędkościach wiatru [14]. Nie znaleziono danych z niezależnych prób i opracowań, które potwier- dzałyby zapewnienia twórców o wyższości turbiny Venturiego nad klasycznymi rozwiązaniami.

Rys. 5 Turbina wiatrowa Energy Ball V100 firmy Home Energy International w układzie Venturiego [15]

2.8 TURBINY WYKORZYSTUJĄCE EFEKT MAGNUSA

Efekt Magnusa jest powszechnie obserwowany w przyrodzie, kiedy obracająca się sfera (lub cylinder) poddawana jest oddziaływaniu siły prostopadłej do kierunku jej ruchu względem ośrodka (cieczy lub gazu).

Wykorzystanie tego zjawiska pozwala wykorzystać szereg zalet w stosunku do klasycznych turbin wiatrowych. Najwięcej z nich obserwuje się w zakresie niskich, acz stałych prędkości wiatru w zakresie 2 - 6 m/s, kiedy to łopatki klastycznych turbin są dużo mniej efektywne.

Dla dużych turbin zakres roboczych prędkości wiatru wynosił 2 - 40 m/s (przy ok. 5 - 25 m/s dla klasycznych turbin), a produkcja energii elektrycznej w identycznych warunkach była średnio dwukrotnie większa [16]. Istnie- ją turbiny wykorzystujące efekt Magnusa zarówno o pionowej jak i poziomej osi obrotu (rys. 6.).

Rys. 6 Turbina wykorzystująca efekt Magnusa Acowind A63 w Pagórkach koło Elbląga [17]

2.9 TURBINY WIELOWIRNIKOWE I TURBINY O PRZECIWNYCH KIERUNKACH OBROTU

Obracające się łopatki pojedynczego wirnika turbiny powodują zakłócenia przepływu wiatru, generując m.in.

styczną składową przepływu, która traktowana jest zwykle jako straty. Dwa wirniki, lub większa ich liczba, mogą zostać osadzone na tym samym wale, napędzając wspólny generator, często z zachowaniem przeciwnego kierunku ruchu obrotowego (rys. 7.). Wiatr oddziałuje na każdy wirnik dzięki zachowaniu odpowiedniego dystansu pomiędzy nimi i odpowiedniego kąta odsunię- cia (alfa), umożliwiając wykorzystanie wspomnianych zakłóceń (składowa styczna). Inne zalety rozwiązania to:

wyeliminowanie konieczności zastosowania przełożenia mechanicznego i zdolność do samonakierowania się turbiny. Według testów przeprowadzonych dla Kalifor- nijskiej Komisji Energetyki w 2004 roku moc takiego urządzenia może być wielokrotnie wyższa w stosunku do klasycznych rozwiązań [18].

(6)

Rys. 7 Dwuwirnikowa turbina wiatrowa o przeciwnym kierunku obrotu American Twin Superturbine [19]

2.10 TURBINY TYPU BTPS

W projekcie systemu generowania energii na koń- cówkach łopat (ang. blade tip power system - BTPS), łopaty wykonane są z nylonu i napędzają synchroniczny generator wykorzystujący magnesy stałe znajdujące się na końcach łopatek. Stator umieszczony jest na ze- wnętrznym obwodzie turbiny. Koncept zastosowano komercyjnie w turbinie WT6500 firmy Honeywell / WindTronics^® (rys. 8.). Producent twierdzi, iż jego konstrukcja eliminuje opory mechaniczne i aerodynamiczne, cechując się większą sprawnością, a także zmniejszając hałas i wibracje. Turbina ma cechować się także mniejszą masą (brak przełożenia mechanicznego), lepszą rekcją na zmieniające się warun- ki wiatrowe. Dodatkowo producent podaje, że turbina osiąga zakładane parametry pracy przy średniej prędko- ści wiatru 5,4 m/s [20].

Rys. 8 Turbina BTPS Honeywell firmy WindTronics [20]

3. TURBINY WIATROWE O PIONOWEJ OSI OBROTU (VAWT)

Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu są w swej pierwotnej formie maszynami bardzo prostymi o nieskomplikowanej konstrukcji i zasadzie działania.

Poza wspomnianą prostotą posiadają zaletę w postaci solidności konstrukcji i w pewnych swych wariantach dysponują również wysokim startowym momentem obrotowym, nawet przy względnie niskich prędkościach wiatru. Generalnie uznaje się także, że turbiny tego typu nie muszą być nakierowywane na wiatr (co stanowi przewagę w lokalizacjach, gdzie kierunek wiatru cechuje się dużą zmiennością), a także, że generator i skrzynia przełożenia mechanicznego mogą być umieszczone bliżej ziemi, redukując masę obciążającą wieżę oraz ułatwiając czynności obsługowe. Z drugiej zaś strony turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu posiadają generalnie niższe sprawności niż turbiny o poziomej osi obrotu, a także niższą trwałość zmęczeniową z uwagi na większą nierównomierność momentu obrotowego oraz dodatkowe obciążenia działające na wieżę i wirnik (co może zostać zminimalizowane poprzez zastosowanie bardziej zaawan- sowanej geometrii łopat) [3]. Uważa się też, iż wertykal- ne turbiny małej mocy są bardziej przystosowane do pracy w rejonach zurbanizowanych ze względu na mniej- szą emisję hałasu i większe bezpieczeństwo z uwagi na stosunkowo niską prędkość obrotową, oraz wspomnianą zdolność do wykorzystania wiatru z różnych kierunków przy niższej jego prędkości niż turbiny o poziomej osi obrotu [14]. Przykład urządzenia takiego typu przedstawiono na rys. 9.

Rys. 9 Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu w tzw. układzie świderkowym [21]

3.1 TURBINY W UKŁADZIE SAVONIUSA

Są to najprostsze modele turbin wertykalnych i skła- dają się zasadniczo z dwóch lub czterech płatów umiesz- czonych na pionowej osi (rys. 10.). Łopaty nie posiadają profili aerodynamicznych, a jedynie zakrzywiane są

(7)

półsferycznie. Turbina Savoniusa nazywana jest także turbiną oporu aerodynamicznego (ang. drag turbine).

Podstawowe cechy turbin Savoniusa to: bardzo mały wskaźnik szybkobieżności, małe wartości sprawności aerodynamicznej, zasadność użycia przy niskich prędko- ściach wiatru, konieczność kontrolowania prędkości obrotowej by zachować akceptowalną sprawność, ko- nieczność zapewnienia solidności konstrukcji pod kątem sprostania ekstremalnym podmuchom wiatru (duża powierzchnia łopat), możliwość zastosowania jedynie do małych urządzeń, mała emisja hałasu [3]. Nowoczesne turbiny bazujące na projekcie Savoniusa posiadają m. in.

kanelowane łopatki i wiele innych udoskonaleń, co pozwala im na uzyskanie wyższych sprawności i mniej- szych wibracji w porównaniu do wczesnych aplikacji.

Jednym z przykładów takich udoskonaleń jest m.in.

zastosowanie odpowiedniego skręcenia płatów celem poprawy sprawności aerodynamicznej, redukcji drgań i obciążeń dynamicznych. Rozwiązanie tego typu przyję- ło się nazywać turbiną świderkową [14].

Rys. 10 Klasyczna wiatrowa turbina wertykalna w układzie Savoniusa [22]

3.2 TURBINY W UKŁADZIE DARRIEUSA

Turbiny w układzie Darrieusa są turbinami siły no- śnej (ang. lift-type turbine) z uwagi na wykorzystanie właściwości profilu aerodynamicznego. Turbiny wyko- rzystujące profile aerodynamiczne oferują wyższe spraw- ności niż turbiny oporu. Z drugiej zaś strony turbiny Darrieusa nie startują samoczynnie z uwagi na zerową wartość momentu przy nieruchomym wirniku [3]. Głów- na charakterystyka turbin Darrieusa: wysoki wskaźnik szybkobieżności, większa sprawność od turbin Savoniusa, ale wciąż mniejsza niż turbin o poziomej osi obrotu, głównie z uwagi na to, że znacząca część łopaty wiruje blisko osi obrotu z niską prędkością względną, adapto- walność do zmiennych warunków wiatrowych, wysoka sprawność przy wiatrach z istotną składową wertykalną prędkości, niska emisja hałasu i wibracji. W związku z powyższym, turbiny w układzie Darrieusa teoretycz- nie powinny ukazać swoją przewagę np. przy montażu ich na dachach budynków [3]. Przykład urządzenia

takiego typu przedstawiono na rys. 11. Jedną z odmian turbin o pionowej osi obrotu w układzie Darrieusa są tzw. turbiny typu H (ang. Giromill, H-bar design), w których długie, łukowe łopatki zastąpione zostają krót- szymi, pionowymi łopatkami zamocowanymi do central- nej części turbiny za pomocą poziomych elementów łączących [18].

Rys. 11 Turbina wiatrowa w układzie Darrieusa [3]

3.3 TURBINY HYBRYDOWE (SAVONIUS - DARRIEUS) I INNE

Turbina w układzie Savoniusa jest samostartująca i dysponuje dużym momentem obrotowym przy niskiej prędkości wirnika. Może zostać zatem z powodzeniem użyta do startu większej turbiny Darrieusa, która z kolei dysponuje większą sprawnością. Układ ten udowodnił swoją efektywność, łącząc zalety obu rozwiązań przy jednoczesnym dążeniu do wyeliminowania ich wad.

Przykładem nietypowego rozwiązania konstrukcyjne- go powstałego na rodzimym gruncie jest poprzeczna dwustopniowa turbina przepływowa (tzw. turbina Pawlaka) zgłoszona w Urzędzie Patentowym w 1985 roku (P 251710). Zastosowano tu układ dwóch współo- siowych wirników o pionowej osi obrotu i różnych śred- nicach, które współpracują ze sobą tak, że powietrze napływające całym zewnętrznym przekrojem turbiny musi przepłynąć przez środek wirnika (przez przekrój około połowę mniejszy). Różnica ciśnień na wlocie i za turbiną powoduje przyspieszenie przepływającego środ- kiem powietrza, co korzystnie zwiększa obroty wirnika.

(8)

Jako teoretyczne zalety tego rozwiązania wskazuje się m.in. wysoką sprawność. Koncept ten nie został należy- cie opisany, czy zbadany, jednak obiekcje budzi w tym wypadku masa i poziom skomplikowania, a co za tym idzie, koszt całej konstrukcji w porównaniu do jej zdol- ności wytwórczych (wciąż relatywnie małe pole powierzchni wirnika) [23].

4. PORÓWNANIE WARIANTÓW

Na wykresie sprawności aerodynamicznej wirnika turbiny w funkcji jego szybkobieżności przedstawiono krzywe wybranych wariantów turbin wiatrowych małej mocy (dane literaturowe) (rys. 12.). Dodatkowo nałożo- no oznaczone punktami przykładowe urządzenia dostęp- ne obecnie w sprzedaży (wg danych dostarczonych przez producentów). Dla porównania przedstawiono także krzywą obrazującą tzw. limit Betza, czyli maksymalną, teoretyczną sprawność aerodynamiczną turbiny wiatrowej w określonych warunkach pracy.

Rys. 12 Zestawienie zbiorcze wariantów turbin wiatrowych małej mocy wraz z przykładami urządzeń (o pionowej osi obrotu: zielone romby, o poziomej osi obrotu: pomarańczowe

koła i turbiny osłoniętej: niebieski trójkąt) [24]

Przedstawione krzywe ilustrują charakterystyki po- szczególnych wariantów turbin, co służy lepszemu zrozumieniu i uzupełnieniu informacji zamieszczonych w tekście. Zaobserwować można stosunkowo duży rozrzut wyników dotyczących przykładowych urządzeń. Prowa- dzi do wniosku, iż poszczególne konstrukcje, nawet w ramach tej samej grupy urządzeń, cechują się bardzo dużą różnorodnością. Co więcej, z pewnym dystansem traktować należy dane producentów, którzy, ze wzglę- dów marketingowych, bardzo często przedstawiają dane najbardziej korzystne, czy zwyczajnie nierealne (przy- kład: jedna turbina o pionowej osi obrotu, której spraw- ność znacznie przekracza określone granice).

Generalnie turbiny o pionowej osi obrotu cechują się niską szybkobieżnością i niższą sprawnością. Pewnym wyjątkiem jest tu jedna turbina o współczynniku szyb- kobieżności ok 5. Jest to turbina zrealizowana w układzie Darrieusa. Wszystkie turbiny o poziomej osi obrotu zawarte w porównaniu to klasyczne konstrukcje dwu- i trójłopatowe. Tego rodzaju turbiny są zdecydowanie bardziej szybkobieżne oraz ich sprawność osiąga wyższe wartości w porównaniu do turbin VAWT. Zaob- serwować można także, iż turbina o osłoniętym wirniku osiągnęła sprawność przekraczającą tzw, limit Betza.

Wynika to z faktu, że sprawność wyliczana jest w odniesieniu do pola powierzchni wirnika turbiny, a nie pola powierzchni roboczej, która w przypadku turbin DAWT jest znacząco większa.

5. PODSUMOWANIE

Niniejszy przegląd ma charakter poglądowy i skupia się na wyszczególnieniu cech charakterystycznych danych konstrukcji małych turbin wiatrowych oraz porów- naniu ich zalet i wad. Praca przygotowana została na podstawie szerokiego studium literaturowego obejmują- cego zarówno dane producentów, jak i niezależne opinie i ekspertyzy. Pozwoliło to na obiektywną ocenę różnych rozwiązań technicznych, co z kolei umożliwiło wskazanie rzeczywistych ograniczeń, jak i możliwości stojących przed tymi maszynami.

Powyższe informacje, jak również wyniki analizy wa- runków atmosferycznych (wiatrowych) obszaru Polski, zaimplementowane zostaną jako wytyczne w procesie projektowania ekonomicznie racjonalnej turbiny wiatrowej małej mocy przystosowanej do warunków wiatrowych typowych dla obszaru naszego kraju. Wspomniana turbina cechować powinna się możliwą prostotą konstrukcji, małą masą i wysoką niezawodnością, natomiast w zdecydowanie mniejszym stopniu korzystać z niety- powych układów i mechanizmów mających na celu poprawę wybranych aspektów pracy turbiny wiatrowej.

Znacząco niższy koszt produkcji i montażu oraz dalszego użytkowania turbiny wiatrowej małej mocy powinien korzystnie wpłynąć na ekonomiczną stopę zwrotu tego typu inwestycji. Pociągnie to za sobą polepszenie sytu- acji na rynku tych urządzeń (większa przejrzystość i uczciwa konkurencja) oraz uczyni ich publiczny odbiór bardziej korzystnym, co dodatkowo wpłynąć powinno na ich spopularyzowanie, a tym samym na realny postęp w dziedzinie rozwoju odnawialnych źródeł energii elektrycznej w naszym kraju.

(9)

Praca stanowi część realizowanego przez autorów projektu Pol-Nor/200957/47/2013. Projekt finansowany ze środków funduszy norweskich, w ramach programu Polsko - Norweska Współpraca Badawcza realizowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

Literatura

1. Gasch R., Twele J.: Wind power plants - fundamentals, design, construction and operation. Second edition.

Heidelberg, Dordrecht, London, New York: Springer, 2012.

2. Burton T., Jenkins N., Sharpe D., Bossanyi E.: Wind energy handbook. Second edition. John Wiley & Sons, 2011.

3. ABB SACE - ABB S.p.A. L.V. Breakers: Wind power plants. Technical Application Papers, 2011, No 13.

4. National Renewable Energy Laboratory (NREL): Wind Turbine Generator Systems-Part 11: acoustic noise measurement techniques; IEC 61400-11. International Electrotechnical Commission, Geneva, Switzerland, 2002.

5. Bortolini M., Gamberi M., Graziani A., Manzini R., Pilati F., Performance and viability analysis of small wind turbines in the European Union. “Renewable Energy” 2014, 62, p. 629-639.

6. The Carbon Trust: small-scale wind energy - policy insights and practical guidance. United Kingdom, 2008.

7. Kuhn P.: Big experience with small wind turbines – 235 small wind turbines and 15 years of operational results.

Institut für Solare Energieversorgungstechnik e.V. (ISET). Kassel, Germany, 2007.

8. Probst O., Martinez J., Elizondo J., Montoy O.: Small wind turbine technology. Wind Turbines Edited by Dr Ibrahim Al-Bahadly, 2011, p. 107-136.

9. Van Dorst FA.: An improved rotor design for a diffuser augmented wind turbine - improvement of the Donqi Urban Windmill [Thesis]. Wind Energy Research Group - Faculty of Aerospace Engineering – Delft University of Technology, 2011.

10. The World Wind Energy Association, 2013, Small Wind World Report Update, [Internet cited 2014 Oct 18], available from: http://www.wwindea.org/)

11. Phillips D.G.: An investigation on diffuser augmented wind turbine design [Thesis]. Department of Mechanical Engineering The University of Auckland, 2003.

12. Wind turbine design [Internet]. Wikipedia® [cited 2013 Oct 18]. Available from:

http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design).

13. Photos of one-bladed wind turbines [Internet]. Gipe Paul [cited 2013 Oct 18]. Available from: http://www.wind- works.org/cms/index.php?id=543.

14. Hosman N.: Performance analysis and improvement of a small locally produced wind turbine for developing countries [Thesis]. Delft University of Technology, 2012.

15. Energy Ball V100 small wind turbine [Internet]. Home Energy International [cited 2013 Oct 18]. Available from:

http://www.allsmallwindturbines.com/turbine_detail.php?turbine_id=36& owner=24).

16. Wind turbine with Magnus effect [Internet]. Kozlov VV, Bychkov NM [cited 2013 Oct 18]. Available from:

http://www.itam.nsc.ru/en/section/292/).

17. Siłownia wiatrowa ACOWIND A-63 [Internet]. Margański E i Wspólnicy Zakłady Lotnicze [cited 2013 Oct 18].

Available from: http://www.marganski.com.pl/eng/html/A-POL/elektrownie/wirnik/ wirnik_opis.htm).

18. Unconventional wind turbines [Internet]. Wikipedia® [cited 2013 Oct 18]. Available from:

http://en.wikipedia.org/wiki/Unconventional_wind_turbines).

19. Optimization of a counter rotating wind turbine [Internet], The Georgia Institute of Technology, [cited 2013 Oct 18]. Available from: http://www.srl.gatech.edu/education/ME6105/Projects/Fa11/folder.2011-09- 22.5693359149/).

20. Honeywell. 2010. WT6500 Wind Turbine - Blade Tip Power System, WindTronicsTM Inc.

21. Barn homes & beyond [Internet]. [cited 2013 Oct 18]. Available from:

http://www.barnhomesandbeyond.com/wind-power-for-the-post-and-beam-home/).

22. Windenergie kostengünstig und vielseitig nutzen [Internet]. Pcon Windkraft [cited 2013 Oct 18]. Available from:

http://www.pcon-wind.de/index.htm).

23. Poprzeczna dwustopniowa turbina przepływowa (Zdzisław Pawlak) zgłoszona w Urzędzie Patentowym w 1985 roku – P 251710 [Internet] [cited 2014 Nov 28]. Available from: www.patenty.republika.pl/turbina/turbina.doc).

24. Jagodziński W.: Silniki wiatrowe. Warszaw: PWT, 1959.