Dzisiaj jest: 30.7.2021, imieniny: Julity, Ludmiły, Zdobysława

Moc turbiny wiatrowej - jak obliczyć?

Dodano: 5 lat temu Czytane: 21815 Autor:
Redakcja poleca!

Turbina wiatrowa popularnie zwana ,,wiatrakiem” służy do zamiany energii kinetycznej wiatru na energię elektryczną.

Moc turbiny wiatrowej - jak obliczyć?
Składa się z fundamentu, wieży i gondoli z wirnikiem, który najczęściej jest wyposażony w trzy łopaty (łopaty za pomocą serwomechanizmu mogą ustawiać się pod odpowiednim kątem do opływającego je wiatru), a jego średnia prędkość obrotowa w warunkach pracy wynosi 15 – 20 obr/min. W gondoli znajdują się wszystkie mechanizmy elektrowni, takie jak wał wolno i szybko-obrotowy, przekładnie, hamulce, generator, transformator, układy smarowania, łożyska. Dodatkowo gondola może obracać się o 360 stopni, co umożliwia samoczynne jej nastawienie zawsze prostopadle w kierunku wiatru.


Wiejący wiatr trafia na łopaty turbiny wprawiając je w ruch, (w tym momencie energia kinetyczna wiatru zmienia się na energię mechaniczną łopat), wirnik jest połączony z wałem wolnoobrotowym, który podczas ruchu łopat obraca się. Wał wolnoobrotowy połączony jest z przekładnią, a dalej z wałem szybkoobrotowym i generatorem.

Moc turbiny wiatrowej jest mocą uzyskiwaną na zaciskach generatora i oddawaną do sieci elektroenergetycznej. Moc określona jest wzorem:
                           
P = 0,5*ρ*A*v3* ηm* ηel* Cp
i zależy od następujących wielkości:
  • ρ gęstości powietrza – wielkości założonej dla danych warunków atmosferycznych: temperatury i wysokości (w tym przykładzie: ρ = 1,22[kg/m3]),
  • prędkości wiatru: v [m/s],
  • przekroju poprzecznego strumienia wiatru A [m2], obliczonego za pomocą wzoru: A = (π*D2)/4, gdzie D – jest średnicą okręgu omiatanego przez łopaty, czyli długością dwóch łopat,
  • sprawności generatora, przetworników, transformatorów ηel = ok.85%,
  • sprawności mechanicznej przekładni, wirnika i urządzeń pomocniczych
  • współczynnika wykorzystania energii wiatru Cp [-],
Teoretycznie maksymalny współczynnik wykorzystania wiatru Cp wynosi 0,593, a podstawą tego założenia jest prawo Betza (mówi o tym że Cp = 0,593 jeśli stosunek prędkości wiatru przed wirnikiem v1 do prędkości wiatru za kołem wirnikowym v2 wynosi 1/3, czyli kiedy wirnik spowolni wiatr do 1/3 jego początkowej wartości). W praktyce jednak wartość współczynnika wykorzystania wiatru wynosi 20 – 40%.
 
Moc turbiny wiatrowej

Turbina wiatrowa może pracować tylko w pewnym przedziale prędkości wiatru, od 4 – 25 m/s. Uruchamianie turbiny przy prędkości wiatru mniejszej niż 4 m/s jest nieopłacalne, a przy prędkości wiatru wyższej niż 25 m/s z powodów bezpieczeństwa turbina jest automatycznie zatrzymywana, poprzez hydrauliczny hamulec bezpieczeństwa. Elektrownie wiatrowe osiągają moc znamionową przy prędkościach wiatru wahających się od 12 do 16 m/s, co dla polskich warunków oznacza dość silny wiatr. Aby oddać moc do sieci elektroenergetycznej elektrownia wiatrowa musi pracować w określonych warunkach, przede wszystkim przy ciągłym przepływie wiatru, dlatego najlepszym terenem pod farmę wiatrową jest duża otwarta przestrzeń. Zabudowania, czy wysoki las w pobliżu turbin wiatrowych powodują kołowanie wiatru, a to z kolei znacznie obniża sprawność turbiny.
 

Przykład obliczeniowy:

Dane:
Gęstość powietrza: ρ = 1,22kg/m3, średnia roczna prędkość wiatru w Polsce v = 7 m/s, ηel = 85%, ηm = 95%, Cp = 0,593, długość łopaty = 20m
 
  1. Obliczam przekrój poprzecznego strumienia wiatru:
A = (π*D2)/4 = (3,14*(2*20)2)/4 = 1256m2
 
  1. Mając dane A, można obliczyć moc turbiny wiatrowej P:
P = 0,5*ρ*A*v3* ηm* ηel*Cp = 0,5*1,22*1256*73*0,95*0,85*0,593 = 125837 W = 125,837 kW
Źródło: zdjęć opracowanie własne, flickr.com
Polecane
Polub nas na Facebook-u i bądź na bieżąco z informacjami ze świata OZE! (kliknij)