Badanie wpływu wybranych parametrów turbiny wiatrowej małej mocy z dyfuzorem na jej efektywność

• Autorzy: Skorupa K. K. , Grzejda R.

Identyfikatory

DOI

10.24425/123730

Warianty tytułu

EN

Study of the influence of selected parameters of a small wind turbine with a diffuser on its efficiency

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Za pomocą małych turbin wiatrowych można tworzyć rozproszone źródła energii elektrycznej użyteczne na obszarach o dobrych warunkach wietrznych. Niekiedy jednak możliwe jest wykorzystanie małych turbin wiatrowych również na terenach charakteryzujących się mniejszą średnią prędkością wiatru w ciągu roku. Na etapie projektowania małej turbiny wiatrowej można wykorzystywać różnego rodzaju rozwiązania techniczne zwiększające prędkość strugi wiatru, jak też w sposób optymalny ją ukierunkowujące. Do metod pozwalających na zwiększenie efektywności przetwarzania energii wiatru na energię elektryczną w przypadku turbiny wiatrowej należą zastosowanie dyfuzora osłaniającego wirnik turbiny oraz optymalizacja kształtu łopatek montowanych na wirniku turbiny. W pracy zbadano wpływ geometrii dyfuzora oraz łopatek wirnika na efektywność przykładowej turbiny wiatrowej przeznaczonej do eksploatacji na terenie województwa zachodniopomorskiego. Analizy wykonano dla trzech typów dyfuzora oraz dla trzech typów łopatek wirnika. Na ich podstawie dokonano wyboru najbardziej optymalnego kształtu dyfuzora oraz łopatek ze względu na efektywność turbiny wiatrowej. Dla turbiny z zaprojektowanym dyfuzorem wykonano obliczenia mocy wyjściowej dla przyjętych różnych wartości średniej rocznej prędkości wiatru oraz stałego współczynnika mocy Betza i założonej sprawności generatora. We wszystkich analizowanych przypadkach oszacowano też ilość energii możliwej do wygenerowania przez turbinę w ciągu roku. Na podstawie tych obliczeń wysunięto ważne wnioski o znaczeniu praktycznym. W końcowej części pracy przedstawiono model 3D turbiny wiatrowej z wybranymi na podstawie wcześniejszych analiz dyfuzorem i łopatkami wirnika. Jako materiału na dyfuzor i łopatki wirnika użyto włókna szklanego typu A. Za pomocą obliczeń z wykorzystaniem metody elementów skończonych wyznaczono graniczne przemieszczenia konstrukcji turbiny pod wpływem wiatru huraganowego. Na podstawie tych obliczeń wykazano poprawność konstrukcji zamodelowanej małej turbiny wiatrowej.

EN

By means of small wind turbines, it is possible to create distributed sources of electricity useful in areas with good wind conditions. Sometimes, however, it is possible to use small wind turbines also in areas characterized by lower average wind speeds during the year. At the small wind turbine design stage, various types of technical solutions to increase the speed of the wind stream, as well as to optimally orientate it, can be applied. The methods for increasing the efficiency of wind energy conversion into electricity in the case of a wind turbine include: the use of a diffuser shielding the turbine rotor and the optimization of blades mounted on the turbine rotor. In the paper, the influence of the diffuser and rotor blades geometry on the efficiency of an exemplary wind turbine for exploitation in the West Pomeranian Province is investigated. The analyses are performed for three types of the diffuser and for three types of rotor blades. Based on them, the most optimal shapes of the diffuser and blades are selected due to the efficiency of the wind turbine. For the turbine with the designed diffuser, calculations of the output power for the assumed different values of the average annual wind speed and the constant Betz power factor and the specified generator efficiency are made. In all the analyzed cases, the amount of energy that can be generated by the turbine during the year is also estimated. Important practical conclusions are formulated on the basis of these calculations. In the final part of the paper, a 3D model of the wind turbine with the diffuser and rotor blades chosen based on earlier analyses is presented. As a material for the diffuser and rotor blades, glass fiber type A is applied. By means of calculations using the finite element method, the limit displacement of the turbine structure under the influence of a hurricane wind are determined. Based on these calculations, the correctness of the modelled small wind turbine structure has been demonstrated.

Słowa kluczowe

PL

energetyka wiatrowa; mała turbina wiatrowa; moc turbiny; dyfuzor

EN

wind energy; small wind turbine; turbine power; diffuser

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN
• Rocznik: 2018
• Tom: nr 107
• Strony: 81--93
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Skorupa K. K.

• Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

autor

Grzejda R.

• Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Bibliografia

• [1] Al-Sulaiman, F.A. i Yilbas, B.S. 2015. Thermoeconomic analysis of shrouded wind turbines. Energy Conversion and Management t. 96, s. 599–604.
• [2] Asl i in. 2017 – Asl, H.A., Monfared, R.K. i Rad M. 2017. Experimental investigation of blade number and design effects for a ducted wind turbine. Renewable Energy t. 105, s. 334–343.
• [3] Bontempo, R. i Manna, M. 2014. Performance analysis of open and ducted wind turbines. Applied Energy t. 136, s. 405–416.
• [4] Bontempo, R. i Manna, M. 2016. Effects of the duct thrust on the performance of ducted wind turbines. Energy t. 99, s. 274–287.
• [5] Bukała i in. 2014 – Bukała, J., Damaziak, K., Krzeszowiec, M. i Małachowski, J. 2014. Rozwiązania konstrukcyjne małych turbin wiatrowych. Modelowanie Inżynierskie t. 22, z. 53, s. 21–29.
• [6] Bukała i in. 2015 – Bukała, J., Damaziak, K., Kroszczyński, K., Krzeszowiec, M. i Małachowski, J. 2015. Investigation of parameters influencing the efficiency of small wind turbines. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics t. 146, s. 29–38.
• [7] Hansen i in. 2000 – Hansen, M.O.L., Sørensen, N.N. i Flay, R.G.J. 2000. Effect of placing a diffuser around a wind turbine. Wind Energy t. 3, nr 4, s. 207–213.
• [8] Heikal i in. 2018 – Heikal, H.A., Abu-Elyazeed, O.S.M., Nawar, M.A.A., Attai, Y.A. i Mohamed, M.M.S. 2018. On the actual power coefficient by theoretical developing of the diffuser flange of wind-lens turbine. Renewable Energy t. 125, s. 295–305.
• [9] Jafari, S.A.H. i Kosasih, B. 2014. Flow analysis of shrouded small wind turbine with a simple frustum diffuser with computational fluid dynamics simulations. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics t. 125, s. 102–110.
• [10] Karkoszka, K. 2010. Metody prognozowania wielkości mocy elektrycznej z farm wiatrowych dla potrzeb bilansowania oraz prowadzenia ruchu krajowego systemu elektroenergetycznego. Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN 78, s. 75–86.
• [11] Karolewski, B. 2014. Obliczanie parametrów małej elektrowni wiatrowej. Elektro.info nr 6, s. 74–76.
• [12] Khamlaj, T.A. i Rumpfkeil, M.P. 2018. Analysis and optimization of ducted wind turbines. Energy t. 162, s. 1234–1252.
• [13] Kosasih, B. i Saleh Hudin, H. 2016. Influence of inflow turbulence intensity on the performance of bare and diffuser-augmented micro wind turbine model. Renewable Energy t. 87, s. 154–167.
• [14] Lewandowski, W.M. i Klugmann-Radziemska, E. 2017. Proekologiczne odnawialne źródła energii, Kompendium. Wyd. 1. Warszawa: WN PWN.
• [15] Lipian i in. 2016 – Lipian, M., Karczewski, M., Moliński, J. i Jóźwik, K. 2016. Numerical simulation methodologies for design and development of Diffuser-Augmented Wind Turbines – analysis and comparison. Open Engineering t. 6, s. 235–240.
• [16] Michalak, P. 2009. Ocena zasobów energii wiatru na potrzeby małej energetyki wiatrowej. Elektrotechnika i Elektronika t. 28, s. 14–19.
• [17] Ohya i in. 2008 – Ohya, Y., Karasudani, T., Sakurai, A., Abe, K. i Inoue, M. 2008. Development of a shrouded wind turbine with a flanged diffuser. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics t. 96, s. 524–539.
• [18] Olasek i in. 2016 – Olasek, K., Karczewski, M., Lipian, M., Wiklak, P. i Jóźwik, K. 2016. Wind tunnel experimental investigations of a diffuser augmented wind turbine model. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow t. 26, s. 2033–2047.
• [19] Olkuski, T. i Stala-Szlugaj, K. 2017. Tendencje zmian występujące w światowej energetyce. Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN 98, s. 187–198.
• [20] Pietkiewicz i in. 2015 – Pietkiewicz, P., Miąskowski, W., Nalepa, K. i Kowalczuk, K. 2015. Badanie rozkładu prędkości w dyfuzorze turbiny wiatrowej. Mechanik nr 7, s. 655–662
• [21]. PN-EN 61400-2:2014-11E. Turbozespoły wiatrowe, Część 2: Małe turbozespoły wiatrowe.
• [22] Roczna ocena jakości powietrza w województwie zachodniopomorskim za 2016 rok. Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Szczecinie, Szczecin, 2017.
• [23] Roshan i in. 2015 – Roshan, S.Z., Alimirzazadeh, S. i Rad, M. 2015. RANS simulations of the stepped duct effect on the performance of ducted wind turbine. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics t. 145, s. 270–279.
• [24] Skorupa, K.K. 2017. Projekt i analiza MES turbiny wiatrowej małej mocy z dyfuzorem. Praca magisterska, Szczecin, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie.
• [25] Soliński, B. 2018. Efekty energetyczne, ekonomiczne i ekologiczne bilansowania hybrydowej mikroinstalacji wiatrowo-słonecznej. Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN 102, s. 65–76.
• [26] Soliński, I. 1999. Energetyczne i ekonomiczne aspekty wykorzystania energii wiatrowej. Wyd. 1. Kraków: Wydawnictwo IGSMiE PAN.
• [27] Szczerbowski, R. i Ceran, B. 2013. Możliwości rozwoju i problemy techniczne małej generacji rozproszonej opartej na odnawialnych źródłach energii. Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal t. 16, z. 3, s. 193–205.
• [28] Vaz, J.R.P. i Wood, D.H. 2016. Aerodynamic optimization of the blades of diffuser-augmented wind turbines. Energy Conversion and Management t. 123, s. 35–45.
• [29] Wang, S.H. i Chen, S.H. 2008. Blade number effect for a ducted wind turbine. Journal of Mechanical Science and Technology t. 22, nr 10, s. 1984–1992.
• [30] Wang i in. 2015 – Wang, W.X., Matsubara, T., Hu, J., Odahara, S., Nagai, T., Karasutani, T. i Ohya, Y. 2015. Experimental investigation into the influence of the flanged diffuser on the dynamic behavior of CFRP blade of a shrouded wind turbine. Renewable Energy t. 78, s. 386–397.
• [31] Zmywaczyk, J. 2013. Odnawialne źródła energii – wybrane problemy. Problemy mechatroniki. Uzbrojenie, lotnictwo, inżynieria bezpieczeństwa t. 4, nr 1, s. 37–58.
• [32] Żołądek i in. 2018 – Żołądek, M., Goryl, W., Sornek, K. i Augustyn, A. 2018. Analiza wybranych parametrów pracy turbiny wiatrowej zintegrowanej z budynkiem w zróżnicowanych warunkach pogodowych na przykładzie Centrum Energetyki AGH. Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN 102, s. 101–110.