![Page 1: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/1.jpg)
WPŁYW BUDOWY WIRNIKA ORAZ KIERUNKU PADANIA WIATRU NA WYTWORZONĄ MOC
ZNAMIONOWĄ TURBINY WIATROWEJAutorzy pracy: Aleksandra Budrys, Barbara Kowalska, Katarzyna Tomczyk
uczennice Gimnazjum Nr 9 im. Jana Pawła II w Kaliszu
![Page 2: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/2.jpg)
Bardzo ważnym problemem w dzisiejszych czasach jest wyczerpywanie nieodnawialnych źródeł energii. Według wielu szacunków, ziemskie zasoby tych źródeł wystarczą na zaledwie kilka pokoleń. W tym celu należy zwiększyć procent udziału odnawialnych źródeł energii, między innymi takich jak: energia słoneczna, wiatrowa, wody, geotermalna, biogaz, wodór, w ogólnym światowym bilansie energetycznym.
![Page 3: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/3.jpg)
Zasoby paliw naturalnych
• Według Danish Ministry of Energy całkowite zasoby paliw wystarczą:• w przypadku węgla na 200 lat,• w przypadku ropy na 100 lat,• w przypadku gazu na 150 lat.• Wzrost zużycia tych paliw o 2% (bardzo ostrożne założenie!!!), skróci czas ich
wyczerpania do odpowiednio 150, 55 i 100 lat.
![Page 4: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/4.jpg)
W wyniku spalania paliw naturalnych, oprócz ciepła, powstają gazy spalinowe oraz popioły i żużle.
Głównym składnikiem spalin powstających przy spalaniu paliw stałych jest:
- dwutlenek węgla CO2,- dwutlenek siarki SO2,- tlenek węgla CO,- tlenki azotu NOx,- para wodna H2O,- sadza,- pył.
![Page 5: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/5.jpg)
![Page 6: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/6.jpg)
• Jednym z bardzo dobrych, alternatywnych źródeł energii jest wiatr. Może on znaleźć zastosowanie w Polsce jako nośnik energii w turbinach wiatrowych. Szacuje się, że dolną granicą opłacalności małych turbin wiatrowych jest prędkość wiatru 4m/s.
![Page 7: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/7.jpg)
Cel pracy
Celem pracy było laboratoryjne zbadanie wpływu kształtu łopatek, ich ilości oraz kąta ich nachylenia względem wiatru, na moc znamionową wirnika.
Ponadto, w pracy dokonano analizy mocy turbin dla różnych kierunków padania wiatru.
![Page 8: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/8.jpg)
• Eksperyment przeprowadzono za pomocą laboratoryjnego stanowiska pomiarowego, w skład którego wchodziły: wentylator, turbina wiatrowa z możliwością wymiany łopatek wirnika, wzorcowy rezystor, amperomierz oraz woltomierz.
![Page 9: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/9.jpg)
Warianty turbin zastosowanych w eksperymencie
Wariant Kształt łopatek
Liczba łopatek
Kąt nachylenia
łopatek
Kąt padania wiatru
IWyprofilowany
( W )
3
25
090
II 50 III 90 IV
Prostokątny ( P )
25 V 50 VI 90 VII Wyprofilowany
4 25 VIIIProstokątny
![Page 10: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/10.jpg)
![Page 11: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/11.jpg)
Za pomocą termoanemometru zmierzono prędkość wiatru tuż przed turbiną wiatrową. Dla wszystkich wariantów zastosowanych turbin utrzymano jednakową prędkość wiatru Vwiatru wynoszącą 4,6 [m/s].
![Page 12: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/12.jpg)
Porównanie wpływu ilości łopatek n na moc znamionową PN = f (w):łopatki wyprofilowane: wariant I (n=3, W, ł=25), wariant VII (n=4, W, ł=25),łopatki prostokątne: wariant IV (n=3, P, ł=25), wariant VIII (n=4, P, ł=25)
Wyniki badań
![Page 13: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/13.jpg)
Zauważono ponadto, że dla wszystkich pozostałych wariantów (I, II, IV, V, VII, VIII), dla kąta padania wiatru w > 60 moc znamionowa wynosi zero. Dla wszystkich wymienionych wariantów znaleziono i zaproponowano uogólnioną zależność wielomianową stopnia trzeciego w zakresie w=(0,60):
DwC2wB3
wANP
![Page 14: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/14.jpg)
Stałe równania Wariant A B C D R2
I(n=3, W, ł=25)
0,0011 0,1053 1,2631 73,372 0,9929
II(n=3, W, ł=50)
0,0001 0,0121 0,0658 11,130 0,9965
IV(n=3, P, ł=25) 0,00006 0,0076 0,0326 12,180 0,9988
V(n=3, P, ł=50) 0,00002 0,0024 0,0043 3,105 0,9952
VII(n=4, W, ł=25)
0,0003 0,0318 0,3363 25,036 0,9942
VIII(n=4, P, ł=25) 0,0002 0,0181 0,1897 15,640 0,9987
DwC2wB3
wANP
![Page 15: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/15.jpg)
Na podstawie pomiarów wyznaczono współczynnik mocy ε oraz wydajność turbiny η:
wiatru
N
P
P
id
N
P
P
![Page 16: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/16.jpg)
Obliczone wartości współczynników mocy oraz wydajności turbin dla wirników
o kącie nachylenia łopatek ł=25
Wariant Pwiatru [W] Pid [W] PN ε [%] ɳ [%]
I
(n=3, W, ł=25)
0,458 0,272 0,0750 16,4 27,6
Największe wydajności turbin, uzyskano dla wirników zaopatrzonych w trzy łopaty. Wartość ponad 27%, odpowiada rzeczywistym turbinom które pracują w środowisku.
![Page 17: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/17.jpg)
Wnioski
1. Moc turbiny zależy od kąta nachylenia łopatek wirnika ł. Największe moce znamionowe uzyskano dla wirników,w których łopaty zostały ustawione pod kątem nachylenia 25. Nie uzasadnione jest stosowanie turbin z kątem nachylenia 90.
2. Moc turbiny zależy od kierunku, z którego strumień powietrza pada na turbinę wiatrową. Największe moce uzyskano dla kierunku wiatru, który bezpośrednio (prostopadle) padał na turbinę wiatrową (w = 0). Dla kąta padania wiatru większego niż 60 wartości mocy, wynosiły praktycznie zero dla wszystkich przebadanych wariantów.
![Page 18: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/18.jpg)
3. Moc turbiny zależy od kształtu łopatek wirnika. Większe wartości uzyskanej mocy otrzymano dla turbin o wyprofilowanym kształcie łopatek w porównaniu z łopatkami prostokątnymi. Dla trójłopatowych turbin wiatrowych o wyprofilowanym kształcie (ł = 25, w = 0), uzyskano wartość mocy znamionowej o ponad 6 razy większą względem identycznej turbiny o prostokątnym kształcie łopat. Odpowiednio dla czterołopatowych turbin, zauważono 66% wzrost wytworzonej mocy znamionowej, dla łopat wyprofilowanych względem łopat prostokątnych.
4. Moc turbiny zależy od ilości łopatek. Większe moce znamionowe uzyskano dla turbin trójłopatowych, niż dla czterołopatowych w przypadku ich wyprofilowanego kształtu. Zaobserwowano wówczas jej 3 krotny wzrost. Dla turbin z prostokątnymi łopatami wzrost ten był o 25% większy na korzyść wirników czterołopatowych.
![Page 19: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/19.jpg)
![Page 20: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/20.jpg)
Bardzo dziękujemy za uwagę!
![Page 21: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/21.jpg)
Krótka fotorelacja z naszych badań
![Page 22: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/22.jpg)
![Page 23: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/23.jpg)
![Page 24: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/24.jpg)
Dla chcących zgłębić wiedzę na temat naszych pomiarów, więcej informacji zawarłyśmy w naszej pracy, którą przedstawiamy poniżej.
![Page 25: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/25.jpg)
![Page 26: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/26.jpg)
![Page 27: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/27.jpg)
![Page 28: Zespół: GIMKI - Konkurs naukowy „Bohaterowie przyszłości”](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051516/55ca8cc4bb61ebc44c8b476f/html5/thumbnails/28.jpg)