ΑΣΚΗΣΗ 4. Μελέτη εξάρτησης της ηλεκτρικής ισχύος ανεμογεννήτριας από την ταχύτητα ανέμου. ΜΑ ΑΓ Τροφοδοτικό V Σχήμα 1. Η πειραματική διάταξη. Σκοπός: Πειραματικός προσδιορισμός της χαρακτηριστικής καμπύλης P-υ ανεμογεννήτριας. Εργασίες: Η πειραματική διάταξη περιλαμβάνει μια μικρή ανεμογεννήτρια (ΑΓ), η οποία τίθεται στο ρεύμα ανέμου που δημιουργεί μια όμοια διάταξη, η οποία αποτελεί τη «μηχανή ανέμου» στα πλαίσια της άσκησης και στη συνέχεια θα αναφέρεται ως ΜΑ (Σχήμα 1). Μεταβάλλοντας την τάση τροφοδοσίας του κινητήρα της ΜΑ, τροποποιούμε την ταχύτητα ανέμου. Στο πρώτο μέρος των μετρήσεων πραγματοποιείτε μετρήσεις αντιστοιχίας της τάσης τροφοδοσίας της ΜΑ (Τάση στο τροφοδοτικό), με την ταχύτητα του ανέμου που δημιουργεί η ΜΑ στη θέση της ΑΓ. Στη φάση αυτή, στη θέση της ΑΓ θέτετε το ανεμόμετρο. Στη συνέχεια θα χρησιμοποιήσετε τις ίδιες τιμές τάσης τροφοδοτικού της ΜΑ, όταν θα θέσετε στη θέση του ανεμομέτρου την ΑΓ. Η πτερωτή της ΑΓ περιστρέφεται από τον τεχνητό άνεμο και παράγει ενέργεια με ισχύ που εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου, σύμφωνα με τη γνωστή σχέση ( υ ). Η παραγόμενη ενέργεια αποδίδεται σε ηλεκτρική αντίσταση, που συνδέεται στην έξοδο της ΑΓ. Η ηλεκτρική ισχύς προκύπτει με μέτρηση της τάσης στα άκρα της αντίστασης, σε κάθε ταχύτητα ανέμου, από τη σχέση P V I I V. Γραφήματα Υπολογισμοί 1. Διάγραμμα της αποδιδόμενης ηλεκτρικής ισχύος,, από την ανεμογεννήτρια σε συνάρτηση με την ταχύτητα, υ.. Διάγραμμα της αποδιδόμενης ηλεκτρικής ισχύος,, από την ανεμογεννήτρια σε συνάρτηση με την τρίτη δύναμη της ταχύτητας ανέμου (υ ).. Υπολογισμός του συντελεστή απόδοσης πτέρυγας C p.
Απαιτούμενα μέσα: α) Διάταξη ΜΑ και ΑΓ β) Ανεμόμετρο γ) Αντίσταση δ) Βολτόμετρο Αναφορά στη θεωρία: Ταχύτητα ανέμου. Ισχύς κινητικής ενέργειας ανέμου. Ανεμογεννήτρια. Ισχύς ανεμογεννήτριας. Παράγοντες που την καθορίζουν (Βιβλιογραφία μαθήματος, στο τέλος της άσκησης) Γραφικές παραστάσεις Η χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος της ΑΓ έχει τη μορφή του σχήματος 6.α. Το τμήμα της από την υ ci (cut in), μέχρι την υ (ated), σύμφωνα με τη θεωρητική ανάλυση, εμφανίζεται ανάλογη της τρίτης δύναμης της ταχύτητας ανέμου ( υ ), με την υπόθεση σταθερής τιμής του συντελεστή απόδοσης πτερυγίου (C p ), ανεξάρτητης της ταχύτητας του ανέμου. Πριν την υ ci ισχύει = 0, λόγω τριβών στον άξονα της ΑΓ. Συνεπώς, για ταχύτητα ανέμου στο διάστημα από υ ci έως υ μπορούμε να θεωρήσουμε την επόμενη μορφή εξάρτησης της από την ταχύτητα υ: PΑΓ aυ υcipαγ aυ b, όπου, 1 a ρ S C p και b a υ. Η εξάρτηση της ρ από τη θερμοκρασία και την ατμοσφαιρική πίεση δίδεται από 88,15 Pmbar ρ kg / m 1,5 T K 101, τη σχέση: Άρα, η γραφική παράσταση της υ, αναμένεται ευθεία (Σχήμα 6.β), με κλίση a και η οποία τέμνει τον άξονα, στο σημείο b. (W) 450 400 50 00 50 υ 00 150 100 50 υ 0 0 5 10 15 0 5 υ ci υ (m/s) (W) 400 00 00 100 = 0,4.υ -1,4 0 0 00 400 600 800 υ (m/s) (α) Σχήμα. (α) Γραφική παράσταση της υ. (β) Γραφική παράσταση της υ. ΕΡΓΑΣΙΕΣ 1. Η ΑΓ έχει τοποθετηθεί στην κατάλληλη απόσταση από τη ΜΑ, την οποία δεν θα αλλάξετε κατά την πειραματική εργασία σας.. Να πραγματοποιήσετε τα κυκλώματα που απαιτούνται για τη διεξαγωγή της άσκησης (Σύνδεση του τροφοδοτικού με τη ΜΑ και της ΑΓ και του βολτομέτρου με την αντίσταση). Να σημειώσετε την τιμή της αντίστασης (β)
Α/Α Μέρος Ι: Προσδιορισμός αντιστοιχίας τάσης τροφοδοτικού της ΜΑ και ταχύτητας ανέμου. Να στρέψετε με προσοχή τον ιστό της ΑΓ περί άξονα κοντά στη βάση του, αφού απασφαλίσετε το σημείο στήριξής του (Ελέγξτε, με προσοχή, τον τρόπο λειτουργίας του μηχανισμού ασφάλισης-απασφάλισης του ιστού της ΑΓ). Στρέφετε προσεκτικά τον ιστό μέχρι να ακουμπήσει στο στήριγμα, που έχει τοποθετηθεί γι αυτό το σκοπό. 4. Αφού εξοικειωθείτε με τη χρήση του ανεμομέτρου, τοποθετείστε το στη βάση που έχει προβλεφθεί γι αυτό το σκοπό, ώστε η πτερωτή του να βρίσκεται στο ρεύμα αέρα της ΜΑ, την οποία θα έχετε ενεργοποιήσει. Να πραγματοποιήστε μερικές δοκιμαστικές μετρήσεις της ταχύτητας του ανέμου μεταβάλλοντας την τάση τροφοδοσίας της ΜΑ. 5. Όταν είστε έτοιμοι, να ξεκινήσετε τις μετρήσεις αντιστοιχίας της τάσης τροφοδοτικού της ΜΑ με την ταχύτητα ανέμου (Ένδειξη ανεμομέτρου). Να μεταβάλλετε την τάση τροφοδοσίας της ΜΑ κατά 1 V κάθε φορά από τη μέγιστη τάση που θα χρησιμοποιήσετε (~ 0 V). Να καταχωρήσετε τις μετρήσεις σας στις αντίστοιχες στήλες του επόμενου πίνακα. Μετρήσεις αντιστοιχίας V τροφ με τις ενδείξεις του ανεμομέτρου. Προσδιορισμός της μέσω της τάσης στη γνωστή αντίσταση. V τροφ (V) υ (m/s) υ ((m/s) ) V (mv) (Ω) (W) 1 0 19 18 4 17 5 17 6 16 7 15 8 14 9 1 10 1 11 11 1 10 1 9 14 8 15 7 16 6 17 5 18 4 19 0 1 1
6. Συμπληρώστε τις στήλες υ ((m/s) ) και (W) [ P V ΑΓ ]. 7. Να παραστήσετε γραφικά την σε συνάρτηση με την ταχύτητα ανέμου. 8. Να παραστήσετε γραφικά την σε συνάρτηση με την υ (Διακριτά σημεία όπως στο σχήμα β). Να προσθέσετε στο γράφημα την ευθεία που προσαρμόζεται καλύτερα στο γράφημα. Να σημειώσετε τις τιμές των συντελεστών a και b, της σχέσης PΑΓ aυ b. (Υπολογίζοντας την κλίση της ευθείας). 9. Να μετρήσετε την ακτίνα r της πτερωτής της ΑΓ και να υπολογίσετε το εμβαδόν της ( S = π r ) r = m S = m. 10. Να σημειώσετε τη θερμοκρασία θ (Τ = 7,15 + θ) και την πίεση P του αέρα στο χώρο του εργαστηρίου (Ένδειξη βαρομέτρου) και να υπολογίσετε την πυκνότητα ρ του αέρα ρ kg / m 1,5 TK 88,15 P mbar ρ = kg/m 101, 11. Να υπολογίσετε το συντελεστή απόδοσης C p της συγκεκριμένης πτερωτής χρησιμοποιώντας την κλίση της ευθείας (α) του ερωτήματος 8. C a p S 1. Να γράψετε τα συμπεράσματά σας για την εξάρτηση της από την υ και για την τιμή του C p, σε σχέση με τις τιμές του σε συνήθεις ΑΓ.
Μέρος ΙΙ: Προσδιορισμός υπολογισμού ενέργειας και συντελεστή χρησιμοποίησης που παράγεται από μία Α/Γ Χρησιμοποιώντας τα ανεμολογικά στοιχεία του παρακάτω Πίνακα 1, να υπολογίσετε την ετήσια ενεργειακή παραγωγή από ανεμογεννήτρια (Α/Γ) της οποίας η καμπύλη ισχύος δίνεται στον Πίνακα. Επιπλέον, να βρεθεί ο ετήσιος συντελεστής χρησιμοποίησης (Capacity Factor) της Α/Γ. Πίνακας 1 Πίνακας Ταχύτητα Ανέμου (m/s) Ετήσια Συχνότητα f(%) σε ώρες 0 1.58% 1 6.% 7.1% 9.4% 4 9.98% 5 9.57% 6 8.45% 7 7.4% 8 6.9% 9 5.7% 10 4.55% 11.45% 1.19% 1 1.58% 14 1.4% 15 1.10% 16 0.85% 17 0.55% 18 0.48% 19 0.% 0 0.% Ταχύτητα Ανέμου (m/s) Ισχύς (kw) 0 0.0 1 0.0 0.0 0.0 4 16.6 5 49.7 6 104.5 7 189.4 8 85.6 9 408.7 10 54.0 11 66.0 1 751.0 1 788.0 14 794.0 15 800.0 16 800.0 17 800.0 18 800.0 19 800.0 0 800.0 1 800.0 800.0 Υπενθύμιση : Προσδιορισμός παρερχομένης ενέργειας από Α/Γ E P A P CF όπου Τ, η περίοδος αναφοράς (έτος), στην οποία αναφέρεται η μέση τιμή ισχύος (P) και η τιμή του συντελεστή χρησιμοποίησης (CF) της Α/Γ Βιβλιογραφία μαθήματος: Φωτοβολταϊκά Συστήματα, Ι. Φραγκιαδάκης, Εκδόσεις ΖΗΤΗ. Παράγραφοι: 6.1., 6.1. (6,1..1), 6.1.4, 6.1.5. T T