ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 9 Η τεχνολογία των Α/Γ Βασικά Τεχνικά χαρακτηριστικά και μεγέθη [1]
Θεωρητικό Μέρος ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Α.Π.Ε Ι Κύρια μέρη της Ανεμογεννήτριας Φτερωτή (η στροφέα) που φέρει δύο η τρία πτερύγια. Την Πλήμνη του δρομέα που συνδέεται με τον άξονα της φτερωτής και μεταδίδει την περιστροφική κίνηση του δρομέα σε ένα μηχανικό πολλαπλασιαστή στροφών (κιβώτιο ταχυτήτων. Το Φρένο που ενεργοποιείται όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεπεράσει ένα όριο (ταχύτητα αποκοπής U cut-off) από το οποίο και πάνω η απόδοση είναι ελάχιστη αλλά οι κίνδυνοι καταστροφής της διάταξης πληθαίνουν. Μια γεννήτρια ρεύματος Ανορθωτική διάταξη που ανορθώνει και σταθεροποιεί το ρεύμα εξόδου. Το σύστημα προσανατολισμού της φτερωτής στη κατεύθυνση του ανέμου. Τον πυλώνα [2]
Λειτουργία της ανεμογεννήτριας Η ισχύς του ανέμου που διέρχεται διαμέσου μιας επιφάνειας εμβαδού «Α» που θεωρούμε ότι συμπίπτει με την επιφάνεια σάρωσης των πτερυγίων της φτερωτής δίνεται από τον τύπο: P w = 1 ρ A u3 2 Όπου P = ισχύς του ανέμου ( joule sec ) Ρ=πυκνότητα του ανέμου (kg/m 3 ) A=εμβαδόν επιφάνειας που πέφτει ο άνεμος (m 2 ) u=ταχύτητα του ανέμου (m/s) Η πυκνότητα του αέρα είναι συνήθως 1,2-1,29 kg/m 3 Η διέλευση της ροής από την φτερωτή της ανεμογεννήτριας, αναγκάζει την φτερωτή και τον άξονα της πλήμνης σε περιστροφή, άρα παράγει έργο. Ο ρυθμός παραγωγής έργου είναι η ισχύς που αποδίδεται στον άξονα περιστροφής της φτερωτής (ή αξονική ισχύς) P s. Ο λόγος P s/p w αποτελεί ένα μέτρο του ποσοστού ενέργειας του ποσοστού ενέργειας που η φτερωτή μετατρέπει σε έργο και συμβολίζεται C p και ονομάζεται συντελεστής απόδοσης της φτερωτής. C p = P s P w Υπάρχουν και άλλες δυο απώλειες ενέργειας άρα και ισχύος. Η πρώτη οφείλεται στις τριβές και αντιστάσεις που αναπτύσσονται από τα μηχανικά μέρη του συστήματος και έχει ως αποτέλεσμα ένα ποσοστό της αξονικής ισχύος να χάνεται στο σύστημα μετάδοσης. Έτσι το σύστημα μετάδοσης παραδίδει ισχύ P T στην ηλεκτρογεννήτρια που με την σειρά της αποδίδει ένα ακόμα μικρότερο ποσοστό ηλεκτρική ισχύος στην έξοδο της. [3]
Αν P E είναι η ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος που παραδίδει η ηλεκτρογεννήτρια τότε εκτός από του C p υπάρχουν δύο ακόμα συντελεστές σε κάθε μια από τις δυο παραπάνω ενεργειακές μετατροπές. Ο συντελεστής απόδοσης n T του συστήματος μετάδοσης, και ο n E της ηλεκτρογεννήτριας. Η ισχύς εξόδου P E δίνεται από την σχέση: n T = P T P s n E = P E P T Για γρήγορους υπολογισμούς C p = 0,4 n T = n E = 0,9 P E = C p n T n E P W Στην ιδεατή περίπτωση μέγιστης εκμετάλλευσης της ενέργειας του ανέμου, ο συνολικός συντελεστής απόδοσης της φτερωτής είναι ίσος με» 0,593» και εξαρτάται από το λόγο της ταχύτητας στο άκρο του πτερυγίου προς τη ταχύτητα του ανέμου που συμβολίζεται με λ (Αδιάστατο ) και δίνεται από τη σχέση: λ = ω R u [4]
ω = γωνιακή ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας (rad/sec) R = ακτίνα του δρομέα της ανεμογεννήτριας (m) u = ταχύτητα του αέρα (m/sec) Η μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου με το ύψος δίδεται από τη σχέση: u h1 u h2 = ( h 1 h 2 ) a όπου u h1 = ταχύτητα σε ύψος h 1, u h2 = ταχύτητα σε ύψος h2 α = αδιάστατος συντελεστής που παίρνει τις τιμές για ελεύθερα πεδία ροής αέρα α = 0,17 Μέση ισχύς Ανεμογεννήτριας Μέση ισχύς ανεμογεννήτριας, PM, λέγεται η ισχύς που ικανοποιεί την ετήσια ενεργειακή ζήτηση με συνεχή λειτουργία της. Ισχύει P M = 0,2 P O όπου P O = ονομαστική ισχύς ανεμογεννήτριας Η μέση ισχύς μπορεί να υπολογιστεί εύκολα από τις ετήσιες ενεργειακές ανάγκες των καταναλωτών. Στη συνέχεια υπολογίζομε τη P O. Συντελεστής φορτίου ανεμογεννήτριας Ορίζεται σαν ο λόγος της πραγματικά παραγόμενης ενέργειας για κάποιο διάστημα προς την ενέργεια που θα παραγόταν αν η ανεμογεννήτρια λειτουργούσε στην ονομαστική της ισχύ. π.χ. Μηνιαίος συντελεστής φορτίου = παραγώμενη ενέργεια σε ένα μήνα (KWh) ονομαστική ισχύς ανεμογενήτριας (KW) 768(h) [5]
Ετήσια παραγόμενη ενέργεια από μια ανεμογεννήτρια Ετήσια παραγόμενη ενέργεια = Η(i) W(i) Η(i) αριθμός ωρών με ταχύτητα ανέμου i W(i) ισχύς ανεμογεννήτριας στη ταχύτητα ανέμου i Μία ανεμογεννήτρια αρχίζει να αποδίδει ισχύ σε μία ταχύτητα ανέμου u E και παύει τη λειτουργία της πέρα από μία ταχύτητα ανέμου u cut-off. u E= ταχύτητα έναρξης u cut-off = ταχύτητα έναρξης u E 3,5m s u cut off = 22 26 m/s Εφόσον η αποδιδόμενη ισχύς της ανεμογεννήτριας φθάσει στην ονομαστική της τιμή, τότε αυτή παραμένει σταθερή ανεξάρτητα της αύξησης της ταχύτητας του ανέμου. Η μικρότερη ταχύτητα του ανέμου που εμφανίζεται η ονομαστική τιμή της ανεμογεννήτριας P O ονομάζεται ονομαστική της ταχύτητα u o Εμπειρικά προκύπτει ότι η βέλτιστη κατάσταση λειτουργίας της ανεμογεννήτριας για τη μέγιστη ετήσια παραγωγή Η. Ε. είναι όταν: u Ο = 1,9 u μ, όπου: u μ = Μέση ετήσια ταχύτητα του ανέμου [6]
Πρόβλημα ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Α.Π.Ε Ι Η ταχύτητα του ανέμου σε μια τοποθεσία που θα εγκατασταθεί μια ανεμογεννήτρια μετράτε για όλο το χρόνο και τα αποτελέσματα δίδονται στον ακόλουθο πίνακα: [7]
Το ανεμόμετρο είναι τοποθετημένο στο ύψος που θα εγκατασταθεί η ανεμογεννήτρια. Ο κατασκευαστής δίνει την ακόλουθη καμπύλη λειτουργίας της ανεμογεννήτριας. Κατασκευάστε τα ιστογράμματα: α) ταχύτητας ανέμου ώρες ανά έτος β) ισχύς ανεμογεννήτριας ταχύτητα ανέμου γ) παραγόμενη ενέργεια ταχύτητα ανέμου Δίδονται 1 έτος = 8760 ώρες Υπολογίσατε: 1)Τον ετήσιο συντελεστή φορτίου 2) Ετήσια παραγόμενη ενέργεια [8]
1. Πώς μεταβάλλεται η ταχύτητα του ανέμου με το ύψος από την επιφάνεια του εδάφους; Από ποιους παράγοντες εξαρτάται η μεταβολή αυτή; 2. Ποια είναι η μέγιστη τιμή που μπορεί να λάβει η σταθερά ισχύος μιας ανεμογεννήτριας; 3. Τι ονομάζουμε συντελεστή φορτίου μιας ανεμογεννήτριας; 4. Τι ονομάζουμε ονομαστική ταχύτητα ανέμου για μια ανεμογεννήτρια και τι ονομάζουμε ονομαστική ισχύς μιας ανεμογεννήτριας; 5. Τι ονομάζουμε ταχύτητα έναρξης και τι ταχύτητα συστολής μιας ανεμογεννήτριας; 6. Σε ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες της ταχύτητας συστολής, τι συμβαίνει στην ανεμογεννήτρια. 7. Σε ταχύτητες ανέμου μικρότερες της ταχύτητας έναρξης, η ανεμογεννήτρια παράγει ωφέλιμη ενέργεια; 8. Για ποια ή ποιες ταχύτητες ανέμου η ανεμογεννήτρια αποδίδει τη μέγιστη της ισχύ; 9.Σε ποια περίπτωση ο άνεμος αποδίδει ενέργεια ανά μονάδα επιφανείας κατά τη διάρκεια ενός 24ώρου Α) όταν φυσά με ταχύτητα 5m/sec για 24 ώρες Β) όταν φυσά με ταχύτητα 8m/sec για 6 ώρες και στη συνέχεια υπάρχει άπνοια για 18 ώρες Γ) όταν φυσά με ταχύτητα 6m/sec για 10 ώρες και με ταχύτητα 4m/sec για 14 ώρες. [9]