Jak działa elektrownia wiatrowa? Jak zbudować model wiatraka?

Zobacz slidy

Treść prezentacji

Slide 1

Jak działa elektrownia wiatrowa? Jak zbudować model wiatraka?

Slide 2

Elektrownia wiatrowa to zespół urządzeń produkujących energię elektryczną, wykorzystujących do tego turbiny wiatrowe. Energia elektryczna uzyskana z wiatru jest uznawana za ekologicznie czystą, gdyż, pomijając nakłady energetyczne związane z wybudowaniem takiej elektrowni, wytworzenie energii nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa.

Slide 3

Jak działają elektrownie wiatrowe? Elektrownie wiatrowe mogą wytwarzać energię elektryczną tylko wtedy, gdy wieje wiatr - i to w dodatku z prędkością większą od prędkości tzw. startowej, poniżej której turbina po prostu stoi. Przydomowe elektrownie wiatrowe są całkowicie niezależnymi źródłami energii, w których instaluje się jeden z dwóch rodzajów prądnic: 1) prądu stałego, 2) małe, trójfazowe - asynchroniczne. Elektrownie z prądnicą prądu stałego (najczęściej stosowane) mogą zasilać obiekty, jeżeli są wyposażone w regulator napięcia oraz akumulatory do gromadzenia energii, a jeśli mają dostarczać prąd przemienny (taki jak w sieci) - muszą mieć falownik. Jeśli elektrownie te mają zasilać dom mieszkalny, to wspomniane urządzenia składowe umieszcza się zwykle w pomieszczeniach gospodarczych, garażach itp.

Slide 4

Rodzaje elektrowni wiatrowych Ze względu na moc elektrownie wiatrowe dzieli się na modele mikro, małe i duże. Do zasilania domów stosuje się głównie dwa pierwsze rodzaje.

Slide 5

Mikroelektrownie wiatrowe Mikroelektrownie wiatrowe to modele poniżej 100 Watów (W) mocy. Używa się ich najczęściej do ładowania baterii akumulatorów stanowiących zasilanie obwodów wydzielonych - tam, gdzie nie ma sieci elektroenergetycznej, lub z jakiegoś powodu nie chce się z niej korzystać. Takie elektrownie można wykorzystać do zasilania przez akumulatory części oświetlenia domu: pojedynczych lamp, a nawet poszczególnych pomieszczeń czy urządzeń.

Slide 6

Mikroelektrownia wiatrowa

Slide 7

Małe elektrownie wiatrowe Małe elektrownie wiatrowe to nieco większe modele o mocy od 100 W do 50 kW. Modele z tej grupy mogą zapewniać energię elektryczną w pojedynczych gospodarstwach domowych, a nawet w małych firmach. W warunkach przydomowych najpopularniejsze są elektrownie 3-5 kW. Moc takich elektrowni, wspomagana energią zmagazynowaną w akumulatorach, wystarczy nierzadko do zasilania oświetlenia, układów pompowych, sprzętu i urządzeń domowych.

Slide 8

Mała elektrownia wiatrowa

Slide 9

Duże elektrownie wiatrowe Duże elektrownie wiatrowe (w praktyce powyżej 100 kW), oprócz tego, że mogą zasilać dom, stosowane są przede wszystkim do wytwarzania prądu, który sprzedaje się sieci elektroenergetycznej. Taka elektrownia musi spełniać szczegółowe wymagania lokalnego operatora sieci, potrzebna jest też oczywiście jego zgoda na takie przyłączenie.

Slide 10

Duże elektrownie wiatrowe

Slide 12

Budowa małej przydomowej elektrowni wiatrowej

Slide 13

Maszt Na początku na betonie zostały zaznaczone miejsca w których będzie nacinany drut fi 6mm. Jak widać na dołączonym zdjęciu odległości pomiędzy znacznikami to 150mm. Dzięki takiej operacji prościej będzie znaleźć punktu gięcia elementów rozporowych masztu (zdj. 1). Pręt zostaje nacięty do połowy grubości, czyli około 3mm (zdj. 2).

Slide 14

Zdj.1

Slide 15

Zdj.2

Slide 16

Następnie rurka cal i ćwierć (33mm średnicy), grubościenna. Widoczne co 30cm oczyszczone miejsca w których następnie przyspawane wygięte wcześniej pręty rozporowe. Pełnią one również rolę doskonałej drabinki. Z uwagi na planowaną wysokość masztu oraz brak konieczności wyjątkowej sztywności konstrukcji zrezygnowano z prętów skośnych (zdj.3).

Slide 17

Zdj.3

Slide 18

Maszt już gotowy i pomalowany. Kolory biały i czerwony - standard, jeśli chodzi o kolorystykę masztów. Będzie lepiej widoczny dla przelatującego ptactwa lub motolotniarzy (zdj.4).

Slide 19

Zdj.4

Slide 20

Poniżej sposób zamocowania masztu. Polega on na zakopanej na głębokość 150cm kostce trelinkowej (zdj.5). Kostka jest przewiercona na wylot. Przez otwór przechodzi szpilka fi 14mm z przykręconym do niej metalowym uchem do którego zaś przykręcony jest łańcuch. Na powyższym zdjęciu widać mocowanie linki odciągu do łańcucha - śruba rzymska. Później dołożyłem kolejny (trzeci) zacisk powyżej śruby rzymskiej który utrzymuje łańcuch w stanie naciągniętym a tym samym zabezpiecza śrubę rzymską, gdyby w jakiś dziwnych okolicznościach ścięło jej gwint (zdj.6).

Slide 21

Zdj.5

Slide 22

Zdj.6

Slide 23

Koniec pracy z masztem. Ma on 9 m. wysokości.

Slide 24

Łopaty Do wykonania łopat zastosowano drewno świerkowe (150x50x1250mm) z tej przyczyny, iż łatwo się je obrabia i jest dość wytrzymałe jak na nasze warunki pogodowe (zdj.8,9).

Slide 25

Zdj.8

Slide 26

Na zdj.9 łopaty gotowe do mocowania

Slide 27

Stator Stator to typowa trójfazowa prądnica amerykana. Składa się on z trzech sekcji po trzy cewki na sekcję drutu nawojowego fi 1,2mm w ilości 84 zwojów na cewkę. Grubość cewki wynosi około 10mm. Układ ten połączony w gwiazdę przy 150 obrotach na minutę daję na obciążenie, w postaci akumulatora 12V 176Ah, napięcie 13.2V 2A (zdj.10). Niestety nie było możliwości zmierzyć napięć i natężeń przy innych obrotach. Ciekawostką jest fakt, iż przy ostatnich burzach, a wiatry wcale nie były silne, udało się zaobserwować napięcie ograniczone przez układ ładowania do 14.4V (napięcie mierzone na zaciskach akumulatora - typowe napięcie ładowania dla akumulatora), 250W szło w grzałkę oraz blisko 17A prądu generowane przez prądnicę wiatraka. Wiatrak został ustawiony z kierunkiem wiatru.

Slide 28

Zdj.10

Slide 29

Cewki prądnicy zatopione zostały w żywicy poliestrowej. Ilość jaka została zużyta to prawie 2 litry. UWAGA! Proszę nie sugerować się kształtem cewek z powyższego zdjęcia gdyż ten jest zły. Odpowiedni kształt cewki przedstawia poniższa animacja (zdj.11). Dla tych którzy noszą się z zamiarem wykonania prądnicy o większej mocy mała informacja - żywica poliestrowa niezbyt dobrze znosi temperatury powyżej 70oC, a podczas produkcji prądu prądnica się nagrzewa. Co prawda prąd produkowany jest tylko w czasie wiatru, jednak znaczną część prądnicy zasłania rotor i śmigło, poza tym żywica nie jest najlepszym przewodnikiem ciepła więc chłodzenie całego układu może okazać się niewystarczające.

Slide 30

Zdj.11

Slide 31

Rotor Rotor składa się z dwóch stalowych tarcz grubości 6mm i średnicy 296mm (zdj.12). Stal musi wykazywać właściwości magnetyczne - czyli nie może to być stal nierdzewna czy aluminium. Udało się zakupić takie cztery krążki. Na każdej z dwóch tarcz w żywicy poliestrowej zatopione jest 12 magnesów neodymowych N38 10x25x45mm. Takie powinny dać radę cewce grubości 10mm, odległość pomiędzy magnesami wyniesie 14mm. Ilość magnesów można wyliczyć ze wzoru: ilość cewek 3 x 4 ilość magnesów na jedną tarczę rotora.

Slide 32

Zdj.12

Slide 33

Zdj.13 Wklejanie magnesów

Slide 34

Poniżej jedna z tarcz na chwilę przed zalaniem żywicą poliestrową (zdj.14). Tektura falista okazała się bardzo dobrym materiałem na ścianki. Aby żywica się nie wylewała zastosowałem cienkie paski przeźroczystej taśmy klejącej.

Slide 35

Zdj.14

Slide 36

Głowica Typowy amerykanin. Jedyne co się zmieniło to zastosowanie piasty od poloneza. Po wymianie łożysk sprawuje się idealnie (zdj.15).

Slide 37

Zdj.15

Slide 38

Poniżej przedstawiono element tzw. zawias przyspawany pod kątem do głowicy tworzy zabezpieczenie przeciwburzowe (zdj.16). Dzięki takiej konstrukcji ogon wiatraka ma tendencje do samoistnego powrotu do położenia spoczynkowego - dzięki temu nie trzeba stosować bocznego żagla, sprężyn czy ciężarków na linach. Wiatr burzowy odchyla koło wiatrowe umieszczone mimośrodowo względem osi obrotu głowicy. Ogon, który ustawiony jest zawsze pod wiatr, poprzez ukośną zawiasę i obrót głowicy unosi się pokonując siły grawitacyjne. Prędkość obrotowa spada. Gdy prędkość wiatru maleje ogon, z uwagi na swój ciężar, powraca do punktu spoczynkowego ustawiając koło wiatrowe znowu pod wiatr.

Slide 39

Zdj.16

Slide 40

Poniżej przedstawiono przekrój poprzez głowicę ukazujący sposób mocowania (zdj.17). Dwa łożyska umożliwiają obrót głowicy wokół własnej osi. Myślę, iż rysunek jest czytelny i nie ma konieczności dokładnego go opisywania, natomiast kilka słów wyjaśnienia należy się odnośnie przewodu, który zwisa swobodnie, biegnąc środkiem wzdłuż masztu. Szybkozłącze na dole umożliwia odkręcenie przewodu gdyby ten nadto się skręcił. Jak dotąd nie było konieczności by taką operację przeprowadzać.

Slide 41

Zdj.17

Slide 42

Kołpak Osłona została wykonana ze styropianu 100mm sklejonego za pomocą silikonu. Potem przy pomocy papieru ściernego 60 i wiertarki został wytoczony pożądany kształt (zdj.18). Kołpak przed laminowaniem należy okleić paskami gazet. Po stwardnieniu kleju można zacząć pracę z żywicą. Na koniec należy całość oszlifować i pomalować farbą.

Slide 43

Zdj.18

Slide 44

Całość przed zamontowaniem łopat. Ważna uwaga: Przy zakładaniu drugiej tarczy trzeba koniecznie uważać na palce by ich nie stracić. Siła z jaką przyciągają się magnesy jest potężna i daje się ją odczuć już przy odległości około 10 cm pomiędzy tarczami. Głowica wraz z łopatami i ogonem waży około 25kg (zdj.19).

Slide 45

Zdj.19

Slide 46

Elektronika Na zdjęciu poniżej widać układ z przetwornicą firmową o mocy ciągłej 600W (zdj.20). Układ zatrzasku zabezpiecza akumulator przed nadmiernym rozładowaniem. Jeśli napięcie spadnie poniżej 11.5V układ odłączy przetwornicę i przełączy się na prąd z sieci (do tego celu służy przekaźnik na płytce zatrzasku oraz przekaźnik podłączony do zacisków 220V przetwornicy). Jeśli w trakcie ładowania napięcie na zaciskach akumulatora przekroczy 13.0V układ automatycznie przełączy się znowu na przetwornicę. W trakcie użytkowania elektrowni zauważyłem, iż warto wykorzystywać każdy wiatr - stąd ustawione na 13V napięcie przełączenia na prąd z wiatru. Gdy napięcie na ładowanym akumulatorze przekroczy 14.4V włączy się dwustopniowy układ zabezpieczenia, który będzie ograniczał prąd ładowania. Układ ten widoczny jest z lewej strony. Licznik mierzy tylko prąd produkowany przez przetwornicę - wiadomo ile się zaoszczędziło (bądź za ile nie trzeba płacić).

Slide 47

Zdj.20

Slide 48

Schemat przetwornicy, zespołu prostowniczego i zatrzasku sterownika oraz przekaźników wykonawczych i regulatora ładowania

Slide 49

Uproszczony schemat elektryczny dla przetwornicy wykonanej samodzielnie

Slide 50

Zespół prostowniczy

Slide 51

Sterownik - zatrzask

Slide 52

Przekaźniki wykonawcze

Slide 53

Regulator ładowania

Slide 54

Film z działania turbiny wiatrowej

Slide 55

Koniec Autor prezentacji: Piotr Warot Autor projektu turbiny wiatrowej: Waldemar Pachoł waldemar.pacholwp.pl