Elewacyjna turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu – badania oraz wnioski

W poprzednich artykułach [3, 4] autorzy opisali rosnące zainteresowanie miejscowym wytwarzaniem energii odnawialnej z wiatru w warunkach miejskich, dokonali przeglądu różnych typów miejskich turbin wiatrowych i przedstawili przykłady dużych instalacji wiatrowych oraz problemy, z jakimi zmagają się ich operatorzy.

Poniżej omówione zostały wyniki badań i wnioski z pracy doświadczalnej turbiny miejskiej o poziomej osi obrotu zainstalowanej w Centrum Energetyki AGH w Krakowie.

Omówienie stanowiska badawczego

Najważniejszym elementem wykorzystywanego stanowiska badawczego jest elewacyjna turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu. Pracująca jednostka to Ventus Energia 1000 Swind o mocy 1 kW. Urządzenie osiąga swoją moc nominalną przy prędkości wiatru równej 10 m/s, a jej prędkość rozruchowa wynosi 2,3 m/s. Według producenta szacowana roczna produkcja energii, zależna od siły wiatru, to 1300–2500 kWh [1]. Wymiary turbiny widoczne są na rys. 1.

Rys. 1. Wymiary turbiny Ventus Energia 1000 Swind [1]

Stanowisko badawcze znajdujące się w Centrum Energetyki AGH składa się również ze stelażu mocującego turbinę (rys. 2) oraz osprzętu odpowiedzialnego za przetwarzanie, akumulowanie i oddawanie do sieci energii elektrycznej (rys. 3).
Widoczna na rys. 3 szafa elektryczna mieści najważniejsze komponenty całej instalacji wiatrowej. Wewnątrz znajduje się obciążenie elektryczne turbiny, kontroler PLC, zespół baterii oraz ich kontrolery ładowania. Umieszczony jest tam również inwerter.

Rys. 2. Wizualizacja umiejscowienia budynku i turbiny elewacyjnej o pionowej osi obrotu pracującej na AGH oraz jej stelaż mocujący; Zdjęcia własne

Rys. 3. Stanowisko zapisywania i przetwarzania danych; Zdjęcia własne

Opis procedury pomiarowej

Dzięki szeregowi czujników zainstalowanych w bezpośredniej okolicy siłowni wiatrowej możliwy jest stały monitoring zarówno warunków wiatrowych, jak i pracy samej turbiny. Na rys. 4 pokazano rozmieszczenie anemometrów wokół turbiny o poziomej osi obrotu. W dalszej części artykułu uwzględniono dane wiatrowe pochodzące z anemometrów mieszczących się przed turbiną wiatrową – A1 i A2. Czujnik pierwszy znajduje się bliżej elewacji budynku, a drugi umieszczony jest od strony ulicy.

Rys. 4. Plan rozkładu anemometrów wokół turbiny [6]

Na kolejnej ilustracji (rys. 5) pokazano interfejs aplikacji zainstalowanej na komputerze znajdującym się w laboratorium. Za jej pomocą możliwy jest podgląd aktualnie notowanych prędkości wiatru na wszystkich anemometrach i chwilowych uzysków energetycznych. Znajduje się tam również prosty panel pozwalający zatrzymać lub uruchomić turbinę wiatrową.

Rys. 5. Interfejs aplikacji służącej do obsługi turbiny; Oprac. własne

Histogramy prędkości wiatru

Dane dotyczące prędkości wiatru notowane na anemometrach 1 i 2 znajdujących się przed turbiną wiatrową o poziomej osi obrotu zostały użyte do stworzenia histogramów prędkości wiatru. Przeanalizowano informacje z okresu niemal całego roku, tj. od sierpnia 2017 do czerwca 2018. Wyniki zobrazowano na rys. 6–7 dla całego rozpatrywanego okresu oraz dla kilku wybranych miesięcy. W obu przypadkach wzięto pod uwagę różnice występujące na czujnikach prędkości wiatru nr 1 i 2.

Czytaj też: Podczyszczanie ścieków – separatory tłuszczu i substancji ropopochodnych >>

Na rys. 6 zestawiono informacje o częstości występowania wiatru na anemometrze 1 w poszczególnych przedziałach. Dla całego badanego okresu najczęstszymi wartościami były prędkości wiatru z przedziału 0–0,5 m/s. Występowały one przez prawie 40% okresu uwzględnionego w analizie. Większe, nadające się do wykorzystania energetycznego prędkości wiatru zdarzały się tylko czasami i stanowiły łącznie ok. 16%. Na histogramie widać, że im wyższa jest prędkość wiatru, tym rzadziej jest ona notowana.

Rys. 6. Histogram prędkości wiatru notowanej na anemometrze nr 1 dla wybranych miesięcy oraz dla całego badanego okresu

W październiku 2017 roku przez Polskę oraz region Małopolski i Krakowa przechodziły silne wichury. Fakt ten znalazł odzwierciedlenie na rys. 6. Częstość występowania poszczególnych prędkości wiatru jest zróżnicowana. Najczęstszy nie jest jednak przedział prędkości najmniejszych – najwięcej, ok. 15%, odnotowano prędkości z przedziału 1–1,5 m/s. Stosunkowo duży odsetek stanowi również wiatr teoretycznie możliwy do energetycznego wykorzystania przez turbinę wiatrową – prawie 40%.

Histogram dla grudnia i wartości notowanych na anemometrze 1 jest proporcjonalny. Częstość pierwszego przedziału (0–0,5 m/s) wynosi prawie 18% i jest największa. Kolejne przedziały prędkości wiatru mają coraz mniejszy udział, następuje ok. 2-proc. spadek częstości wraz ze wzrostem prędkości wiatru. Według wskazań urządzenia pomiarowego nr 1 w ostatnim miesiącu 2017 roku ok. 42% zarejestrowanych prędkości wiatru było w stanie wprawić w ruch turbinę elewacyjną o poziomej osi obrotu – więcej niż w październiku tego samego roku.

W celu porównania warunków wiatrowych panujących w okresie jesienno-zimowym oraz wiosenno-letnim na histogramie zestawiono również informacje zebrane dla kwietnia 2018 roku. W miesiącu tym prawie połowa zapisanych prędkości wiatru mieściła się w przedziale do 0,5 m/s, wyższe wartości zdarzały się dużo rzadziej.

---

Literatura

1. Ventus Energia, Dokumentacja Techniczno-Ruchowa, Wiatrowy Zespół Zasilający Ventus Energia 1000 Swind, Warszawa 2012.
2. Filipowicz Mariusz, Goryl Wojciech, Żołądek Maciej, Sornek Krzysztof, Wind Energy conversion system in built-up area. Example of AGH Center of Energy, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 2017.
3. Ochalik Julia, Filipowicz Mariusz, Żołądek Maciej, Możliwości zastosowania turbin wiatrowych w obszarach miejskich, „Rynek Instalacyjny” 3/2020.
4. Ochalik Julia, Filipowicz Mariusz, Żołądek Maciej, Potencjał rozwoju i problemy energetyki wiatrowej, „Rynek Instalacyjny” 1–2/2020.
5. Filipowicz Mariusz, A case study of a small wind turbine integrated with the building of AGH Centre of Energy, Krakow, SET 2019: Proceedings of the 18th international conference on Sustainable Energy Technologies, August 20–22, 2019, Kuala Lumpur, Malaysia, „Sustainable energy towards the new revolution”, Vol. 3, ed. by Saffa Riffat [et al.], https://nottingham-repository.worktribe.com/OutputFile/3937312.
6. Filipowicz Mariusz, Żołądek Maciej, Goryl Wojciech, Sornek Krzysztof, Urban ecological energy generation on the example of elevation wind turbines located at Center of Energy AGH, E3S Web of Conferences 49, 00023 (2018).

[energia wiatru, turbiny wiatrowe, odnawialne źródła energii, miejskie turbiny wiatrowe, instalacje na budynkach, energia wiatrowa]