(zbiornik/słup składa się z 3 części/zbiorników – gdy jest silny wiatr, to powietrze jest tłoczone do zbiornika o najwyższym ciśnieniu, gdy średni, to do zbiornika o średnim ciśnieniu, a gdy słaby, to do zbiornika, gdzie jest niskie ciśnienie)
OSIĄGI MOCY (oprócz, że z przodu na tak dużą powierzchnię działa duża siła naporu/zwiększonego ciśnienia powietrza, to, wywołana wyłapaniem wiatru przez kanał, analogiczna, równoważna siła, ale podciśnienia/zasysania powstaje z tyłu kanału. Oprócz tego wyłapany wiatr w kanale i przez wielołopatową turbinę jest prawie w całości wykorzystywany (w klasycznej turbinie znaczna część wiatru ucieka pomiędzy 2-3 łopatami i na boki, w tym pochłaniając część energii obrotowej turbiny). Mała wielołopatowa turbina jest także o wiele lżejsza od klasycznej, a więc jej obracanie pochłania mniej energii – co, łącznie, zwielokrotnia czułość na wiatr/moc turbiny z wieloma łopatami i z kanałem stłaczająco-naprowadzającym powietrze)
turbina z b. dużym kanałem | turbina klasyczna
(prędkość wiatru - moc)
1m/s - kilka wat | - stoi
2m/s - kilkanaście wat | - kilka wat
3m/s - kilkadziesiąt wat | - kilkanaście wat
4m/s - kilkaset wat | - kilkadziesiąt wat
5m/s - kilkaset wat | - kilkadziesiąt wat
6m/s - kilka kW | kilkaset wat
7m/s - kilka kW | kilkaset wat
2m/s - kilkanaście wat | - kilka wat
3m/s - kilkadziesiąt wat | - kilkanaście wat
4m/s - kilkaset wat | - kilkadziesiąt wat
5m/s - kilkaset wat | - kilkadziesiąt wat
6m/s - kilka kW | kilkaset wat
7m/s - kilka kW | kilkaset wat
Przeciętna prędkość wiatru w Polsce waha się,zależnie od rejonu, msa, wysokości, od około 2 do 5 m/s, średnio wynosi 3,5 m/s (latem poniżej 3 m/s, zimą blisko 4 m/s). Wykorzystywanie elektrowni wiatrowych (a więc zestawów zapewniających prąd o odpowiednich parametrach i stale) ma sens ekonomiczny przy prędkości wiatru powyżej 4 m/s.
Ogólne informacje techniczne
Stabilność prądu zapewnia stale ciśnienie powietrza napędzającego prądnicę, gdyż w zbiorniku przejściowym zawsze jest takie samo ciśnienie dzięki samoregulacji (jak ciśnienie nieco wzrośnie, to tłok pokonuje opór sprężyny i przesuwa się odcinając dopływ powietrza, i analogicznie odwrotnie).
- kanał samonastawia się na wiatr
Co do kosztów:
- turbina pracuje, dzięki zbierającej i stłaczającej powietrze tubie, o kilkadziesiąt procent czasu więcej (inne rodzaje turbin stoją, bądź kręcą się jałowo, a ta w tym czasie produkuje prąd)/prądnica wytwarza o kilkadziesiąt procent prądu więcej, więc w dłuższej perspektywie czasowej okaże się to korzystniejszym ekonomicznie rozwiązaniem
- nie buduje się i nie utrzymuje trakcji elektrycznej
- nie ma, drogich i mało żywotnych, akumulatorów i do nich, drogich, podzespołów
- duża żywotność konstrukcji wynika z niestosowania prądnicy, tylko prostej w konstrukcji, mechanicznie napędzanej sprężarki, niestosowania akumulatorów i elektroniki
- mała turbina, to małe wibracje
OGÓLNE INFORMACJE
Jest to rozwiązanie dla indywidualnych i o małych potrzebach energetycznych odbiorców (przypuszczalnie do 5kW mocy).
Prądnica o malej mocy służy do zasilania oświetlenia, komputera, itp. odbiorników małej mocy.
Gdy potrzebny jest prąd o dużej mocy, to włączana jest prądnica o dużej mocy.
W słupie o wysokości 36 metrów (3 rury po 12m.) i średnicy 1 metr i przy ciśnieniu np. 30 atmosfer można zakumulować sporo energii, jak na potrzeby małego gospodarstwa.
Hałas będzie raczej niewielki, z uwagi na małą średnicę turbiny (a więc małą prędkość kątową).
Oczekiwałbym od rządu, że zwolni taką produkcję, sprzedaż, użytkowanie z podatków, gdyż jest to rozwiązanie nie generujące kosztów środowiskowych, zdrowotnych, umożliwia uniezależnienie się indywidualnych odbiorców o małych potrzebach energetycznych (a straty przesyłowe w sieci publicznej są rzędu kilkudziesięciu procent).
http://www.elektroonline.pl/news/4160,Sprezone_powietrze_zwiekszy_wydajnosc_elektrowni_wiatrowych | 04 lipiec 2011
SPRĘŻONE POWIETRZE ZWIĘKSZY WYDAJNOŚĆ ELEKTROWNI WIATROWYCH
Badacze z USA opracowali nowe rozwiązanie do składowania energii turbin wiatrowych. Oparte jest ono na sprężaniu powietrza zasilającego silniki tłokowe wytwarzające prąd - poinformował magazyn Technology Review.
Naukowcy i inżynierowie pracujący dla amerykańskiej firmy technologicznej SustainX, opracowali rozwiązanie zwiększające wydajność elektrowni wiatrowych oraz moc takich urządzeń.
Problemem elektrowni wiatrowych jest wysokie zapotrzebowanie na energię w dzień, przekraczające czasem możliwości siłowni. Tymczasem często wiatr w dzień jest słabszy niż nocą. Zwykle energia z dużych elektrowni wiatrowych, pozyskana nocą i wykorzystywana w dzień, trafiała do stacji akumulatorowych złożonych jednostek litowo-jonowych lub przepływowych. Jednak stworzenie jednostki składującej pociągało za sobą bardzo wysokie koszty, co obniżało drastycznie stopę zwrotu z inwestycji, odstręczając inwestorów od budowy siłowni wiatrowych.
Badacze z SustainX postanowili ułatwić składowanie energii wytwarzanej w nocy. Ich rozwiązanie oparte było na sprzężonym powietrzu. W klasycznym, stosowanym już systemie tego typu, nadwyżki energii, pozyskane w nocy, używane są do sprężania powietrza, które potem jest wykorzystane do poruszania generatorów, wytwarzających prąd. Jednak sprawność takich systemów nie jest wysoka, bowiem poruszające generator powietrze musi zostać bardzo silnie sprężone. Sprężone powietrze składowane jest w kawernach bądź w podziemnych zbiornikach.
W rozwiązaniu, jakie wymyślili naukowcy i inżynierowie z USA, sprężone powietrze jest składowane w zbiornikach naziemnych, a wartość ciśnienia w nich nie jest wysoka. Do wytwarzania energii zastosowano bowiem zamiast generatorów silniki tłokowe, poruszane sprężonym powietrzem, operujące przy niższych ciśnieniach. Są one też mniejsze i tańsze niż generatory.
Badacze dodatkowo zwiększyli wydajność całego układu. Powietrze jest bowiem sprężane jako zimne i przed zastosowaniem go do napędu silnika konieczne jest jego podgrzanie. W rozwiązaniu SustainX energia z zewnątrz musi być użyta tylko do wstępnego podgrzania powietrza trafiającego do silnika przy rozruchu całego urządzenia. Ciepło sprzężonego powietrza w pracującym już silniku jest bowiem absorbowane przez wodę wtryskiwaną do cylindra - ta sama woda ogrzewa następną porcje powietrza, trafiającego do cylindra. Nie jest więc konieczne stałe podgrzewanie powietrza przesyłanego ze zbiornika.
Według badaczy zastosowanie tego rozwiązania zwiększa sprawność układu z 54 do 95 proc. Obecnie chcą oni zmniejszyć cenę naziemnych zbiorników lub opracować tanie zbiorniki podziemne dla sprężonego powietrza - stosowane obecnie naziemne zbiorniki są bowiem droższe niż podziemne kawerny.
SustainX opracowała prototyp systemu o mocy 40 kW i obecnie buduje wersję o mocy 1 MW. Będzie ona zainstalowana w 2012 roku w elektrowni wiatrowej firmy AES w Kalifornii.
PAP - Nauka w Polsce
Zgodnie z prawem Bernouliego dotyczącym zachowania się ośrodka (np. gazu) w rurze w której występują zmiany średnicy zmienia się również prędkość przepływu gazu. W związku z tym jeśli tradycyjny wirnik zabudujemy w tunelu (a dokładnie w jego przewężeniu) będzie on wirował w powietrzu przepływającym szybciej niż wiatr poza tym tunelem. Dzięki temu da więcej energii niż wirnik bez otunelowania. Badania nad tym zjawiskiem były już prowadzone w latch 50-tych. Aby uzyskać pożądany efekt długość otunelowania musiała być ok 5-7 razy większa niż średnica wirnika. W latach 70-tych w zakładach Grummana badano wirniki tego typu i odkryto, że obecność szczeliny w dyfuzorze (w płaszczyznie tunelu) powoduje wzrost sprawności takiego wirnika. Zwężający się wlot powoduje wzrost prędkości przepływu przed wirnikiem, a szczelina w dyfuzorze która znajduje się za wirnikiem powoduje dodatkowo powstanie strefy podciśnienia powodując dodatkowo przyrost prędkości przepływu powietrza przez wirnik. Komercyjne rozwiązanie o nazwie Maxi Vortec ma 54 m średnicy wirnika i daje 3,5 MW energii. Daje to ok 1,5kW/m2 co jest bardzo wysokim współczynnikiem. Prędkość obrotowa wirnika wynosi 27 obr./min. , przekładnia 45:1 (!).
http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/inzynieria_srodowiska/c_odnaw_zrodla_en/files/inne_rozwiazania.htm
W porównaniu do zwykłej turbiny wydajność jest większa o około 3 razy.
W porównaniu do zwykłej turbiny wydajność jest większa o około 3 razy.
Turbiny z dyfuzorem / foto: winpower.org
W Polsce średnia roczna prędkość wiatrów waha się od 2,8 do 3,5m/s. Prędkości powyżej 4m/s (wartość minimalna do efektywnej pracy) występują na wysokości 25 i więcej metrów na 2/3 powierzchni naszego kraju. Z kolei prędkości powyżej 5m/s występują na niewielkim obszarze, na wysokości 50 metrów i powyżej.
Zasoby energii wiatru przedstawia mapa autorstwa prof. Haliny Lorenc z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej.
Zależność prędkości wiatru od wysokości:
34m - 5,6 m/s
61m - 6,4
100m - 6,9
Teren - pola, gdzieniegdzie pojedyncze drzewa, 2km dalej od strony południowej las.
PROFESJONALNIE PRZYGOTOWANE MATERIAŁY O ROŻNYCH TURBINACH WIATROWYCH I ROZWIĄZANIACH W TEJ DZIEDZINIE
Należy pamiętać, że dyfuzor znacząco podnosi koszty urządzenia oraz zwiększa bezwładność układu – turbina będzie z opóźnieniem reagować na zmiany kierunku wiatru. Jednak wysoka efektywność tego rozwiązania daje możliwość zmniejszenia wymiarów wirnika. Jeżeli chcielibyśmy wykorzystać do pracy w układzie zamkniętym (np. do ogrzewania domu) turbinę z dyfuzorem o mocy ok. 10 kW, to zamiast wirnika o średnicy 7 metrów (BERGEY EXCEL 10 – klasyczna konstrukcja 3 łopatowa), moglibyśmy zastosować wirnik o średnicy ok. 2,5 m.
(...)
Wirniki wyposażone w dyfuzor uzyskują najlepszy z wszystkich stosowanych obecnie rozwiązań współczynnik zakreślanej przez wirnik powierzchni do generowanej mocy wynoszący 1,5 kW/mkw (dla Maxi fortec). Najlepsze klasyczne wirniki szybkoobrotowe 3 płatowe osiągają ten współczynnik na poziomie 0,5 kW/mkw.
(...)
do pracy w układach zamkniętych doskonale nadają się konstrukcje wolnoobrotowe wielołopatowe. (...) Ich największymi zaletami są: rozruch już przy bardzo słabym wietrze, duży moment obrotowy oraz prostota konstrukcji (płaty nie mają specjalnych profili aerodynamicznych) i niska cena w porównaniu z elektrowniami o dwóch lub trzech śmigłach.
Przykładowy wiatrak wielołopatowy o mocy 5 kW ma średnicę wirnika 5,5, co daje współczynnik wytworzonej energii do powierzchni zakreślonej przez wirnik 0.21 kW/mkw., co nie jest imponującą wartością, mniejszą od osiąganej przez przeciętne konstrukcje 3 płatowe o tej samej mocy (od 0,26-0,36 kW/mkw. w przypadku małych generatorów).
Należy jednak mieć na względzie to, że wirnik wielołopatowy rozpoczyna produkcję energii już przy wietrze rzędu 2,1 m/s, podczas gdy dobre wirniki trzypłatowe dopiero przy wiatrach w granicach 3-4 m/s. Moc nominalną opisywany przeze mnie aerogenerator (T550) osiąga przy wietrze 12 m/s, co jest wartością porównywalną do wartości nominalnej prędkości wiatru dla turbin 3 płatowych.
(...)
Pewnym rozwiązaniem pośrednim w stosunku do opisanych wyżej konstrukcji mogłaby być turbina wielołopatowa firmy Windside obudowana dyfuzorem, zintegrowana z magnesami i uzwojeniami (rys. 6.4). Dziesięć par biegunów zapewniłoby lepsze parametry prądu niż 3 pary, a specyfika wirnika wielołopatowego pozwoliłaby na zastosowanie tego aerogeneratora w warunkach słabej i przeciętnej wietrzności.
Konstruktywna alternatywa: RACJONALIZM
Piotr Kołodyński - autor-redaktor: www.wolnyswiat.pl