Sprawozdanie z eksperymentu oraz przedstawienie procesu budowy ELEKTROWNIA WIATROWA Sprawozdanie z eksperymentu oraz przedstawienie procesu budowy Prezentacja projektu uczniów XXVI LO im. Krzysztofa Kamila Baczyńskiego

Założenia Projektu Co chcieliśmy osiągnąć? Zbudować niewielki model elektrowni wiatrowej o jak największej wydajności przy sile wiatru przybliżonej do ruchu powietrza w pobliżu domowego wiatraka. Wymiary: 25x25x25 cm Prędkość wiatru: 2 m/s Budżet: mocno ograniczony ;-) Termin: koniec marca 2012

Projektowanie Teoretyczne Od czego zaczęliśmy pracę ? Wielkie dzieła nie wychodzą z rąk stolarzy bez żmudnej fazy projektowania. Jako osoby zupełnie niewtajemniczone w energetykę wiatrową najpierw zajęliśmy się przeglądem źródeł zarówno książkowych, jak i internetowych. Uzbrojeni w potężną wiedzę (jak nam się wtedy wydawało), stworzyliśmy kilka projektów, które porzuciliśmy… ze względów technicznych. Okazało się, że bycie inżynierem w praktyce wcale nie jest takie proste…

Projekt I Turbina wiatrowa o osi poziomej wyposażona w dyfuzor Nasz pierwszy projekt zakładał stworzenie elektrowni wiatrowej w układzie klasycznym wzbogaconej o dyfuzor. Dlaczego dyfuzor? Zgodnie z z prawem Bernoulliego, gdy standardową turbinę zabudujemy w przewężeniu rurowego tunelu, to wirnik będzie poruszał się w powietrzu przepływającym szybciej niż wiatr poza tym tunelem. Ostatecznie da to zdecydowanie więcej energii, niż gdyby turbina pracowała bez dyfuzora. Pojawiły się jednak pytania: Ile śmigieł? Jaki kształt dyfuzora? A może dodać drugi wiatrak na końcu osi? Jaki kształt łopat będzie najlepszy? Jak najlepiej przymocować oś do dyfuzora? Jakich materiałów użyć?

Budowa Podczas prac natrafiliśmy na kilka przeszkód: Uzbrojeni w odpowiednią (jak nam się wydawało) wiedzę, rozpoczęliśmy budowę turbiny. Podczas prac natrafiliśmy na kilka przeszkód: Optymalny sposób mocowania osi do podstawy Użyliśmy łożysk kulkowych w odpowiednim rozmiarze. Sposób ich mocowania okazał się problematyczny. Łożyska opadały wewnątrz metalowych nóg. Nadal nierozwiązany problem optymalnej ilości śmigieł i ich kształtu Planowaliśmy dojść do optymalizacji metodą prób i błędów. O wiele lepszym sposobem wydało nam się jednak wprowadzenie w życie innego rozwiązania inżynieryjnego…

Porzucony kształt Do ich budowy zużyliśmy: (ciekawostka) Owe niekształtne twory stanowią jeden z modeli śmigieł naszego wiatraka. W planach miały przyjąć kształt półkola. Do ich budowy zużyliśmy: Żarówki Silikon Folię aluminiową spożywczą Taśmę klejącą z papieru Jak widać podczas budowy towarzyszyły nam porażki, mniejsze i większe… Teraz już wiemy, że nie należy utrudniać prac wydumanymi pomysłami.

Projekt II Zalety: Wady : Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu Charakterystyka: Przekrój poziomy wirnika jest zbliżony do litery "S". Wirnik ma cztery ramiona. Różnica sił oddziaływania wiatru na wklęsłą i wypukłą stronę łopat powoduje obrót wirnika. Zalety: → prosta w budowie → duża wytrzymałość Wady : → jeszcze nie odkryliśmy żadnych wad (wcale nie z powodu niezawodności takiego rozwiązania, po prostu… za mało szukaliśmy)

Spodziewana wydajność Moc turbiny wiatrowej wyraża się wzorem p – gęstość powietrza, v -prędkość wiatru, F – przekrój poprzeczny strumienia powietrza, e - współczynnik wykorzystania energii Zatem, gdybyśmy stworzyli „perpetuum mobile”, gdzie e = 100% osiągnęłoby ono P = 1,65W Niestety, jak na nasze możliwości jest to nie do osiągnięcia, w teorii współczynnik wykorzystania energii może byś równy 59,3%, lecz w praktyce można co najwyżej osiągnąć go na poziomie 50%, co było naszym celem. Czyli aby P = 0,83W

Model I 1. Bloczek 2. Koniec osi 3. Obudowa konstrukcji 4. Oś i łożyskowanie 5. Łopaty

Sprawność modelu I W jest to ΔEp = mgΔh, P = W / t, gdzie m = 30g, a Δh=0,03 ± 0,01m Numer Pomiaru Czas Moc 1 10,47 s 0,0086 W 2 12,23 s 0,0073 W 3 9,50 s 0,0094 W 4 11,74 s 0,0076 W - 0.0082 ± 0,0013 W Max Min Niepewność pomiarowa. 0,0086 W – 0,0073 W = 0,0013 W Jako grupa doszliśmy do konkluzji, iż wynik naszego wiatraka jest niesatysfakcjonujący, ponieważ osiągnęliśmy mniej niż 1% spodziewanego wyniku.

Model II (po poprawkach) 1. Koniec osi 2. Bloczek 3. Obudowa konstrukcji 4. Oś i łożyskowanie 5. Łopaty

1. Koniec Osi 2.Bloczek Zostaliśmy poinformowani, że nasza konstrukcja miała zbyt mały moment obrotowy w stosunku do długości osi, na którą nawijała się nitka (wykonana de facto z nogi od szafy o średnicy ok.4 cm). Rozwiązaliśmy problem, zastępując dotychczasową końcówkę śrubą. Okazało się również, że nitka zawijała się nam do środka łożyska, dlatego byliśmy zmuszeni podnieść nasz bloczek do góry.

3. Obudowa Konstrukcji 4. Oś i łożyskowanie Zdjęliśmy część obudowy, aby nie rozbijać strumienia wiatru. Z tego powodu, iż wiatraki tego typu działają na różnicy oporów powietrza padającego na część wklęsłą i wypukłą, uznaliśmy za dobry pomysł osłonięcie wypukłych części łopat specjalną ścianką. Podstawa i szkielet wykonane są z drewna, reszta z tworzyw sztucznych. 4. Oś i łożyskowanie Początkowo w płomieniach młodego inżynieryjnego szału osadziliśmy oś na 3 łożyskach kulkowych, dodatkowo używając w górnej części czwartego. Usunęliśmy na dole 2 łożyska, aby zmniejszyć opór, który one powodowały oraz usunęliśmy ich obudowy, aby wyczyścić gęsty smar, który się w nich znajdował i zastąpiliśmy go o wiele bardziej wydajnym.

5. Łopaty Łopaty wykonaliśmy z plastikowej rury o średnicy ok.8,5cm i wysokości 18cm. Zmiana polegała na wycięciu drewnianych podpórek, które mających zapobiec rozklejeniu się konstrukcji. Pomimo iż różnica ciężaru była niewielka, to usunięcie podpórek korzystnie wpłynęło na cyrkulacje powietrza wewnątrz łopaty. Niestety, obniżając jej wytrzymałość, ale wytrzymała ona jej testy

Sprawność MOdelu II W jest to ΔEp = mgΔh, P = W / t, gdzie m = 160g, a Δh=0,03 ± 0,01m Numer Pomiaru Czas Moc 1 25,45 s 0,0189 W 2 17,44 s 0,0275 W 3 24,38 s 0,0197 W 4 22,33 s 0,0215 W 0,0200 ± 0,0026 W Min Max Musieliśmy usunąć drugi pomiar z naszej analizy, ponieważ za bardzo odstawał od reszty i prawdopodobnie wkradł się tam jakiś błąd pomiaru. Niepewność pomiarowa. 0,0215 W – 0,0189 W = 0,0026 W Jak widać po poprawkach znacznie podniosła się sprawność naszego wiatraka, lecz dalej pozostała na bardzo niskim poziomie, osiągnęliśmy zaledwie 2,3% tego, co zamierzaliśmy.

Konkluzje Nawet takie kosmetyczne poprawy znacznie poprawiły sprawność naszego wiatraka. Opierały się głównie na usuwaniu zbędnych elementów. Stąd wniosek na przyszłość – należy każdy element budowy dokładnie przemyśleć Ze źródeł specjalistycznych dowiedzieliśmy się, że turbiny o osi pionowej mają znacznie niższy współczynnik sprawności niż konstrukcje klasyczne (śmigłowe), czyli około 30%. Pomimo niskiej sprawności udało nam się zdobyć wiele doświadczeń z zakresu inżynierii. Mamy zamiar wykorzystać je przy budowie kolejnej turbiny. : )

Wykorzystane materiały Bibliografia: Mieczysław Jażewski „Fizyka Ogólna” R.Resnick i D.Halliday „Fizyka dla studentów nauk przyrodniczych i technicznych” Inne źródła informacji: Program wiatrak 1.1 http://www.uwm.edu.pl/kolektory/ silownie/pionowe.html http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dyd aktyka/inzynieria_srodowiska/c_o dnaw_zrodla_en/ http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dyd aktyka/inzynieria_srodowiska/c_o dnaw_zrodla_en/files/inne_rozwia zania.htm http://darmowa- energia.eko.org.pl/pliki/wiatr/prof_ cxy.html Skład grupy: Aleksandra Sroczyńska Damian Kądrowski Łukasz Zimoń Wszystkie grafiki wykorzystane w prezentacji zostały stworzone przez członków grupy.