SILNIKI WIATROWE

WIATRAKI Z ROTORAMI MAGNUSA

Opracowano na podstawie książki W. Jagodzińskiego pt.: "Silniki wiatrowe", PWT Warszawa 1959 r. oraz (m.in.) strony internetowej http://marganski.com.pl 

Rys. 1. Opływ dookoła wirującego walca

Podczas opływu powietrza dookoła obracającego się walca kołowego o osi prostopadłej do kierunku wiatru (rys. 1 i 2) powstaje siła poprzeczna do wiatru, skierowana od strony, po której wiatr i obrót mają kierunki przeciwne, ku stronie, po której kierunki wiatru i obrotu są zgodne. Zjawisko to jest znane jako "zjawisko Magnusa" od nazwiska jego odkrywcy - niemieckiego fizyka i chemika H.G. Magnusa, który zwrócił uwagę na to, że powoduje ono "zakrzywienie" toru wybitej piłeczki tenisowej lub golfowej oraz zmienia tor obracającego się pocisku artyleryjskiego i jako pierwszy zbadał to zjawisko w 1853 r. Najłatwiej można zapoznać się z nim doświadczalnie upuszczając kręcący się szybko walec blaszany (bąk). Walec ten nie opada pionowo, ale w przypadku gdy jego oś obrotu będzie pozioma szybuje lotem ślizgowym, podobnie jak płat nośny. Spadek natomiast tego samego walca, ale nie kręcącego się odbywa się wzdłuż pionu.

Rys. 2. Rotor Magnusa

Obracający się w strumieniu powietrza walec powodujący zjawisko Magnusa (rys. 1 i 2) może osiągnąć współczynnik siły nośnej nawet 10. Koniecznym jest jednak dla tego zaopatrzyć końce walca w wystające ponad jego powierzchnię krążki, uniemożliwiające wyrównywanie się ciśnień po obu stronach cylindra (aby zapobiec powstawaniu oporu indukcyjnemu) oraz nadanie walcowi szybkości obwodowej około czterokrotnie większej, niż szybkość wiatru.
Na rys. 3 przedstawiono krzywą biegunową takiego walca, nazywanego często rotorem Magnusa lub rotorem Flettnera, przy czym zamiast wielkości kątów naparcia przyjęto tutaj za parametr stosunek obwodowej szybkości rotora do szybkości wiatru. Dla porównania tej krzywej biegunowej z biegunową profilu opływowego wykreślono na tym samym rysunku taką krzywą biegunową. Z porównania obu krzywych wynika, że współczynnik siły nośnej rotora jest wielokrotnie większy, niż ten współczynnik profilu opływowego. Jednak współczynnik oporu jest w jeszcze znaczniejszym stopniu większy od współczynnika oporu profilu opływowego. Kąt największej doskonałości u rotora jest znacznie większy, niż u profilu opływowego, a zatem i aerodynamiczna doskonałość rotora ustępuje znacznie doskonałości profilu opływowego. Rotory w porównaniu ze skrzydłami oprofilowanymi mają prawie trzykrotnie gorsze właściwości aerodynamiczne.

Rys. 3. Krzywa biegunowa rotora Magnusa

Rys. 4. Wiatrak Flettnera

Niemiecki konstruktor Flettner zbudował w r. 1926 wiatrak oparty o zjawisko Magnusa. Zamiast zwykłych skrzydeł umieszczono na ramionach wiatraka odpowiednio wykonane z blachy stożki ścięte, mogące obracać się wokół ich osi. Do obrotu tych stożków użyto silników elektrycznych. średnica wiatraka wynosiła 20m, długość każdego ze stożków 5m, ich średnica po stronie wewnętrznej wirnika 72cm, po zewnętrznej 90cm. Podobno rezultaty nie były zbyt pomyślne.

Mimo, że przy znacznej sile nośnej rotor Magnusa stawia też duży opór, to w przypadku gdy wiatrak jest wolnoobrotowy siła oporu w większości jest przejmowana jako nacisk osiowy przez łożyska i nie przeciwdziała zbytnio obrotom wirnika. Gdy wiatrak jest bardziej szybkobieżny doskonałość profilu łopatki odgrywa większą rolę (siła oporu profilu skrzydła jest zwrócona pod mniejszym kątem do płaszczyzny obrotu wirnika i bardziej przeciwdziała jego obrotom). Z tego wynika, że wiatrak z rotorami Magnusa nie powinien być projektowany jako szybkoobrotowy.

Wiatrak Flettnera został zaprojektowany w 1926 r. i być może ze względu na stan możliwości technicznych w tamtym czasie konstrukcja ta się nie sprawdziła. Obecnie konstruktorzy z Białorusi zaprojektowali, zbudowali oraz przebadali mniejszą jednostkę o mocy ok. 250 KW.
W oparciu o ten prototyp konstruktorzy z białoruskiej firmy Acowind wykonali projekt elektrowni ACOWIND A-63 o mocy nominalnej 1MW. Wirnik tego wiatrak powstał w Polsce w Zakładach Remontów i Produkcji Sprzętu Lotniczego z Bielsko-Białej. Poniższy opis został zaczerpnięty ze strony tej firmy http://marganski.com.pl. 

Elektrownia ta stoi niedaleko podelbląskiej wsi Pagórki, gdzie warszawska firma Eneco ma postawić ponad 30 potężnych elektrowni wiatrowych. 

ACOWIND A-63

Przy projektowaniu tej siłowni wiatrowej starano się otrzymać wysoki współczynnik wykorzystania energii wiatru.
Nowy rodzaj wirnika podobno wykazuje wyższą sprawność przy małych prędkościach wiatru, większą odporność na wiatry o zbyt dużej prędkości, a co najważniejsze wirnik obraca się prawie 3 razy wolniej niż w konwencjonalnych rozwiązaniach.
Mniejsza prędkość obrotowa to oczywiście mniejszy hałas szczególnie w zakresie infradźwięków i większe bezpieczeństwo dla ptaków.

WIRNIKI
Rolę łopat turbiny wiatrowej ACOWIND A-63 pełnią obracające się walce - wirniki napędzane w sposób wymuszony przez zainstalowane wewnątrz nich silniki elektryczne i obracają się ze zmienną prędkością. Pozwala to na najbardziej optymalne dostrojenie się do dowolnej prędkości wiatru. Jedno ramię waży prawie 3 tony, zaś wirujący walec prawie 1 tonę. Wirniki są aktywnym elementem wzajemnego oddziaływania ze strumieniem powietrza, zapewniającym najpełniejsze wykorzystanie energii wiatru.

PRZEKŁADNIA NAPĘDOWA
Przekazywanie energii od wirnika silnika wiatrowego do generatora realizowane jest z wykorzystaniem przekładni hydraulicznej. Głównymi elementami układu hydraulicznego jest pompa hydrauliczna MB4000 firmy Hagglunds oraz silnik hydrauliczny A6VLM1000 firmy Rexroth. Zaletami tego układu są: 
- płynna regulacja prędkości obrotów rotora elektrowni w całym zakresie prędkości wiatru; 
- przy porywach wiatru ciecz robocza w układzie hydraulicznym przechodzi przez zawór bezpieczeństwa nie dopuszczając do tego, by generator skokowo zwiększał produkowaną moc. 

GENERATOR
W turbinie wiatrowej ACOWIND A-63 zainstalowany jest 4-biegunowy generator asynchroniczny M2CG400JH firmy ABB. Generator przy pomocy urządzenia płynnego rozruchu podłączony jest do sieci. W procesie uruchomienia urządzenie płynnie zwiększa prąd generatora od 0 do wartości nominalnej, po czym wyłącza się. Generator obraca się z prędkością 1500-1515 obr/min. Podtrzymywanie tej prędkości obrotowej przy zmiennej prędkości obrotów realizowane jest przez układ hydrauliczny. Taki układ wytwarzania energii pozwala na otrzymanie energii elektrycznej o wysokiej jakości.

UKŁAD BEPIECZENSTWA 
Turbina wiatrowa posiada układ bezpieczeństwa zabezpieczający przed porywami i dużymi prędkościami wiatru. Jest to zapewnione w następujący sposób:
- odłączenie siłowni wiatrowej od sieci powoduje doprowadzenie silników napędu wirników do stanu bezprądowego i do zatrzymania obrotów wirników. W konsekwencji ma miejsce zatrzymanie obracania się rotora elektrowni; 
- przy nagłym wyłączeniu turbiny wiatrowej z sieci zachodzi hydrauliczne hamowanie wirnika silnika wiatrowego.

AUTOMATYCZNY UKŁAD STEROWANIA 
Siłownia wiatrowa wyposażona jest w automatyczny układ sterowania. Pozwala to na pracę turbiny wiatrowej w trybie autonomicznym i zapewnia sterowanie następującymi trybami:
- automatyczne uruchomienie; 
- automatyczne zatrzymanie przy zmniejszeniu prędkości wiatru i w trybie awaryjnym; 
- regulacja pracy turbiny wiatrowej.

 http://darmowa-energia.eko.org.pl