Pełny numer elektro.info 7-8/2017 tylko dla Ciebie [PDF]

wystarczy założyć konto w portalu elektro.info.pl

Koncepcja budowy małej elekrowni wiatrowej

The concept of building a small wind power plant
W artykule o tym jak wykonać małą elektrownię wiatrową o mocy rzędu 150 W przeznaczoną dla pojedynczego gospodarstwa domowego.
W artykule o tym jak wykonać małą elektrownię wiatrową o mocy rzędu 150 W przeznaczoną dla pojedynczego gospodarstwa domowego.

W artykule przedstawiono koncepcję wykonania małej elektrowni wiatrowej, przeznaczonej dla pojedynczego gospodarstwa domowego, o mocy rzędu 150 W. W celu ułatwienia wykonania prądnicy wykorzystano silnik Direct Drive (napęd bezpośredni) z pralki automatycznej. Aby poznać zachowanie maszyny przy pracy generatorowej, wykonano fizyczny model generatora. Po wykonaniu badań laboratoryjnych model udoskonalono tak, aby zwiększyć moc prądnicy. Następnie wyznaczono parametry turbiny dostosowanej do współpracy z badaną prądnicą.

W artykule:

• Budowa modelu laboratoryjnego prądnicy oraz wyniki i wnioski z jej badań
• Dobór parametrów turbiny
• Prognozowana roczna produkcja energii
• Koncepcja wykonania elektrowni

Budowa modelu laboratoryjnego prądnicy

Do budowy modelu prądnicy wykorzystano stojan i wirnik silnika typu Direct Drive stosowanego w pralkach automatycznych, których wygląd przedstawiono na rys. 1. Jest to bezszczotkowy silnik prądu stałego typu BLDC.

streszczenie

W artykule przedstawiono koncepcję wykonania małej elektrowni wiatrowej, przeznaczonej dla pojedynczego gospodarstwa domowego, o mocy rzędu 150 W. W celu ułatwienia wykonania prądnicy wykorzystano silnik Direct Drive (napęd bezpośredni) z pralki automatycznej. Aby poznać zachowanie maszyny przy pracy generatorowej, wykonano fizyczny model generatora. Po wykonaniu badań laboratoryjnych model udoskonalono tak, aby zwiększyć moc prądnicy. Następnie wyznaczono parametry turbiny dostosowanej do współpracy z badaną prądnicą.



abstract

Presents a concept of realization a small wind power plant, dedicated for a single household, with power about 150 W. In order to facilitate the implementation of the generator was used Direct Drive motor of automatic washing machine. In order to know the behavior of the machine while its work as a generator, was performed investigations of physical model of the generator. After the laboratory tests model was improved in order to increase the power of the generator. Then parameters of the turbine adapted to cooperate with tested generator were proposed.

Rys. 1. Silnik Direct Drive: a) rotor, b) stator; fot. B. Karolewski, K. Kasperek
Rys. 1. Silnik Direct Drive: a) rotor, b) stator; fot. B. Karolewski, K. Kasperek

Budowa silnika przypomina napęd twardego dysku w komputerze. Wirnik (rys. 1a) ma kształt pierścienia otaczającego cewki stojana. Do wewnętrznej powierzchni pierścienia rotora zamocowano dwanaście magnesów ferrytowych. Każdy magnes posiada cztery bieguny magnetyczne, czyli wirnik ma 48 biegunów.

Stojan (rys. 1b) zbudowany jest z odpowiednio ukształtowanego pakietu blach transformatorowych, na których osadzono 36 plastikowych karkasów z cewkami. Cewka ma 100 zwojów drutu aluminiowego o średnicy 0,9 mm. Każdą z trzech faz stanowi 12 szeregowo połączonych cewek. Fazy połączone są w gwiazdę.

Rys. 2. Model prądnicy uzyskanej z silnika Direct Drive, wraz z silnikiem napędowym, widok z boku; rys. B. Karolewski, K. Kasperek
Rys. 2. Model prądnicy uzyskanej z silnika Direct Drive, wraz z silnikiem napędowym, widok z boku; fot. B. Karolewski, K. Kasperek
Rys. 3. Model prądnicy uzyskanej z silnika Direct Drive, widok z drugiego boku; rys. B. Karolewski, K. Kasperek
Rys. 3. Model prądnicy uzyskanej z silnika Direct Drive, widok z drugiego boku; fot. B. Karolewski, K. Kasperek

W pralce wirnik zamocowany jest bezpośrednio na wale bębna. Przerabiając silnik na prądnicę, oryginalny wał skrócono. Dobrano piastę, do której zamocowano stojan, a wewnątrz niej umieszczono łożyska, w których osadzono wał wirnika. Całość zamontowano na podstawie i sprzężono z silnikiem napędowym – zastępującym w badaniach turbinę – za pomocą przekładni pasowej o przełożeniu 4:1 (rys. 2. i rys. 3.).

Rys. 4. Wirnik z magnesami neodymowymi; fot. B. Karolewski, K. Kasperek
Rys. 4. Wirnik z magnesami neodymowymi; fot. B. Karolewski, K. Kasperek

W pierwszej kolejności zbadano parametry oryginalnej maszyny. Następnie podjęto dwie próby zwiększenia uzyskiwanej mocy. Wariant drugi uzyskano wymieniając magnesy ferrytowe na magnesy neodymowe (rys. 4.).
Użyto 48 magnesów o wymiarach 30x10x5, wykonanych z materiału N-42.
Pomiędzy magnesami pozostawiono 5-milimetrowe przerwy.

W trzecim wariancie poza wymianą magnesów dodatkowo przezwojono stojan.
Drut aluminiowy zastąpiono miedzianym o średnicy 1 mm.
Nie udało się zachować oryginalnej liczby zwojów cewek, zmniejszono ją do 77.

Wyniki badań modelu prądnicy

Rys. 5. Schemat układu zasilania silnika napędzającego prądnicę; rys. B. Karolewski, K. Kasperek
Rys. 5. Schemat układu zasilania silnika napędzającego prądnicę; rys. B. Karolewski, K. Kasperek
Rys. 6. Schemat układu pomiarowego na wyjściu prądnicy; rys. B. Karolewski, K. Kasperek
Rys. 6. Schemat układu pomiarowego na wyjściu prądnicy; rys. B. Karolewski, K. Kasperek

Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 5. i rys. 6. Prędkość silnika napędowego regulowano wykorzystując przemiennik częstotliwości. Napięcie z trójfazowej prądnicy prostowano mostkiem 6-pulsowym. Prądnicę obciążano rezystorem.

Rys. 7. Charakterystyki biegu jałowego; rys. B. Karolewski, K. Kasperek
Rys. 7. Charakterystyki biegu jałowego; rys. B. Karolewski, K. Kasperek

Dla trzech wariantów wykonania prądnicy wyznaczano zależność napięcia stałego nieobciążonej prądnicy od prędkości, czyli tzw. charakterystykę biegu jałowego (rys. 7.), a następnie zależność napięcia fazowego prądnicy od prądu obciążenia przy stałej prędkości obrotowej – charakterystykę zewnętrzną.

Rys. 8. Charakterystyki zewnętrzne przy prędkości 250 obr./min; rys. B. Karolewski, K. Kasperek
Rys. 8. Charakterystyki zewnętrzne przy prędkości 250 obr./min; rys. B. Karolewski, K. Kasperek

Po analizie uzyskiwanych wartości przyjęto, że prędkość znamionowa prądnicy wynosi 250 obr./min. Przy tej prędkości napięcie trójfazowe maszyny ma już częstotliwość 100 Hz. Znamionowe napięcie stałe będzie dzięki temu miało mniejsze tętnienia niż przy 50 Hz. Dla tej prędkości wykreślono przykładowe charakterystyki zewnętrzne (rys. 8.).

W przypadku maszyny bez przeróbek, dziesięcioprocentowy spadek napięcia (od 96 V do 86 V) odpowiada obciążeniu prądnicy prądem 0,4 A. Uzyskana moc wynosi 86 V · 0,4 A ≅ 34 W.

Dla wariantu z magnesami neodymowymi ΔU = 10% odpowiada obniżeniu napięcia od 180 do 162 V. Taki spadek występuje dla prądu 0,75 A, czyli znamionowa moc prądnicy wynosi 162 V · 0,75 A = 121W.

W trzecim wariancie dziesięcioprocentowy spadek napięcia odpowiada zmianie napięcia od 138 do 124 V, która powodowana jest prądem obciążenia 1,2 A. Daje to moc 124 V · 1,2 A = 148 W.
Jak widać przyrost mocy między wariantem 2 i 3 jest stosunkowo niewielki, a wymiana uzwojeń – pracochłonna. W związku z tym jako optymalny przyjęto wariant 2.

Przy założeniu, że prądnica będzie zasilała grzałki z wykorzystaniem regulatora obciążenia, można dopuścić większą zmianę napięcia niż 10%. A zatem, dla prądnicy z magnesami neodymowymi przyjęto dopuszczalne zmiany napięcia w zakresie od 180 do 156 V. To ostatnie napięcie odpowiada prądowi 1 A. Jest to prąd o wartości dopuszczalnej ze względów cieplnych. Mierzono pirometrem temperaturę uzwojeń po długotrwałym przepływie prądu 1 A. Temperatura nie przekraczała 80° Celsjusza (przy temperaturze otoczenia 24°).

Po zatrzymaniu prądnicy – w związku z pogorszeniem chłodzenia – temperatura cewek początkowo wzrastała o około 4°, a dopiero później cewki zaczynały stygnąć.

Temperatura na powierzchni magnesów nie przekroczyła 65°. A zatem uzyskana maksymalna moc wybranego wariantu wykonania prądnicy wynosi 156 V · 1 A ≅ 156 W.

W celu wstępnego określenia sprawności prądnicy, wykonano pomiar mocy pobieranej przez silnik napędowy i oddawanej przez prądnicę.

Aby uniknąć odkształceń przebiegów, silnik zasilono bezpośrednio z sieci. Przy napięciu znamionowym pobierał on moc 975 W. Silnik był obciążony w 44% swojej mocy znamionowej (wynoszącej 2,2 kW).

Sprawność silnika przy podanym obciążeniu oszacowano na 0,65. Wobec tego moc na wejściu prądnicy wynosiła około 634 W.

Prądnica, obciążona rezystorem, wirowała z prędkością 685 obr./min. Przy napięciu 440 V oddawała prąd 1 A, czyli moc wyjściowa wynosiła 440 W. Szacunkowa wartość sprawności prądnicy wynosiła zatem 440/634 ≈ 0,7.

Sprawność prądnicy jest obniżona przez wykorzystanie przekładni pasowej. Naciąg paska klinowego wywierał dość znaczną boczną siłę na wał prądnicy i powodował znaczny wzrost mechanicznych oporów ruchu prądnicy. Przy umieszczeniu turbiny wprost na wale prądnicy, jej sprawność powinna znacząco wzrosnąć.

Literatura

1. W. Jagodziński, Silniki wiatrowe. PWN, Warszawa 1959.
2. B. Karolewski, Obliczanie parametrów małej elektrowni wiatrowej, „elektro.info” 6/2014.
3. Soliński, Energetyczne i ekonomiczne aspekty wykorzystania energii wiatrowej, Wyd. Inst. Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków 1999.

Czytaj też: Aspekty ekonomiczne wytwarzania energii elektrycznej w instalacjach prosumenckich >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

Ten artykuł jest PŁATNY. Aby go przeczytać, wykup dostęp.
DOSTĘP ABONAMENTOWY
DOSTĘP SMS
W celu uzyskania dostępu do pełnego tekstu
niniejszego artykułu wyślij SMS o treści:
AP.EL4ZL na nr 74068
Opłata za wysłanie SMS-a: 4 zł + VAT (4,92 zł brutto)
Serwis SMS obsługiwany przez Dotpay
Usługa dostępna jest w sieciach: T-mobile, Orange, Plus GSM, Play, Heyah, Sami Swoi. Usługę Premium SMS obsługuje Dotpay.
Właścicielem portalu jest Grupa MEDIUM Sp. z o.o. S.K.A., z siedzibą w Warszawie, przy ul. Karczewskiej 18.
Zwrotnym sms-em otrzymasz Kod Dostępu, który wpisz w poniższe okienko. Kod będzie aktywny przez 24 godziny od pierwszego zalogowania.
Reklamacje usługi prosimy zgłaszać przez formularz reklamacyjny
Masz już abonament - zaloguj się:
:
:
zapomniałem hasła
Nie posiadasz konta - kliknij i załóż »
Nie masz abonamentu - wykup dostęp:
Abonament umożliwia zalogowanym użytkownikom dostęp do wszystkich płatnych treści na naszym portalu.
Dostępne opcje abonamentowe:
Pakiet: dwuletnia prenumerata papierowa (20 numerów) + dwuletni dostęp do wszystkich treści portalu (730 dni) - 185,00 zł
Prenumerata + on-line w promocyjnej cenie. Zamów już dziś!
Pakiet: roczna prenumerata papierowa (10 numerów) + roczny dostęp do wszystkich treści portalu (365 dni) - 105,00 zł
Prenumerata + on-line w promocyjnej cenie. Zamów już dziś!
Prenumerata elektroniczna (365 dni) - 79,00 zł
Roczny dostęp do wszystkich płatnych treści naszego portalu.
Prenumerata elektroniczna (30 dni) - 15,00 zł
30 dniowy dostęp do wszystkich płatnych treści naszego portalu.
Roczny dostęp dla prenumeratorów w specjalnej cenie - 0,00 zł
Jeśli zakupiłeś roczną prenumeratę papierową, masz możliwość skorzystania z bezpłatnego dostępu do wszystkich treści elektronicznych. Po weryfikacji danych skontaktujemy się z Tobą). Dostęp na czas trwania prenumeraty papierowej!
Dwuletni dostęp dla prenumeratorów w specjalnej cenie! - 0,00 zł
Jeśli zakupiłeś dwuletnią prenumeratę papierową, masz możliwość skorzystania z bezpłatnego dostępu do wszystkich treści elektronicznych. Po weryfikacji danych skontaktujemy się z Tobą). Dostęp na czas trwania prenumeraty papierowej!
30 dniowy dla prenumeratorów w specjalnej cenie - 0,00 zł
Jeśli zakupiłeś roczną prenumeratę papierową, masz możliwość skorzystania z bezpłatnego dostępu do wszystkich treści elektronicznych. Po weryfikacji danych skontaktujemy się z Tobą). Dostęp na czas trwania prenumeraty papierowej!
Prenumerata elektroniczna (730 dni) - 138,00 zł
Dwuletni dostęp do wszystkich płatnych treści naszego portalu.
Regulamin korzystania z portalu elektro.info.pl - zobacz regulamin
Uwagi prosimy zgłaszać na adres:
Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 9/2017

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Nowy wspornik do mocowania przewodów ochrony odgromowej?

Wspornik odgromowy W obudowie wykonanej z wysokiej jakości polietylenu kryje się betonowy rdzeń. Szczelnie zamknięta konstrukcja chroni go przed niekorzystnym wpływem czynników pogodowych i erozją(...) czytam dalej »


Elektryku, sprawdź, co zyskasz dołączając do Programu »

Badania kabli wysokiego napięcia - zobacz video »

Punkty same trafiają na Twoje konto, a Ty wygrywasz nagrody i uzyskujesz dostęp do wartościowych szkoleń. czytam dalej » Wiele firm zajmujących się budową linii kablowych nie posiada sprzętu do wykonania badań odbiorczych i badań po-naprawczych. Powód jest prosty...(...) czytam dalej »

Czego potrzebujesz, by zapewnić ochronę instalacji elektrycznych?

Przekaźniki priorytetowe stosujemy wtedy, gdy w obwód prądowy podłączone są minimum dwa odbiorniki dużej mocy mogące(...) czytam dalej »


Jakie są rodzaje liczników energii elektrycznej?

Tworzenie innowacyjnych i niezawodnych produktów oraz świadczenie usług z zakresu automatyzacji przemysłu oraz zarządzania energią jest misją... czytam dalej »


Jak sprawdzić gdzie mogą nastąpić awarie w urządzeniach elektrycznych»

Zintegrowane usługi materiałowe dla instalatorów »

Diagnozowanie urządzeń elektrycznych Produkty dla elektryków
Wykrycie elementu przegrzanego i prawidłowa klasyfikacja zagrożenia w zależności od obciążenia prądowego i przyrostu temperatury – to typowe zadania ... czytam dalej » Usługi materiałowe dla instalatorów  - poznaj zalety tego rozwiązania, zawsze masz dostęp do najnowszych jakościowo produktów i materiałów, możesz proponować swoim klientom konkurencyjne ceny, (...) czytam dalej »

Darmowy ebook “Sterowniki PLC, enkodery, pulpity sterownicze”»
ebook Sterowniki PLC i enkodery

Każdy nowo powstały obiekt nie może istnieć bez punktów rozdzielczych, które w związku z rozwojem (...) czytam dalej »


Sondy pomiarowe - jakie wybrać?

Prąd budowlany, czyli skąd czerpać energię elektryczną na czas budowy domu»

Sondy pomiarowe Staubli Prąd budowlany - skąd czerpać?
Na jakie parametry zwrócić uwagę i jak dokonywać pomiaru... czytam dalej » W trakcie budowy domu lub innej inwestycji wiele prac nie da się wykonać bez dostępu do energii elektrycznej (...) czytam dalej »

Szynoprzewody - zalety i opłacalność ich stosowania »
Szynoprzewody zalety i wady

System prawny w prawodawstwie polskim porządkuje ważność aktów prawnych w następujący sposób: konstytucja, ratyfikowane umowy... czytam dalej »

Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
6/2018

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 6/2018
W miesięczniku m.in.:
  • - Zasilacze UPS w układach zasilania urządzeń elektromedycznych
  • - Oszczędność kosztów dla przedsiębiorstwa przemysłowego na podstawie analizy faktur zakupowych za media energetyczne
Zobacz szczegóły
Jak zwiększyć niezawodność instalacji elektrycznej?

Jak zwiększyć niezawodność instalacji elektrycznej?

Instalacja elektryczna znajduje się w każdym budynku i jest częścią układu niskiego napięcia. Powinna być wykonana z niezwykłą starannością oraz dokładnością. Co...
ELEKTROMETAL ELEKTROMETAL
PRODUKCJA - DYSTRYBUCJA - SERWIS przeciwwybuchowych i przemysłowych opraw oświetleniowych przeciwwybuchowych puszek rozgałęźnych,...
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl