Tehnoredactare: Conf.dr.ing. Mihai Prof.dr.ing. Radu VELICU ef lucr.dr.ing. PREFAȚĂ Prezenta lucrare își propune să prezinte aspecte teoretice și… [308921]

LATEȘ

SISTEME EOLIENE

Teorie și Practică

2012

Coperta: Dr. ing.

Tehnoredactare: Conf.dr.ing. Mihai

Prof.dr.ing. Radu VELICU

ef lucr.dr.ing.

[anonimizat]-[anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat].

Lucrarea este structurată pe 21 capitole. Elementele introductive și primul capitol evidențiază bazele teoretice privind sistemele eoliene; [anonimizat], urmărindu-se prezentarea graduală a acestora, de la simplu la complex.

[anonimizat], cuprinde: o primă parte în care este prezentat obiectivul aplicației și suportul teoretic al acesteia; un subcapitol în care sunt prezentate echipamentele utilizate în testări; o parte în care sunt prezentate etapele practice necesare realizării aplicației; un subcapitol de prezentare a rezultatelor; o parte finală de concluzii; o listă cu bibliografia care a stat la baza întocmirii aplicației.

[anonimizat], [anonimizat].

*

“[anonimizat]. [anonimizat].dr.ing. Mihai-[anonimizat] o [anonimizat].”

Prof.univ.dr.ing. Radu VELICU

Recenzent

“Lucrarea, o [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat].ing. [anonimizat]. [anonimizat], de asemenea, o sursă importantă de cunoștințe și pentru doctoranzii și cercetătorii din domeniul sistemelor eoliene.”

Șef lucr.univ. dr.ing. Cornel Cătălin GAVRILĂ

Recenzent

4 Sisteme Eoliene. [anonimizat]

*

[anonimizat].dr.ing. Radu Velicu și domnului șef lucr.dr.ing. [anonimizat].

[anonimizat], la realizarea prezentei lucrări: dr.ing. [anonimizat].ing. [anonimizat].ing. [anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat].

[anonimizat] (G.U.N.T. Gerä[anonimizat]üttel, Deutschland) und an Herrn Holger Kunsch ([anonimizat], Deutschland) aus, für die gute Zusammenarbeit, für die Unterstü[anonimizat], für die hohe Qualität [anonimizat]ähnten Unternehmen gekauft worden ist und die für [anonimizat], benützt wurde.

*

Editarea și tipărirea prezentei lucrări a fost posibilă prin finanțarea realizată parțial din proiectul „Cercetări teoretice și experimentale asupra cuplajelor tripode cu contacte exterioare”, contract AT cu MEC nr. 33369/29.06.2004, cod CNCSIS 171, tema 3, director de proiect dr.ing. Mihai-Tiberiu Lateș.

Utilizarea figurilor și a informațiilor tehnice despre echipamentele prezentate în lucrare a fost realizată cu acordul firmelor de proveniență a echipamentelor – G.U.N.T. Gerätebau GmbH, IKS Photovoltaik GmbH și LP Electric Systems.

CUPRINS

PREFAȚĂ………………………………………………………………………………………………………….. 3

ELEMENTE INTRODUCTIVE…………………………………………………………………………. 9

STUDIUL FACTORILOR CARE INFLUENȚEAZĂ ALEGEREA

SISTEMELOR EOLIENE…………………………………………………………………………….. 19

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………….. 19

Elemente teoretice…………………………………………………………………………………….. 19

Aplicație………………………………………………………………………………………………….. 23

Rezultate…………………………………………………………………………………………………. 24

Concluzii…………………………………………………………………………………………………. 24

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 24

MĂSURAREA VITEZEI VÂNTULUI CU ANEMOMETRUL

CU CUPE ȘI CU ANEMOMETRUL TERMIC……………………………………………… 25

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………….. 25

Echipamente…………………………………………………………………………………………….. 26

Testări…………………………………………………………………………………………………….. 27

Rezultate…………………………………………………………………………………………………. 27

Concluzii…………………………………………………………………………………………………. 27

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 28

TRASAREA CURBEI DE PUTERE PENTRU

O TURBINĂ EOLIANĂ CU AX ORIZONTAL……………………………………………… 29

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………….. 29

Echipamente…………………………………………………………………………………………….. 30

Testări…………………………………………………………………………………………………….. 32

Rezultate…………………………………………………………………………………………………. 33

Concluzii…………………………………………………………………………………………………. 33

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 33

STUDIUL INFLUENȚEI FORMEI PALELOR TURBINEI

EOLIENE CU AX ORIZONTAL ASUPRA CURBEI DE PUTERE……………….. 35

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………….. 35

Echipamente…………………………………………………………………………………………….. 35

Testări…………………………………………………………………………………………………….. 38

Rezultate…………………………………………………………………………………………………. 39

Concluzii…………………………………………………………………………………………………. 39

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 41

STUDIUL INFLUENȚEI NUMĂRULUI PALELOR TURBINEI

EOLIENE CU AX ORIZONTAL ASUPRA CURBEI DE PUTERE……………….. 43

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………….. 43

Echipamente…………………………………………………………………………………………….. 43

Testări…………………………………………………………………………………………………….. 46

6 Sisteme Eoliene. Teorie și Practică – Cuprins

5.4. Rezultate…………………………………………………………………………………………………. 47

5.5. Concluzii…………………………………………………………………………………………………. 47

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 48

STUDIUL INFLUENȚEI UNGHIULUI DE ÎNCLINARE A PALEI

TURBINEI EOLIENE CU AX ORIZONTAL ASUPRA

49

PUTERII GENERATE…………………………………………………………………………………..

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………….. 49

Echipamente…………………………………………………………………………………………….. 49

Testări…………………………………………………………………………………………………….. 51

Rezultate…………………………………………………………………………………………………. 52

Concluzii…………………………………………………………………………………………………. 53

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 53

TRASAREA CURBEI DE PUTERE PENTRU O

TURBINĂ EOLIANĂ DE TIP SAVONIUS……………………………………………………. 55

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………….. 55

Echipamente…………………………………………………………………………………………….. 55

Testări…………………………………………………………………………………………………….. 58

Rezultate…………………………………………………………………………………………………. 59

Concluzii…………………………………………………………………………………………………. 60

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 60

STUDIUL SISTEMELOR EOLIENE IZOLATE…………………………………………… 61

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………….. 61

Echipamente…………………………………………………………………………………………….. 61

Testări…………………………………………………………………………………………………….. 64

Rezultate…………………………………………………………………………………………………. 66

Concluzii…………………………………………………………………………………………………. 66

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 67

STUDIUL ÎNCĂRCĂRII BATERIILOR UTILIZATE

ÎN SISTEMELE EOLIENE…………………………………………………………………………… 69

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………….. 69

Echipamente…………………………………………………………………………………………….. 69

Testări…………………………………………………………………………………………………….. 72

Rezultate…………………………………………………………………………………………………. 74

Concluzii…………………………………………………………………………………………………. 74

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 74

STUDIUL CARACTERISTICII CURENT – TENSIUNE

PENTRU O TURBINĂ EOLIANĂ………………………………………………………………… 75

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………… 75

Echipamente…………………………………………………………………………………………… 75

Testări…………………………………………………………………………………………………… 78

Rezultate……………………………………………………………………………………………….. 79

Concluzii……………………………………………………………………………………………….. 80

8 Sisteme Eoliene. Teorie și Practică – Cuprins

MĂSURAREA FORȚELOR DE ANTRENARE ȘI DE PORTANȚĂ

CARE ACȚIONEAZĂ ASUPRA UNUI ELEMENT

AERODINAMIC CILINDRIC………………………………………………………………………. 115

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………… 115

Echipamente…………………………………………………………………………………………… 115

Testări…………………………………………………………………………………………………… 120

Rezultate……………………………………………………………………………………………….. 121

Concluzii……………………………………………………………………………………………….. 121

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 122

STUDIUL DISTRIBUȚIEI PRESIUNII PE SUPRAFAȚA

UNUI ELEMENT AERODINAMIC CILINDRIC………………………………………….. 123

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………… 123

Echipamente…………………………………………………………………………………………… 124

Testări…………………………………………………………………………………………………… 127

Rezultate……………………………………………………………………………………………….. 128

Concluzii……………………………………………………………………………………………….. 129

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 129

STUDIUL INFLUENȚEI UNGIHULUI DE ATAC ASUPRA DISTRIBUȚIEI

PRESIUNII PE SECȚIUNEA TRANSVERSALĂ A PALEI

UNEI TURBINE EOLIENE………………………………………………………………………….. 131

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………… 131

Echipamente…………………………………………………………………………………………… 131

Testări…………………………………………………………………………………………………… 136

Rezultate……………………………………………………………………………………………….. 137

Concluzii……………………………………………………………………………………………….. 137

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 142

STUDIUL CURGERII AERULUI PE SUPRAFEȚE PLANE…………………………. 143

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………… 143

Echipamente…………………………………………………………………………………………… 144

Testări…………………………………………………………………………………………………… 147

Rezultate……………………………………………………………………………………………….. 151

Concluzii……………………………………………………………………………………………….. 151

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 152

STUDIUL PUTERII GENERATE DE O TURBINĂ

EOLIANĂ DE TIP ELE – 1kW……………………………………………………………………… 153

Obiectivul aplicației………………………………………………………………………………… 153

Echipamente…………………………………………………………………………………………… 154

Testări…………………………………………………………………………………………………… 155

Rezultate……………………………………………………………………………………………….. 156

Concluzii……………………………………………………………………………………………….. 156

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………. 156

ELEMENTE INTRODUCTIVE

Utilizarea sistemelor eoliene cunoaște o dezvoltare deosebită începând cu Protocolul de la

Kyoto referitor la reducerea

poluării. În anul 1997, 161 de țări au semnat un acord prin care se impunea ca până în anul 2012 să se reducă gazele cu efect de seră cu 5,2% față de nivelul din 1990. Printre măsurile adoptate pentru îndeplinirea acestui obiectiv se numără și dezvoltarea utilizării sistemelor de energie regenerabilă

– în general – și a sistemelor

Fig.1. Turbine eoliene cu ax orizontal și cu ax vertical

eoliene în special.

În anul 2007 a fost semnat de către țările membre ale Uniunii Europene un document cadru care își propune atingerea obiectivului de 20% aport a energiei regenerabile în cadrul energiei totale utilizate de către fiecare stat membru UE, până în anul 2020. Prin obiectivul impus se deschid noi orizonturi în vederea utilizării pe scară largă a sistemelor eoliene, ca și componente esențiale în utilizarea sistemelor de energii regenerabile.

Clasificarea turbinelor eoliene se realizează în funcție de o serie de

caracteristici funcționali –

constructivi prezentați, în principal, Fig.2. Acțiunea vântului în continuare.

În funcție de poziția axei de rotație a rotorului, turbinele eoliene sunt cu ax orizontal sau cu ax vertical (fig.1) [5]. Acțiunea vântului asupra rotorului turbinelor eoliene cu ax orizontal poate fi din față sau din spate (fig.2) [5].

Turbinele cu ax vertical pot fi de tip Darrieus (fig.3, a, b), Savonius (fig.3, c) sau combinate (fig.3, d).

Turbinele cu ax orizontal au rotor cu 1 pală, 2 pale, 3 pale sau mai multe pale (fig.4) [5].

Pe un singur stâlp se poate monta un rotor sau mai mulți – în acest caz rotorii se pot roti în același sens și sunt montați pe arbori în poziții diferite (fig.5, a) sau în sens contrar, fiind montați pe arbori coaxiali (fig.5, b) [5].

a b c d

Fig.3. Turbine cu ax vertical

Fig.4. Tipuri de rotor

Turbinele eoliene pot fi montate pe uscat (on-shore) sau în apă (off-shore) – fig.6 [5].

Fig.6. Turbină off-shore

a b

Fig.5. Turbină cu rotor multiplu

În funcție de puterea nominală generată, turbinele eoline sunt de putere mică (puterea nominală este mai mică de 10 kW), de putere medie (puterea nominală este între 10 kW și 100 kW) sau de putere mare (puterea nominală este mai mare de 100 kW).

Turbinele eoliene de putere mică sunt utilizate cu precădere în aplicații domestice (pentru o familie); turbinele de putere medie se utilizează pentru o comunitate mică, de câteva familii sau pentru aplicații industriale (firme mici – medii) sau economice (cabane, pensiuni); turbinele eoliene de putere mare se utilizează în cazul comunităților mari, cu implemenetare pe sol (on-shore) sau în ocean (off-shore).

Elementele componente ale unei turbine eoliene sunt prezentate în figura 7 [5]. Nacela 6, montată pe stâlpul 11, conține principalele elemente componente ale turbinei. Palele 1 sunt montate pe butucul 2. Amplificatorul de turație 3 are rolul de a mări turația necesară la generatorul

electric 9. În cazul unor viteze mari ale vântului, 6 care pot pune în pericol buna funcționare a turbinei eoliene, cuplajul cu ambreiajul electromagnetic 4, care primește comandă de la sistemul de control 7, poate întrerupe rotația palelor. În cazul supraîncălzirii, ventilatorul 8 reduce temperatura sistemului. Anemometrul 5 măsoară viteza și determină diercția vântului; sistemul de pivotare 10 orientează turbina cu rotorul perpendicular pe direcția de acțiune a vântului.

Energia produsă într-o perioadă de timp de către turbina eoliană depinde caracteristicile Fig.7. Componentele turbinei

constructive ale acesteia și de potențialul eolian al zonei (viteza vântului) în care turbina este instalată.

Un calcul aproximativ poate indica energia lunară produsă de o turbină [4]

D2v3

Wl  m , (1)

10

în care: Wl [kWh] reprezintă energia produsă de turbină într-o lună; D [m] – diametrul rotorului; vm [m/s] – viteza medie a vântului. Tabelul 1 prezintă, cu caracter orientativ, energia lunară produsă de turbinele eoliene, în funcție de diametrul rotorului și de viteza medie a vântului.

Tabelul 1. Energia lunară

Viteza medie lunară a vântului se calculează cu relația

n

vi ti

vm  i1n , (2)

 ti

i1

unde vi reprezintă viteza vântului pentru perioada ti. Necesarul de energie zilnică se calculează prin

n

WC Pci ti , (3)

i1

în care: ti reprezintă perioada de funcționare a consumatorului i, într-o zi, exprimată în ore; pentru o casă, necesarul de energie este între 250 kWh/lună și 300 kWh/lună.

Puterea Pci a consumatorului i, pentru unii consumatori casnici este prezentată în tabelul 2.

Tabelul 2. Putere consumatori

Necesarul de putere electrică se determină cu relația

WC . (4)

PC 

24

Randamentul invertorului (necesar pentru a transforma curentul continuu în curent alternativ) este i = 80% … 90%. În acest sens, necesarul de energie la generatorul eolian se calculează cu expresia

WG WC . (5)

i

Energia necesară a fi stocată în baterii se determină cu relația

n

Wb UIi ti , (6)

i1

unde: U reprezintă tensiunea; Ii – intensitatea curentului electric în perioada ti. Se recomandă utilizarea bateriilor de 12 V pentru un necesar de energie mai mic de 150 kWh/lună, 24 V sau 48 V pentru un necesar de energie între 150 kWh/lună și 700 kWh/lună și baterii de 48 V pentru un necesar de energie mai mare de 700 kWh/lună. Valori ridicate ale tensiunii se aleg în cazul conectării cu cabluri lungi, pentru a reduce pierderile.

Cantitatea de curent furnizată de generator se determină cu relația

CG WG 1S , (7)

U

unde S = 20% … 25% reprezintă pierderile în sistem (baterii, controler, cabluri).

Pentru dimensionarea bateriilor se ține seama de numărul de zile z în care viteza vântului este sub valoarea la care turbina eoliană dezvoltă puterea nominală; pentru siguranță în exploatare se recomandă ca bateriile să funcționeze la o capacitate de 80%. Cantitatea de curent necesară a fi stocată în baterii se determină cu relația

CB  CG z , (8)

0,8

Numărul minim de baterii, montate în serie, se calculează prin

nb  CB , (9)

Cb

unde Cb este cantitatea de curent care poate fi stocată într-o baterie, măsurată în Ah. Cantitatea de curent care poate fi stocată într-o baterie se determină cu relația

Ezz , (10)

Cb  DU

în care: Ez reprezintă energia zilnică produsă, în Wh; z – numărul de zile în care generatorul eolian nu produce energie; D – gradul de descărcare al bateriilor (0,5 pentru bateriile utilizate la automobile; 0,8 pentru bateriile din sistemele fotovoltaice; 1 pentru bateriile Nichel Cadmiu).

Puterea turbinei eoliene Pt se alege mai mare decât puterea necesară PC. Ținând seama de tensiunea Ut la care lucrează generatorul eolian și de numărul de ore tt în care viteza vântului asigură generarea puterii nominale, se determină cantitatea de curent care poate fi furnizată de o turbină

Ct  Pt tt . (11)

Ut

Numărul de turbine eoliene conectate în paralel, necesare pentru a furniza energia dorită, se calculează prin

nt CB . (12)

Ct

Puterea invertorului se determină prin

Pi 1,35PC . (13)

Tabelul 3 se prezintă o aplicație pentru calculul necesarului de energie.

Pentru alegerea sistemului eolian se ține seama de următoarele aspecte:

se studiază datele meteo referitoare la viteza și direcția vântului, în locația unde urmează să fie instalată turbina eoliană (se calculează viteza medie a vântului pentru fiecare lună a anului; se identifică lunile cu viteza vântului redusă și, în acest sens, se dimensionează bateriile cu capacitate de stocare adecvată perioadei de inactivitate a generatorului eolian; calculele de rezistență se realizează pentru valorile maxime posibile ale vântului);

potențialul eolian se calculează ținând seama de viteza medie lunară a vântului (v. rel (1));

se compară energia lunară necesară (incluzând pierderile în sistem) cu potențialul eolian; se identifică tipul de turbină eoliană adecvată;

Tabelul 3. Necesarul de energie

se dimensionează bateriile considerând o perioadă de o săptămână de inactivitate a generatorului eolian; se pot lua în considerare și surse alternative de energie (panouri fotovoltaice, generator diesel electric, sistem micro-hidro).

Tabelul 4 prezintă energia estimată a fi produsă de o turbină eoliană de tip ELE – 1 kW cu diametrul rotorului de 3,1m, în cazul a două situații de viteză medie a vântului: 3 m/s și 5 m/s.

Tabelul 4. Energia produsă de o turbină eoliană de tip ELE – 1 kW

În cazul unei producții de energie insuficientă se pot utilize mai multe sisteme eoliene sau un sistem hibrid (compus din turbină eoliană și panouri fotovoltaice sau generator diesel electric sau sistem micro-hidro).

Puterea generată de o turbină eoliană depinde de viteza vântului, conform relației [2, 4]

P 0.5v3 ACp , (14)

în care:  reprezintă densitatea aerului (=1.2255 kg/m3 la nivelul mării); v – viteza vântului; A – aria rotorului turbinei; Cp – coeficientul de putere [2, 4]

Putere, kW

Cp me a, (15)

unde: m reprezintă randamentul transmisiei mecanice (m=0.95 … 0.97); e – radamentul componentelor electrice (e=0.97 … 0.98); a – eficiența aerodinamică (depinde de caracteristicile zonei în care se realizează măsurătorile

Viteza vântului, m/s

și are valoarea teoretică maximă

Fig.8. Curba de putere a=0.59, stabilită de Betz).

Viteza vântului este un parametru care influențează în mod hotărâtor alegerea turbinei eoliene ținând seama de influența vitezei vântului asupra curbei de putere a turbinei (fig.8). În alegerea turbinei eoliene trebuie să se țină seama de viteza vântului la care aceasta începe să genereze puterea nominală (“nominal wind speed” – 12 m/s – fig.8) și de viteza vântului la care aceasta începe să funcționeze (“cut-in wind speed” – 3 m/s – fig.8).

Identificarea celor doi parametri se realizează prin studiul bazei de date referitoare la viteza vântului (această bază de date poate fi realizată de către utilizator sau firme specializate prin măsurători sau prin cumpărarea bazelor de date de la instituțiile specializate – Administrația Națională de Meteorologie – ANM).

Variația coeficientului de putere Cp este prezentată în figura 9, în funcție de parametrul 

(raportul dintre viteza rotorului și viteza vântului), pentru tipurile principale de rotor [2].

Fig.9. Variația coeficientului de putere

Bibliografie

Bârsan, L., Bârsan, A., Boloș, C., Lateș, M. T. Ecodesign în contextul dezvoltării durabile. Brașov, Editura Universității Transilvania, 2009.

Bostan, I. ș.a. Sisteme de conversie a energiilor regenerabile. Editura Tehnica-Info, Chișinău, 2007.

Hansen, M. O. L. Aerodynamics of Wind Turbines. 2nd Edition. Earthscan Publishing House, London, 2008.

Khennas, S., Dunnett, S., Piggott, H. Small Wind Sytems for Rural Energy Services. Practical Action Publishing, India, 2008.

Vișa, I., Duță, A. Sustainable Energy. Brașov, Editura Universității Transilvania, 2008.

Aplicația 1

STUDIUL FACTORILOR CARE INFLUENȚEAZĂ ALEGEREA

SISTEMELOR EOLIENE

1.1. Obiectivul aplicației

Alegerea sistemelor eoliene este un proces complex influențat de parametrii care influnețează funcționarea acestora: datele meteo (viteza și direcția vântului); necesarul de energie; mentenanță; locație; costurile de implementare și de mentenanță.

Aplicația își propune să realizeze studiul factorilor (potențial eolian, necesar de energie, tensiune de lucru) care influențează funcționarea sistemelor eoliene și alegerea, în funcție de acești factori, a unui sistem eolian cu destinație concretă.

1.2. Elemente teoretice

Viteza vântului este un parametru care influențează în mod hotărâtor alegerea turbinei eoliene ținând seama de influența vitezei vântului asupra curbei de putere a turbinei (fig.1.1). În alegerea turbinei eoliene trebuie să se țină seama de viteza vântului la care aceasta începe să genereze puterea nominală (“nominal wind speed” – 12 m/s – fig.1.1) și de viteza vântului la care aceasta începe să

funcționeze (“cut-in wind speed” – 3 m/s

realizează prin studiul bazei de date

referitoare la viteza vântului (această bază de date poate fi realizată de către utilizator sau firme specializate prin măsurători sau prin cumpărarea bazelor de date de la instituțiile specializate – Administrația Națională de Meteorologie – ANM).

Pe site-ul ANM (www.meteoromania.ro) există baze de date lunare, referitoare la viteza vântului, disponibile pentru diferite stații meteo din țară (fig.1.2); prin parcurgerea secțiunii grafice se accesează baza de date on-line. Din listă, se selectează stația meteo, se alege data pentru luna în care se generează baza de date și apoi se selectează graficul dorit – Synop – Viteza vântului (fig.1.3). Graficul indică variația lunară a vitezei medii, minime și maxime a vântului pentru stația meteorologică Miercurea Ciuc (fig.1.4). Viteza medie lunară se calculează cu relația

n

vi ti

vm  i1n , (1.1)

 ti

i1

unde vi reprezintă viteza vântului pentru perioada ti.

Fig.1.2. Accesarea bazei de date ANM

Fig.1.3. Selectarea graficului dorit

Fig.1.4. Viteza vântului la Miercurea Ciuc

Necesarul de energie zilnică se calculează prin

n

WC Pci ti , (1.2)

i1

Mihai Tiberiu LATEȘ 21

în care: ti reprezintă perioada de funcționare a consumatorului i, într-o zi, exprimată în ore; pentru o casă, necesarul de energie este între 250 kWh/lună și 300 kWh/lună.

Puterea Pci a consumatorului i, pentru unii consumatori casnici este prezentată în tabelul 2.

Tabelul 2. Putere consumatori

Necesarul de putere electrică se determină cu relația

WC . (1.3)

PC 

24

Randamentul invertorului (necesar pentru a transforma curentul continuu în curent alternativ) este i = 80% … 90%. În acest sens, necesarul de energie la generatorul eolian se calculează cu expresia

WG WC . (1.4)

i

Energia necesară a fi stocată în baterii se determină cu relația

n

Wb UIi ti , (1.5)

i1

unde: U reprezintă tensiunea; Ii – intensitatea curentului electric în perioada ti. Se recomandă utilizarea bateriilor de 12 V pentru un necesar de energie mai mic de 150 kWh/lună, 24 V sau 48 V pentru un necesar de energie între 150 kWh/lună și 700 kWh/lună și baterii de 48 V pentru un necesar de energie mai mare de 700 kWh/lună. Valori ridicate ale tensiunii se aleg în cazul conecticii cu cabluri lungi, pentru a reduce pierderile.

Cantitatea de curent furnizată de generator se determină cu relația

CG WG 1S, (1.6)

U

unde S = 20% … 25% reprezintă pierderile în sistem (baterii, controler, cabluri).

Pentru dimensionarea bateriilor se ține seama de numărul de zile z în care viteza vântului este sub valoarea la care turbina eoliană dezvoltă puterea nominală; pentru siguranță în exploatare se recomandă ca bateriile să funcționeze la o capacitate de 80%. Cantitatea de curent necesară a fi stocată în baterii se determină cu relația

CB  CG z , (1.7)

0,8

Numărul minim de baterii, montate în serie, se calculează prin

nb  CB , (1.8)

Cb

unde Cb este cantitatea de curent care poate fi stocată într-o baterie.

Cantitatea de curent care poate fi stocată într-o baterie se determină cu relația

Cb  EzN , (1.9)

DU

în care: Ez reprezintă energia zilnică produsă, în Wh; N – numărul de zile în care generatorul eolian nu produce energie; D – gradul de descărcare al bateriilor (0,5 pentru bateriile utilizate la automobile; 0,8 pentru bateriile din sistemele fotovoltaice; 1 pentru bateriile Nichel Cadmiu).

Puterea turbinei eoliene Pt se alege mai mare decât puterea necesară PC. Ținând seama de tensiunea Ut la care lucrează generatorul eolian și de numărul de ore tt în care viteza vântului asigură generarea puterii nominale, se determină cantitatea de curent care poate fi furnizată de o turbină

Ct  Pt tt . (1.10)

Ut

Numărul de turbine eoliene conectate în paralel, necesare pentru a furniza energia dorită, se calculează prin

nt  CB . (1.11)

Ct

Puterea invertorului se determină prin

Mihai Tiberiu LATEȘ 23

Pi 1,35PC . (1.12)

1.3. Aplicație

Alegerea și dimensionarea sistemului eolian se face prin parcurgerea următoarelor etape:

de pe site-ul ANM se generează bazele de date ale vitezei vântului pentru diferite locații ale stațiilor meteo corespunzătoare zonelor de instalare a sistemelor eoliene;

Tabelul 1.2. Rezultate calcule

cu relația (1.1) se calculează valoarea vitezei medii;

cu relația (1.2) se calculează necesarul de energie zilnică;

prin alegerea consumatorilor, necesarul de putere electrică se calculează cu relația (1.3);

prin relațiile (1.4) … (1.7) se calculează cantitatea de curent necesară a fi stocată în baterii;

cu relația (1.8) se determină numărul de baterii;

se alege turbina eoliană (pagini web);

prin relația (1.9) se determină cantitatea de curent care poate fi stocată în baterii;

prin relațiile (1.10) și (1.11) se determină numărul de sisteme eoliene; – puterea invertorului se determină cu relația (1.12);

se identifică prețurile componentelor principale.

1.4. Rezultate

Rezultatele calculelor se scriu în tabelul 1.2.

1.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la:

influența locației asupra tipului de turbine eoliene alese; – influența consumatorilor asupra tipului de turbine eoliene alese;

costurile necesare achiziționării unui sistem eolian.

Bibliografie

www.gunt.de

www.iks-photovoltaik.de

www.meteoromania.ro 4. www.lpelectric.ro

Aplicația 2

MĂSURAREA VITEZEI VÂNTULUI CU ANEMOMETRUL CU CUPE ȘI CU ANEMOMETRUL TERMIC

2.1. Obiectivul aplicației

Efectele mișcării aerului se materializează prin presiunea exercitată asupra obiectelor situate în direcția de propagare a vântului rezultatele fiind, după caz, benefice sau distructive. Scara Beaufort (tabelul 2.1) indică, în acest sens, descrierea fenomenelor meteo produse de vânt, în funcție de valoarea vitezei acestuia.

Tabelul 2.1. Scara Beaufort

Măsurarea vitezei vântului se realizează cu anemomentrul; în funcție de tipul senzorului care realizează măsurarea vitezei vântului, anemometrul este cu cupe (fig.2.1 – senzorul este un tahogenerator care măsoară tensiunea electrică în funcție de viteza de rotație a arborelui principal pe care sunt montate cupe) sau anemometrul termic (fig.2.2 – senzorul este de tip Sisteme Eoliene. A2

marcă tensometrică care măsoară tensiunea electrică în funcție de deformația la încovoiere a elementului senzorial, sub acțiunea vântului).

Puterea generată de o turbină eoliană depinde de viteza vântului, conform relației

P 0.5v3 ACp , (2.1)

în care:  reprezintă densitatea aerului (=1.2255 kg/m3 la nivelul mării); v – viteza vântului; A – aria rotorului turbinei; Cp – coeficientul de putere

unde: m reprezintă randamentul transmisiei mecanice (m=0.95 … 0.97); e – radamentul

componentelor electrice (e=0.97 … 0.98); a – eficiența aerodinamică (depinde de caracteristicile zonei în care se realizează măsurătorile și are valoarea maximă a=0.38).

Aplicația își propune să realizeze măsurători ale vitezei vântului cu

anemometrul termic și, respectiv, cu cel cu Fig.2.2. Anemometrul termic cupe.

2.2. Echipamente

Măsurarea vitezei vântului se realizează cu anemometrul cu cupe (fig.2.3) și, respectiv, cu anemometrul termic (fig.2.4).

Anemometrul cu cupe conține [3]: A – buton on/off; B

– buton de selectare a unității de măsură; C – afișare unitate de măsură (KM/H – km/h, KTS – noduri, M/S – m/s, MP/H – m/h); D – afișare viteză a

vântului instantanee; E – afișare

Fig.2.3. Anemometrul cu cupe [3] maxim al vitezei vântului de la

Mihai Tiberiu LATEȘ 27

comutarea “on”; F – afișare viteză medie a vântului de la comutarea “on”; G – MX (valoarea maximă), AV (valoare medie); H – afișare nivel scară Beaufort; I – compartiment baterie; K – gaură filetată pentru fixare pe stand.

Anemometrul termic are următoarele facilități: 1 – sensor de tip marcă tensometrică; 2 – buton on; 3 – buton off; 4 – buton de luminare a ecranului; 5 – buton de calcul a valorii medii măsurate; 6 – setare a unității de măsură; 7 – buton de calibrare; 8 – buton de memorare; 9 – buton de ștergere a valorii memorate; 10 – buton de afișare a valorii minime, maxime, medii măsurate de la activarea butonului “on”; 11 – buton de afișare a temperaturii măsurate; 12 – buton de afișare a vitezei vântului măsurate; 13 – buton derulare jos; 14 – buton derulare sus; 15 – afișare valoare temperatură măsurată; 16 – afișare viteză a vântului măsurată.

2.3. Testări

Măsurarea vitezei vântului se

realizează cu anemometrul cu

cupe și, respectiv, cu cel termic în

Fig.2.4. Anemometrul termic

diferite locații.

Pentru anemometrul cu cupe:

se apasă butonul A;

se selectează unitatea de măsură M/S de la butonul B;

se citesc măsurătorile pentru diverse locații. Pentru anemometrul termic:

se apasă butonul 2 on;

se apasă butonul 7 pentru calibrarea la zero;

se setează unitatea de măsură de la butonul 6 în m/s;

se citesc măsurătorile în aceleași locații, în timpul măsurării cu anemometrul cu cupe.

2.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor se scriu în tabelul 2.2.

Se identifică viteza maximă a vântului vmax, cea minimă vmin și cea medie vmed pentru cele două seturi de măsurători. Se determină raportul vitezelor vmax/vmin și al puterilor unui sistem eolian Pmax/Pmin. Rezultatele se scriu în tabelul 2.3.

2.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la:

diferențele de măsurare în cazul utilizării celor două tipuri de anemometre;

Sisteme Eoliene. A2

influența locației de măsurare asupra vitezei vântului;

– creșterea puterii unui sistem eolian în cazul creșterii vitezei vântului de la vmax la vmin.

Tabelul 2.2. Valori viteză a vântului

Tabelul 2.3. Creșterea puterii generate

Bibliografie

1. www.gunt.de

www.iks-photovoltaik.de

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Instructions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Solutions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Aplicația 3

TRASAREA CURBEI DE PUTERE PENTRU O TURBINĂ EOLIANĂ CU AX ORIZONTAL

3.1. Obiectivul aplicației

Caracteristica principală a unei turbine eoliene o reprezintă curba de putere, exprimată grafic prin depenedența dintre viteza vântului care acționează asupra rotorului turbinei și puterea electrică generată de către turbina eoliană. Prin trasarea curbei de putere se pot identifica parametrii specifici turbinei: viteza de pornire a turbinei (start-up wind speed – viteza vântului la care rotorul începe să se rotească); viteza de pornire a generatoruluiu eolian (cut-in wind speed – viteza vântului la care turbina începe să genereze curent electric); viteza nominală a turbinei eoliene (nominal wind speed – viteza vântului la care turbina generează puterea electrică nominală); viteza de oprire a generatorului eolian (cut-out wind speed – viteza vântului de la care rotorul turbinei se oprește).

Puterea generată de o turbină eoliană depinde de viteza vântului, conform relației

P 0.5v3ACp , (3.1)

în care:  reprezintă densitatea aerului (=1.2255 kg/m3 la nivelul mării); v – viteza vântului; A – aria rotorului turbinei; Cp – coeficientul de putere

Cp me a, (3.2)

unde: m reprezintă randamentul transmisiei mecanice (m=0.95 … 0.97); e – radamentul componentelor electrice (e=0.97 … 0.98); a – eficiența aerodinamică (depinde de caracteristicile zonei în care se realizează măsurătorile și are valoarea maximă a=0.38). Puterea electrică generată de către turbină se exprimă prin

PU I , (3.3)

unde U reprezintă tensiunea electrică iar I intensitatea curentului electric.

Aplicația își propune să realizeze trasarea curbei de putere teoretice și experimentale a unei turbine eoliene cu ax orizontal.

3.2. Echipamente

Generarea vântului se realizează cu ventilatorul din fig.3.1 [2]; A reprezintă zona de absorbție a aerului; B – zona de exhaustare a aerului; C – mufa de conectare la cablu de curent; D – comutator de selectare a vitezei aerului exhaustat. Etalonarea ventilatorului se realizează prin identificarea corespondenței dintre poziția comutatorului D și viteza aerului în dreptul rotorului turbinei eoliene. Viteza aerului se măsoară cu ajutorul anemometrului cu cupe (fig.3.2).

Anemometrul cu cupe conține [2]: A – buton on/off; B – buton de selectare a unității de măsură; C – afișare unitate de măsură (KM/H – km/h, KTS – noduri, M/S – m/s, MP/H – m/h); D – afișare

viteză a vântului

Fig.3.1. Ventilatorul instantanee; E –

afișare maxim al

vitezei vântului de la comutarea “on”; F – afișare viteză medie a vântului de la comutarea

Fig.3.2. Anemometrul cu cupe “on”; G – MX (valoarea maximă), AV (valoare medie); H – afișare nivel scară Beaufort; I – compartiment baterie; K – gaură filetată pentru fixarea pe suportul A.

Sistemul eolian cu ax orizontal (fig.3.3) conține [2]: un butuc A pe care se pot monta 2, 3 sau 4 pale în locașul B; mufe de conectare C la generator și tahogenerator; știfturi filetate de fixare a palelor D; E – G găuri de poziționare a generatorului eolian pe placa de bază.

Ecranul de protecție (fig.3.4)

[2] conține scala gradată A de

[2]

reglare a unghiului de înclinare a

Mihai Tiberiu LATEȘ 31

palelor turbinei și magneții B pentru fixarea pe placa de bază.

Multimetrul (fig.3.5) conține [2]: un ecran de vizualizare a mărimilor măsurate A; B comutator de selectare a mărimilor măsurate – cablurile de legătură se deconectează înainte de poziționarea comutatorului (OFF – multimetru oprit; AVC – măsurare tensiune curent alternativ prin conectare la mufele D și E; DCA – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele D și E; 10A – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele C și E – max. 10 A, conexiune fără siguranță fuzibilă; OHM – măsurare rezistență electrică prin conectare la mufele D și E; DCV – măsurare tensiune curent continuu prin conectare la mufele D și E; C – mufă + conexiune cablu 10 A curent continuu; D – mufă + conexiune cablu V /  / mA; E – mufă – conexiune cablu.

Fig.3.3. Sistemul eolian cu ax orizontal

Fig.3.4. Ecranul de protecție Fig.3.5. Multimetrul Fig.3.6. Sarcina

Sarcina (fig.3.6) [2] reprezintă o încărcare cu rezistența electrică de 100  și puterea maximă de 2 W și are în componență: A – conexiunea generatorului; B – conexiunea multimetrului pentru măsurarea tensiunii; C – conexiunea multimetrului pentru măsurarea intensității curentului; D – buton rotativ pentru creșterea rezistenței.

Placa de bază (figura 3.7) conține [2]: cavitatea A pentru montarea ventilatorului; știfturile B pentru fixarea sistemului eolian; canalele C pentru montarea ecranului de protecție; canalul

D pentru fixarea ecranului obturator;

Fig.3.7. Placa de bază zona E pentru montarea modulelor

experimentale și a instrumentelor de

măsură; butonul F de fixare a firelor elastice de susținere a manualelor de utilizare; fanta G de fixare a plăcii de bază în geamantan.

3.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se construiește standul din figura 3.8 ținând seama de următoarele aspecte:

Fig.3.8. Standul de testări [2]

măsurarea tensiunii curentului generat de sistemul eolian se realizează prin intermediul unui multimetru utilizat ca și voltmetru prin fixarea comutatorului acestuia pe poziția DCV 20 V;

Mihai Tiberiu LATEȘ 33

măsurarea intensității curentului generat de sistemul eolian se realizează prin intermediul unui multimetru utilizat ca și ampermetru prin fixarea comutatorului acestuia pe poziția DCA 200 mA;

viteza vântului este reglată prin fixarea succesivă a poziției comutatorului D al ventilatorului de la poziția 0 la poziția 10;

măsurarea vitezei vântului, pentru fiecare poziție, se realizează prin intermediul anemometrului cu cupe montat pe placa de bază în locul generatorului eolian (fig.3.9); rezultatele se trec în tabelul 3.1;

prin montarea sistemului eolian și conectarea sistemelor de măsură se realizează măsurarea tensiunii și intensității curentului pentru fiecare poziție a comutatorului ventilatorului (fig.3.10). Parametrii necesari testărilor sunt: numărul de pale – 3; forma palelor – dreaptă; unghiul de înclinare a palelor – 45o; viteza vântului – corespunzătoare poziției comutatorului ventilatorului de la 0 la 10; rezistența electrică a sarcinii – 50 .

Fig. 3.9. Standul cu anemometru cu cupe Fig.3.10. Standul cu sistemul eolian

3.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor se scriu în tabelul 3.1.

Se calculează puterea generată experimentală cu relația (3.3) și cea teoretică cu relația (3.1). Se trasează pe același grafic, curbele de putere, teoretică și experimentală și se identifică viteza de pornire a generatorului eolian și cea de pornire a turbinei.

3.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la:

diferențele dintre caracteristica de putere teoretică și cea experimentală;

viteza de pornire a generatorului eolian și cea de pornire a turbinei.

Bibliografie

1. www.iks-photovoltaik.de

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Instructions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Solutions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Tabelul 3.1. Rezultatele măsurătorilor

Aplicația 4

STUDIUL INFLUENȚEI FORMEI PALELOR TURBINEI EOLIENE CU AX ORIZONTAL ASUPRA CURBEI DE PUTERE

4.1. Obiectivul aplicației

Puterea generată de o turbină eoliană depinde de capacitatea rotorului de a prelua o cantitate cât mai mare de energie din energia vântului; această capacitate depinde, în mod direct, de forma palelor (figura 4.1 prezintă curgerea aerului pe secțiunea transversală a palei). Momentul motor la rotor și viteza de pornire (cut-in wind speed) depind de valaorea presiunii care acționează asupra palei rotorului; la aceeași viteză a vântului, presiunea este influențată de

forma secțiunii transversale a palei, care

poate să fie asimetrică (fig.4.2 – a, b, c)

sau simetrică (fig.4.2 – d). Fig.4.1. Curgerea aerului pe suprafața palei

Puterea electrică generată de către turbină se exprimă

prin

PU I , (4.1)

unde U reprezintă tensiunea electrică iar I intensitatea curentului electric.

Aplicația își propune să realizeze trasarea curbei de putere experimentale a unei turbine eoliene cu ax orizontal, pentru pale drepte și curbe – concave și convexe.

4.2. Echipamente

Fig.4.2. Forme ale secțiunii Generarea vântului se realizează cu ventilatorul din transversale a palei

fig.4.3 [2]; A reprezintă zona de absorbție a aerului; B – zona de exhaustare a aerului; C – mufa de conectare la cablu de curent; D – comutator de selectare a vitezei aerului exhaustat. Etalonarea ventilatorului se realizează prin identificarea corespondenței dintre poziția comutatorului D și viteza aerului în dreptul rotorului turbinei eoliene. Viteza aerului se măsoară cu ajutorul anemometrului cu cupe (fig.4.4).

Anemometrul cu cupe conține [2]: A – buton on/off; B – buton de selectare a unității de măsură; C – afișare unitate de măsură (KM/H – km/h, KTS – noduri, M/S – m/s, MP/H –

m/h); D – afișare viteză a vântului instantanee; E – afișare maxim al vitezei vântului de la comutarea “on”; F – afișare viteză medie a vântului de la comutarea “on”; G – MX (valoarea

maximă), AV

(valoare medie); H – afișare nivel scară

Beaufort; I – compartiment baterie; K – gaură filetată pentru fixarea pe suportul A.

Sistemul eolian cu ax orizontal

(fig.4.5) conține [2]:

Fig.4.3. Ventilatorul un butuc A pe care se

montează palele (fig.4.6) în locașul B; mufe de conectare C la generator și tahogenerator; știfturi filetate de fixare a palelor D; E – G găuri de poziționare a generatorului eolian pe placa de bază.

Ecranul de protecție (fig.4.7) [2] conține scala gradată A de reglare a unghiului de înclinare a palelor turbinei și magneții B pentru fixarea pe placa de bază. Multimetrul (fig.4.8) conține

[2]: un ecran de vizualizare a mărimilor măsurate A; B comutator de selectare a

mărimilor măsurate – cablurile

de legătură se deconectează înainte de poziționarea comutatorului (OFF – multimetru oprit; AVC –

măsurare tensiune curent

intensitate curent continuu prin conectare la mufele D și E; 10A – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele C și E – max. 10 A, conexiune fără siguranță fuzibilă; OHM – măsurare rezistență electrică prin conectare la mufele D și E; DCV – măsurare tensiune curent continuu prin conectare la mufele D și E; C – mufă + conexiune cablu 10 A curent continuu; D – mufă + conexiune cablu V /  / mA; E – mufă – conexiune cablu.

Fig.4.5. Sistemul eolian cu ax orizontal

Fig.4.6. Palele drepte și curbe [2]

Fig.4.7. Ecranul de protecție Fig.4.8. Multimetrul Fig.4.9. Sarcina

Sarcina (fig.4.9) [2] reprezintă o încărcare cu rezistența electrică de 100  și puterea maximă de 2 W și are în componență: A – conexiunea generatorului; B – conexiunea multimetrului pentru măsurarea tensiunii; C – conexiunea multimetrului pentru măsurarea intensității curentului; D – buton rotativ pentru creșterea rezistenței.

Placa de bază (fig.4.10) conține [2]: cavitatea A pentru montarea ventilatorului; știfturile B pentru fixarea sistemului eolian; canalele C pentru montarea ecranului de protecție; canalul D pentru fixarea ecranului obturator; zona E pentru montarea

modulelor experimentale și a instrumentelor de măsură; butonul F de fixare a firelor elastice de susținere a manualelor de utilizare; fanta G de fixare a plăcii de bază în geamantan.

4.3. Testări

Fig.4.10. Placa de bază

Pentru realizarea testărilor se

construiește standul din figura 4.11 ținând seama de următoarele aspecte:

măsurarea tensiunii curentului generat de sistemul eolian se realizează prin intermediul unui multimetru utilizat ca și voltmetru prin fixarea comutatorului acestuia pe poziția DCV 20 V;

măsurarea intensității curentului generat de sistemul eolian se realizează prin intermediul unui multimetru utilizat ca și ampermetru prin fixarea comutatorului acestuia pe poziția DCA 200 mA;

Fig.4.11. Standul de testări [2]

viteza vântului este reglată prin fixarea succesivă a poziției comutatorului D al

ventilatorului de la poziția 0 la poziția 10;

Fig.4.12. Standul cu anemometru cu cupe Fig.4.13. Standul cu sistemul eolian

măsurarea vitezei vântului, pentru fiecare poziție, se realizează prin intermediul anemometrului cu cupe montat pe placa de bază în locul generatorului eolian

(fig.4.12); rezultatele se trec în tabelele 4.1, 4.2 și 4.3;

prin montarea sistemului eolian și conectarea sistemelor de măsură se realizează măsurarea tensiunii și intensității curentului pentru fiecare poziție a comutatorului ventilatorului (fig.4.13). Parametrii necesari testărilor sunt: numărul de pale – 3; forma palelor – dreaptă, curbă convexă și, respectiv, concavă; unghiul de înclinare a palelor – 45o; viteza vântului – corespunzătoare poziției comutatorului ventilatorului de la 0 la

10; rezistența electrică a sarcinii – 50 .

4.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor se scriu în tabelele 4.1, 4.2 și, respectiv, 4.3.

Se calculează puterea generată experimental cu relația (4.1) pentru fiecare din cele trei serii de pale (drepte, convexe și concave) și se trasează pe același grafic, curbele de putere obținute și se identifică tipul de pale care asigură valorile cele mai mari ale puterii generate și, respectiv, viteza de pornire a generatorului eolian cea mai mică.

4.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la:

diferențele dintre caracteristicile de putere pentru cele trei tipuri de pale studiate: dreaptă, concavă și convexă;

viteza de pornire a generatorului eolian pentru cele trei tipuri de pale studiate.

Tabelul 4.1. Rezultatele măsurătorilor

Tabelul 4.2. Rezultatele măsurătorilor

Tabelul 4.3. Rezultatele măsurătorilor

Bibliografie

www.iks-photovoltaik.de

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Instructions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Solutions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Aplicația 5

STUDIUL INFLUENȚEI NUMĂRULUI PALELOR TURBINEI

EOLIENE CU AX ORIZONTAL ASUPRA CURBEI DE PUTERE

5.1. Obiectivul aplicației

Puterea generată de o turbină eoliană depinde de capacitatea rotorului de a prelua o cantitate cât mai mare de energie din energia vântului; această capacitate depinde, în mod direct, și de numărul palelor rotorului.

Puterea electrică generată de către turbină se exprimă

prin

PU I , (5.1)

unde U reprezintă tensiunea electrică

iar I intensitatea

curentului electric. Fig.5.1. Ventilatorul

Aplicația își propune să realizeze trasarea curbei de putere experimentale a unei turbine eoliene cu ax orizontal, pentru cazul rotorului cu 2, 3 și, respetiv, 4 pale.

5.2. Echipamente

Generarea vântului se realizează cu ventilatorul din fig.5.1 [2]; A reprezintă zona de absorbție a aerului; B – zona de exhaustare a aerului; C – mufa de conectare la cablu de curent; D – comutator de selectare a vitezei aerului exhaustat. Etalonarea ventilatorului se realizează prin identificarea corespondenței dintre poziția comutatorului D și viteza aerului în dreptul rotorului turbinei eoliene. Viteza aerului se măsoară cu ajutorul anemometrului cu cupe (fig.5.2).

Anemometrul cu cupe conține [2]: A – buton on/off; B – buton de selectare a unității de măsură; C – afișare unitate de măsură (KM/H – km/h, KTS – noduri, M/S – m/s, MP/H – m/h); D – afișare viteză a vântului instantanee; E – afișare maxim al vitezei vântului de la comutarea “on”; F – afișare viteză medie a vântului de la comutarea “on”; G – MX (valoarea maximă), AV (valoare medie); H – afișare nivel scară Beaufort; I – compartiment baterie; K – gaură filetată pentru fixarea pe suportul A.

Sistemul eolian cu ax orizontal (fig.5.3) conține [2]: un butuc A pe care se montează palele (fig.5.4) în locașul B; mufe de conectare C la

generator și tahogenerator; știfturi filetate de fixare a palelor D; E – G găuri de poziționare a generatorului

eolian pe placa de bază.

Ecranul de protecție (fig.5.5) [2] conține scala gradată A de reglare a unghiului de înclinare a palelor turbinei și magneții B

pentru fixarea pe placa de bază.

Multimetrul (fig.5.6) conține Fig.5.2. Anemometrul cu cupe [2] [2]: un ecran de vizualizare a

mărimilor măsurate A; B comutator de selectare a mărimilor măsurate – cablurile de legătură se deconectează înainte de poziționarea comutatorului (OFF – multimetru oprit; AVC – măsurare tensiune curent alternativ prin conectare la mufele D și E; DCA – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele D și E; 10A – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele C și E – max. 10 A, conexiune fără siguranță fuzibilă;

OHM – măsurare rezistență electrică prin conectare la mufele D și E; DCV – măsurare tensiune curent continuu prin conectare la mufele D și E; C – mufă + conexiune cablu 10 A curent continuu; D – mufă + conexiune cablu V /  / mA; E – mufă – conexiune cablu.

Fig.5.3. Sistemul eolian cu ax orizontal

Mihai Tiberiu LATEȘ 45

Fig.5.4. Rotorul cu 2, 3 și 4 pale

Fig.5.5. Ecranul de protecție Fig.5.6. Multimetrul Fig.5.7. Sarcina

Sarcina (fig.5.7) [2] reprezintă o

încărcare cu rezistența electrică de 100  și puterea maximă de 2 W și are în componență: A – conexiunea generatorului; B – conexiunea multimetrului pentru măsurarea tensiunii; C – conexiunea multimetrului pentru măsurarea intensității curentului; D – buton rotativ pentru creșterea rezistenței.

Placa de bază (fig.5.8) conține [2]: cavitatea A pentru montarea ventilatorului; știfturile B pentru fixarea sistemului eolian; canalele C pentru montarea ecranului de

Fig.5.8. Placa de bază

protecție; canalul D pentru fixarea ecranului obturator; zona E pentru montarea modulelor experimentale și a instrumentelor de măsură; butonul F de fixare a firelor elastice de susținere a manualelor de utilizare; fanta G de fixare a plăcii de bază în geamantan.

5.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se construiește standul din figura 5.9 ținând seama de următoarele aspecte:

Fig.5.9. Standul de testări [2]

măsurarea tensiunii curentului generat de sistemul eolian se realizează prin intermediul unui multimetru utilizat ca și voltmetru prin fixarea comutatorului acestuia pe poziția DCV 20 V;

măsurarea intensității curentului generat de sistemul eolian se realizează prin intermediul unui multimetru utilizat ca și ampermetru prin fixarea comutatorului acestuia pe poziția DCA 200 mA;

viteza vântului este reglată prin fixarea succesivă a poziției comutatorului D al ventilatorului de la poziția 0 la poziția 10;

măsurarea vitezei vântului, pentru fiecare poziție, se realizează prin intermediul anemometrului cu cupe montat pe placa de bază în locul generatorului eolian

(fig.5.10); rezultatele se trec în tabelele 5.1, 5.2 și 5.3;

prin montarea sistemului eolian și conectarea sistemelor de măsură se realizează măsurarea tensiunii și intensității curentului pentru fiecare poziție a comutatorului ventilatorului (fig.5.11). Parametrii necesari testărilor sunt: numărul de pale – 2, 3 și, respectiv, 4; forma palelor – dreaptă; unghiul de înclinare a palelor – 45o; viteza vântului – corespunzătoare poziției comutatorului ventilatorului de la 0 la 10; rezistența electrică a sarcinii – 50 .

Mihai Tiberiu LATEȘ 47

Fig.5.10. Standul cu anemometru cu cupe Fig.5.11. Standul cu sistemul eolian

5.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor se scriu în tabelele 5.1, 5.2 și, respectiv, 5.3.

Tabelul 5.1. Rezultatele măsurătorilor

Se calculează puterea generată experimental cu relația (5.1) pentru fiecare din cele trei serii de măsurători (2, 3 și 4 pale) și se trasează pe același grafic, curbele de putere obținute și se identifică varianta de rotor care asigură valorile cele mai mari ale puterii generate și, respectiv, viteza de pornire a generatorului eolian cea mai mică.

5.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la:

– diferențele dintre caracteristicile de putere pentru cele trei serii de rotor studiate; – viteza de pornire a generatorului eolian pentru cele trei tipuri rotor.

Tabelul 5.2. Rezultatele măsurătorilor

Tabelul 5.3. Rezultatele măsurătorilor

Bibliografie

1. www.iks-photovoltaik.de

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Instructions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Solutions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Aplicația 6

STUDIUL INFLUENȚEI UNGHIULUI DE ÎNCLINARE A PALEI TURBINEI EOLIENE CU AX ORIZONTAL ASUPRA PUTERII

GENERATE

6.1. Obiectivul aplicației

Puterea generată de o turbină eoliană depinde de capacitatea rotorului de a prelua o cantitate cât mai mare de energie din energia vântului; această capacitate depinde, în mod direct, și de unghiul

de înclinare al palelor rotorului.

Puterea electrică generată de către turbină se exprimă

prin

PU I , (6.1)

unde U reprezintă

tensiunea electrică

iar I intensitatea Fig.6.1. Ventilatorul curentului electric.

Aplicația își propune să realizeze trasarea curbei variație a puterii generate de o turbină eolienă cu ax orizontal în funcție de valorile unghiului de înclinare a palei.

6.2. Echipamente

Generarea vântului se realizează cu ventilatorul din fig.6.1 [2]; A reprezintă zona de absorbție a aerului; B – zona de exhaustare a aerului; C – mufa de conectare la cablu de curent; D – comutator de selectare a vitezei aerului exhaustat. Etalonarea ventilatorului se realizează prin identificarea corespondenței dintre poziția comutatorului D și viteza aerului în dreptul rotorului turbinei eoliene. Viteza aerului se măsoară cu ajutorul anemometrului cu cupe (fig.6.2).

Anemometrul cu cupe conține [2]: A – buton on/off; B – buton de selectare a unității de măsură; C – afișare unitate de măsură (KM/H – km/h, KTS – noduri, M/S – m/s, MP/H – m/h); D – afișare viteză a vântului instantanee; E – afișare maxim al vitezei vântului de la comutarea “on”; F – afișare viteză medie a vântului de la comutarea “on”; G – MX (valoarea maximă), AV (valoare medie); H – afișare nivel scară Beaufort; I – compartiment baterie; K –

gaură filetată pentru fixarea pe suportul A.

Sistemul eolian cu ax orizontal (fig.6.3) conține [2]: un butuc A pe care se montează palele în locașul B; mufe de conectare C la generator și tahogenerator; știfturi filetate de fixare a palelor D; E – G găuri de poziționare a generatorului

eolian pe placa de bază.

Ecranul de protecție (fig.6.4) [2] conține scala gradată A de reglare a unghiului de înclinare a palelor turbinei și magneții B

pentru fixarea pe placa de bază.

Multimetrul (fig.6.5) conține Fig.6.2. Anemometrul cu cupe [2] [2]: un ecran de vizualizare a

mărimilor măsurate A; B comutator de selectare a mărimilor măsurate – cablurile de legătură se deconectează înainte de poziționarea comutatorului (OFF – multimetru oprit; AVC – măsurare tensiune curent alternativ prin conectare la mufele D și E; DCA – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele D și E; 10A – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele C și E – max. 10 A, conexiune fără siguranță fuzibilă;

OHM – măsurare rezistență electrică prin conectare la mufele D și E; DCV – măsurare tensiune curent continuu prin conectare la mufele D și E; C – mufă + conexiune cablu 10 A curent continuu; D – mufă + conexiune cablu V /  / mA; E – mufă – conexiune cablu.

Fig.6.3. Sistemul eolian cu ax orizontal

Mihai Tiberiu LATEȘ 51

Sarcina (fig.6.6) [2] reprezintă o încărcare cu rezistența electrică de 100  și puterea maximă de 2 W și are în componență: A – conexiunea generatorului; B – conexiunea multimetrului pentru măsurarea tensiunii; C – conexiunea multimetrului pentru măsurarea intensității curentului; D – buton rotativ pentru creșterea rezistenței.

Placa de bază (fig.6.7) conține [2]: cavitatea A pentru montarea ventilatorului; știfturile B pentru fixarea sistemului eolian; canalele C pentru montarea ecranului de protecție; canalul D pentru fixarea ecranului obturator; zona E pentru montarea modulelor experimentale și a instrumentelor de măsură; butonul F de fixare a firelor elastice de susținere a manualelor de utilizare; fanta G de fixare a plăcii de bază în geamantan.

Fig.6.4. Ecranul de protecție Fig.6.5. Multimetrul Fig.6.6. Sarcina

6.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se construiește standul din figura 6.8 ținând seama de următoarele aspecte:

măsurarea tensiunii curentului generat de sistemul eolian se realizează prin intermediul unui multimetru utilizat ca și voltmetru prin fixarea comutatorului acestuia pe poziția DCV 20 V;

măsurarea intensității curentului

generat de sistemul eolian se realizează prin intermediul unui

multimetru utilizat ca și Fig.6.7. Placa de bază ampermetru prin fixarea comutatorului acestuia pe poziția DCA 200 mA;

Fig.6.8. Standul de testări [2]

Fig.6.9. Standul cu anemometru cu cupe Fig.6.10. Standul cu sistemul eolian

viteza vântului este reglată prin fixarea succesivă a poziției comutatorului D al ventilatorului pe pozițiile corespunzătoare valorilor de 7 m/s și 10 m/s;

măsurarea vitezei vântului, pentru fiecare poziție, se realizează prin intermediul anemometrului cu cupe montat pe placa de bază în locul generatorului eolian (fig.6.9); – prin montarea sistemului eolian și conectarea sistemelor de măsură se realizează măsurarea tensiunii și intensității curentului pentru următoarele valori ale unghiului de înclinare a palelor (fig.6.10): 0o, 15o, 30o, 45o, 60o, 75o, 90o. Parametrii necesari testărilor sunt: numărul de pale – 3; forma palelor – dreaptă; viteza vântului – corespunzătoare poziției comutatorului ventilatorului pentru valorile de 7 m/s și 10 m/s; rezistența electrică a sarcinii – 50 .

6.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor se scriu în tabelul 6.1.

Mihai Tiberiu LATEȘ 53

Se calculează puterea generată experimental cu relația (6.1) pentru fiecare măsurătoare și se trasează pe același grafic, curbele de variație a puterii în funcție de unghiul de înclinare a palelor; se identifică varianta de rotor care asigură valorile cele mai mari ale puterii generate.

Tabelul 6.1. Rezultatele măsurătorilor

6.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la varianta de rotor care asigură valorile cele mai mari ale puterii generate.

Bibliografie

1. www.iks-photovoltaik.de

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Instructions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Solutions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Aplicația 7

TRASAREA CURBEI DE PUTERE PENTRU O TURBINĂ EOLIANĂ DE TIP SAVONIUS

7.1. Obiectivul aplicației

Caracteristica principală a unei turbine eoliene o reprezintă curba de putere, exprimată

grafic prin depenedența dintre viteza vântului care acționează asupra rotorului turbinei și puterea electrică generată de către turbina eoliană. Prin trasarea curbei de putere se pot identifica parametrii specifici turbinei: viteza de pornire a turbinei (start-up wind speed – viteza vântului la care rotorul începe să se rotească); viteza de pornire a generatoruluiu eolian (cut-in wind speed – viteza vântului la care turbina începe să genereze curent electric); viteza nominală a turbinei eoliene (nominal wind speed – viteza vântului la care turbina generează puterea electrică nominală); viteza de oprire a generatorului eolian (cut-out wind speed – viteza vântului de la care rotorul turbinei se oprește).

Turbinele eoliene cu ax vertical au avantajul că rotația rotorului nu este influențată de direcția de acțiune a vântului. Figura 7.1 prezintă principiul funcționării unei turbine Savonius pentru varianta cu obturator și, respectiv, fără.

Puterea electrică generată de către turbină se exprimă prin

PU I ,

Fig.7.1. Principiul de funcționare al unei turbine Savonius

(7.1)

unde U reprezintă tensiunea electrică iar I intensitatea curentului electric.

Aplicația își propune să realizeze trasarea curbei de putere teoretice și experimentale a unei turbine eoliene cu ax orizontal.

7.2. Echipamente

Generarea vântului se realizează cu ventilatorul din figura 7.2 [2]; A reprezintă zona de absorbție a aerului; B – zona de exhaustare a aerului; C – mufa de conectare la cablu de curent; D – comutator de selectare a vitezei aerului exhaustat. Etalonarea ventilatorului se realizează prin identificarea corespondenței dintre poziția comutatorului D și viteza aerului în dreptul rotorului turbinei eoliene. Viteza aerului se măsoară cu ajutorul anemometrului cu cupe (fig.7.3).

Anemometrul cu cupe conține [2]: A – buton on/off; B – buton de selectare a unității de măsură;

C – afișare unitate

de măsură (KM/H –

Fig.7.2. Ventilatorul km/h, KTS – noduri,

M/S – m/s, MP/H – m/h); D – afișare viteză a vântului instantanee; E – afișare maxim al vitezei vântului de la comutarea “on”; F – afișare viteză medie a vântului de la comutarea

“on”; G – MX (valoarea maximă), AV (valoare medie); H – afișare nivel scară Beaufort; I – compartiment baterie; K – gaură filetată pentru fixarea pe suportul A.

Orificiul C al rotorului

Savonius (fig.7.4) se montează în axul A al generatorului electric (fig.7.5) și se fixează prin știftul filetat B al rotorului. Obturatorul D al se introduce în fanta A pentru studiul curbei de

putere în cele două situații: cu obturator și fără. Generatorul

electric se conectează la aparatura de măsură prin mufele B și se poziționează pe placa de bază prin orificiul C.

Multimetrul (fig.7.6) conține

comutator de selectare a mărimilor măsurate – cablurile de legătură se deconectează înainte Mihai Tiberiu LATEȘ 57

de poziționarea comutatorului (OFF – multimetru oprit; AVC – măsurare tensiune curent alternativ prin conectare la mufele D și E; DCA – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele D și E; 10A – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele C și E – max. 10 A, conexiune fără siguranță fuzibilă; OHM – măsurare rezistență electrică prin conectare la mufele D și E; DCV – măsurare tensiune curent continuu prin conectare la mufele D și E; C – mufă + conexiune cablu 10 A curent continuu; D – mufă + conexiune cablu V /  / mA; E – mufă – conexiune cablu.

Fig.7.4. Rotorul Savonius Fig.7.5. Generatorul electric

Fig.7.6. Multimetrul Fig.7.7. Sarcina

Sarcina (fig.7.7) [2] reprezintă o încărcare cu rezistența electrică de 100  și puterea maximă de 2 W și are în componență: A – conexiunea generatorului; B – conexiunea multimetrului pentru măsurarea tensiunii; C – conexiunea multimetrului pentru măsurarea intensității curentului; D – buton rotativ pentru creșterea rezistenței.

Placa de bază (fig.7.8) conține [2]: cavitatea A pentru montarea ventilatorului; știfturile B pentru fixarea sistemului eolian; canalele C pentru montarea ecranului de protecție; canalul D pentru fixarea ecranului obturator; zona

E pentru montarea modulelor

experimentale și a instrumentelor de măsură; butonul F de fixare a firelor elastice de susținere a manualelor de utilizare; fanta G de fixare a plăcii de bază în geamantan.

7.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se construiește standul din figura 7.9 ținând seama de următoarele aspecte:

măsurarea tensiunii curentului

Fig.7.8. Placa de bază generat de sistemul eolian se

realizează prin intermediul unui

multimetru utilizat ca și voltmetru prin fixarea comutatorului acestuia pe poziția DCV 20 V;

măsurarea intensității curentului generat de sistemul eolian se realizează prin intermediul unui multimetru utilizat ca și ampermetru prin fixarea comutatorului acestuia pe poziția DCA 200 mA;

Fig.7.9. Standul de testări [2]

viteza vântului este reglată prin fixarea succesivă a poziției comutatorului D al ventilatorului de la poziția 0 la poziția 10;

măsurarea vitezei vântului, pentru fiecare poziție, se realizează prin intermediul anemometrului cu cupe montat pe placa de bază în locul generatorului eolian

(fig.7.10); rezultatele se trec în tabelul 7.1;

Mihai Tiberiu LATEȘ 59

prin montarea sistemului eolian și conectarea sistemelor de măsură se realizează măsurarea tensiunii și intensității curentului pentru fiecare poziție a comutatorului ventilatorului (fig.7.11). Parametrii necesari testărilor sunt: viteza vântului – corespunzătoare poziției comutatorului ventilatorului de la 0 la 10; rezistența electrică a sarcinii – 50 ; rotorul Savonius montat cu obturator și fără.

Fig. 7.10. Standul cu anemometru cu cupe Fig.7.11. Standul cu sistemul eolian Savonius

7.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor se scriu în tabelul 7.1.

Tabelul 7.1. Rezultatele măsurătorilor

Se calculează puterea generată cu relația (3.1); se trasează pe același grafic, curbele de putere pentru variantele cu obturator și fără și se identifică viteza de pornire a generatorului eolian și cea de pornire a turbinei.

7.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la:

diferențele dintre caracteristica de putere pentru cele două cazuri studiate;

viteza de pornire a generatorului eolian și cea de pornire a turbinei pentru cele două cazuri studiate.

Bibliografie

www.iks-photovoltaik.de

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Instructions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Solutions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Aplicația 8

STUDIUL SISTEMELOR EOLIENE IZOLATE

8.1. Obiectivul aplicației

Sistemele eoliene izolate sunt destinate consumatorilor cu necesar de energie redus, situați la distanțe mari de rețeaua electrică. Practic acești consumatori sunt: cabanele izolate, casele de vacanță, stațiile meteo, stațiile radio etc.

Un sistem eolian izolat este compus din (fig.8.1): turbina eoliană; regulatorul de sarcină (acesta poate fi încorporat, prin constucție, turbinei); grupul de baterii care înmagazinează energia produsă de turbină; invertorul care are rolul de a transforma curentul continuu în curent alternativ necesar consumatorilor.

Fig.8.1. Sistem eolian izolat

Componentele puterii (tensiune și intensitate curent) generate de sistemul eolian depind de potențialul eolian și de caracteristicile bateriilor și consumatorului. Puterea electrică, în general, se exprimă prin

PU I , (8.1)

unde U reprezintă tensiunea electrică iar I intensitatea curentului electric.

Aplicația își propune să studieze intensitatea curentului electric pe circuitul de putere al generatorului eolian și al consumatorului.

8.2. Echipamente

Generarea vântului se realizează cu ventilatorul din fig.8.2 [2]; A reprezintă zona de absorbție a aerului; B – zona de exhaustare a aerului; C – mufa de conectare la cablu de curent; D – comutator de selectare a vitezei aerului exhaustat. Etalonarea ventilatorului se realizează prin identificarea corespondenței dintre poziția comutatorului D și viteza aerului în dreptul rotorului turbinei eoliene. Viteza aerului se măsoară cu ajutorul anemometrului cu cupe (fig.8.3).

Anemometrul cu cupe conține [2]: A – buton on/off; B – buton de selectare a

unității de măsură;

Fig.8.2. Ventilatorul C – afișare unitate

de măsură (KM/H – km/h, KTS – noduri, M/S – m/s, MP/H – m/h); D – afișare viteză a vântului instantanee; E – afișare maxim al vitezei vântului de la comutarea “on”; F – afișare

viteză medie a vântului de la comutarea “on”; G – MX

(valoarea maximă), AV (valoare medie); H – afișare nivel scară Beaufort; I – compartiment baterie; K – gaură filetată pentru fixarea pe suportul A.

Sistemul eolian cu ax orizontal (fig.8.4) conține [2]: un butuc A pe care se pot monta

2, 3 sau 4 pale în locașul B; mufe de conectare C la

generator și tahogenerator; știfturi filetate de fixare a palelor D; E – G găuri de

poziționare a generatorului eolian pe placa de bază.

Fig.8.3. Anemometrul cu cupe [2] Ecranul de protecție (fig.8.5)

[2] conține scala gradată A de reglare a unghiului de înclinare a palelor turbinei și magneții B pentru fixarea pe placa de bază.

Multimetrul (fig.8.6) conține [2]: un ecran de vizualizare a mărimilor măsurate A; B comutator de selectare a mărimilor măsurate – cablurile de legătură se deconectează înainte de poziționarea comutatorului (OFF – multimetru oprit; AVC – măsurare tensiune curent alternativ prin conectare la mufele D și E; DCA – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele D și E; 10A – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele C și E – max. 10 A, conexiune fără siguranță fuzibilă; OHM – măsurare rezistență electrică prin conectare la mufele D și E; DCV – măsurare tensiune curent continuu prin conectare la mufele D și E; C – mufă + conexiune cablu 10 A curent continuu; D – mufă + conexiune cablu V /  / mA; E – mufă – conexiune cablu.

Fig.8.4. Sistemul eolian cu ax orizontal

Fig.8.5. Ecranul de protecție

Elementul de stocare (fig.8.7) [2] reprezintă un sistem de acumulare a energiei caracterizat printr-un acumulator de tip nichel-metalhidrid (NiMh) și un condensator de tip GoldCap.

Acumulatorul se încarcă la o tensiune de 1,2 V cu un curent de 6,5 mAh / 10 ore maxim.

Capacitatea de încărcare este de 65 mAh. Condensatorul GoldCap are capacitatea de 10 F cu o tensiune de încărcare de 2,3 V.

Fig.8.6. Multimetrul Fig.8.7. Elementul de stocare Fig.8.8 Sarcina

Sarcina (fig.8.8) [2] constă într-un motor electric și un consumator de tip bec. Motorul electric se alimentează la o tensiune de 2 V cu un curent maxim de 30 mA. Becul electric se alimentează la o tensiune de 1,5 V cu un curent maxim de 60 mA.

Placa de bază (fig.8.9) conține [2]: cavitatea A pentru montarea ventilatorului; știfturile B pentru fixarea sistemului eolian; canalele C pentru montarea ecranului de protecție; canalul D pentru fixarea ecranului obturator; zona E pentru montarea modulelor experimentale și a instrumentelor de măsură; butonul F de fixare a firelor elastice de susținere a manualelor de utilizare; fanta G de fixare a plăcii de bază în geamantan.

8.3. Testări

Fig.8.9. Placa de bază Pentru realizarea testărilor se

construiește standul din figura 8.10 ținând

seama de următoarele aspecte:

măsurarea intensității curentului generat de sistemul eolian și la consumator, se realizează prin intermediul celor două multimetre utilizate ca și ampermetru prin fixarea comutatorului acestora pe poziția DCA 200 mA;

viteza vântului este reglată prin fixarea succesivă a poziției comutatorului D al ventilatorului de la poziția 0 la poziția 10;

Fig.8.10. Standul de testări [2]

măsurarea vitezei vântului, pentru fiecare poziție, se realizează prin intermediul anemometrului cu cupe montat pe placa de bază în locul generatorului eolian

(fig.8.11); rezultatele se trec în tabelul 8.1;

generatorul eolian este montat și conectat prin mufele inferioare la condensatorul

GoldCap și prin pornirea ventilatorului se realizează încărcarea condensatorului până când nu mai trece curent prin multimetru (fig.8.12);

Fig. 8.11. Standul cu anemometru cu cupe Fig.8.12. Încărcarea condensatorului

motorul electric ce conectează prin mufele superioare la condensatorul GoldCap prin al doilea multimetru; ventilatorul este oprit; se lasă motorul să funcționeze 3 minute (fig.8.13);

se conectează consumatorul de tip bec în paralel cu motorul electric și se observă indicația multimetrelor până la descărcarea completă a condensatorului (fig.8.14); se notează perioada de descărcare;

se pornește ventilatorul și pentru fiecare poziție a comutatotului a acestuia și se notează indicația multimetrelor, I1 și, respectiv, I2; rezultatele se trec în tabelul 8.1;

parametrii necesari testărilor sunt: numărul de pale – 3; forma palelor – dreaptă; unghiul de înclinare a palelor – 45o; viteza vântului – corespunzătoare poziției comutatorului ventilatorului de la 0 la 10.

Fig. 8.13. Funcționarea motorului Fig.8.14. Descărcarea condensatorului

8.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor se scriu în tabelul 8.1.

Tabelul 8.1. Rezultatele măsurătorilor

Se trasează pe același grafic, curbele de variație a intensității curentului electric pe circuitul de putere al generatorului eolian și al consumatorului.

8.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la:

perioada de funcționare a motorului electric, după oprirea ventilatorului;

variația intensității curentului electric la conectarea în paralel a consumatorului suplimentar de tip bec;

graficele de variație a intensității curentului electric pe circuitul de putere al generatorului eolian și al consumatorului;

cazurile de funcționare optimă a sistemului, în funcție de caracteristicile acumulatorului și consumatorilor.

Bibliografie

www.iks-photovoltaik.de

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Instructions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Solutions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Aplicația 9

STUDIUL ÎNCĂRCĂRII BATERIILOR UTILIZATE ÎN SISTEMELE EOLIENE

9.1. Obiectivul aplicației

Bateriile sunt utilizate în cazul sistemelor eoliene izolate destinate consumatorilor cu necesar de energie redus. Procesul de

încărcare a bateriilor depinde de

potențialul eolian și de consumatorii conectați la sistem. Puterea electrică, în general, se

exprimă prin

PU I , (9.1)

Fig.9.1. Ventilatorul unde U reprezintă tensiunea electrică iar I intensitatea curentului electric.

Aplicația își propune să studieze caracteristicile perioada de încărcare a bateriei (variația în timp a tensiunii și a intensității curentului) unui sistem eolian izolat.

9.2. Echipamente

Generarea vântului se realizează cu ventilatorul din fig.9.1 [2]; A reprezintă zona de absorbție a aerului; B – zona de exhaustare a aerului; C – mufa de conectare la cablu de curent; D – comutator de selectare a vitezei aerului exhaustat. Etalonarea ventilatorului se realizează prin identificarea corespondenței dintre poziția comutatorului D și viteza aerului în dreptul rotorului turbinei eoliene. Viteza aerului se măsoară cu ajutorul anemometrului cu cupe (fig.9.2).

Anemometrul cu cupe conține [2]: A – buton on/off; B – buton de selectare a unității de măsură; C – afișare unitate de măsură (KM/H – km/h, KTS – noduri, M/S – m/s, MP/H – m/h); D – afișare viteză a vântului instantanee; E – afișare maxim al vitezei vântului de la comutarea “on”; F – afișare viteză medie a vântului de la comutarea “on”; G – MX (valoarea maximă), AV (valoare medie); H – afișare nivel scară Beaufort; I – compartiment baterie; K –

gaură filetată pentru fixarea pe suportul A.

Sistemul eolian cu ax orizontal (fig.9.3) conține [2]: un butuc A pe care se pot monta 2, 3 sau 4 pale în locașul B; mufe de conectare C la generator și tahogenerator; știfturi filetate de fixare a palelor D; E – G găuri de poziționare a generatorului eolian

pe placa de bază.

Ecranul de protecție (fig.9.4) [2] conține scala gradată A de reglare a unghiului de înclinare a palelor turbinei și magneții B

pentru fixarea pe placa de bază.

Multimetrul (fig.9.5) conține Fig.9.2. Anemometrul cu cupe [2] [2]: un ecran de vizualizare a

mărimilor măsurate A; B comutator de selectare a mărimilor măsurate – cablurile de legătură se deconectează înainte de poziționarea comutatorului (OFF – multimetru oprit; AVC – măsurare tensiune curent alternativ prin conectare la mufele D și E; DCA – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele D și E; 10A – măsurare intensitate curent continuu prin conectare la mufele C și E – max. 10 A, conexiune fără siguranță fuzibilă;

OHM – măsurare rezistență electrică prin conectare la mufele D și E; DCV – măsurare tensiune curent continuu prin conectare la mufele D și E; C – mufă + conexiune cablu 10 A curent continuu; D – mufă + conexiune cablu V /  / mA; E – mufă – conexiune cablu.

Fig.9.3. Sistemul eolian cu ax orizontal

Mihai Tiberiu LATEȘ 71

Elementul de stocare (fig.9.6) [2] reprezintă un sistem de acumulare a energiei caracterizat printr-un acumulator de tip nichel-metalhidrid (NiMh) și un condensator de tip GoldCap.

Acumulatorul se încarcă la o tensiune de 1,2 V cu un curent de 6,5 mAh / 10 ore maxim. Capacitatea de încărcare este de 65 mAh. Condensatorul GoldCap are capacitatea de 10 F cu o tensiune de încărcare de 2,3 V.

Fig.9.4. Ecranul de protecție

Fig.9.5. Multimetrul Fig.9.6. Elementul de stocare Fig.9.7 Sarcina

Sarcina (fig.9.7) [2] constă într-un motor electric și un consumator de tip bec. Motorul electric se alimentează la o tensiune de 2 V cu un curent maxim de 30 mA. Becul electric se alimentează la o tensiune de 1,5 V cu un curent maxim de 60 mA.

Placa de bază (fig.9.8) conține [2]: cavitatea A pentru montarea ventilatorului; știfturile B pentru fixarea sistemului eolian; canalele C pentru montarea ecranului de protecție; canalul D pentru fixarea ecranului obturator; zona E pentru montarea modulelor experimentale și a instrumentelor de măsură; butonul F de fixare a firelor elastice de susținere a manualelor de utilizare; fanta G de fixare a plăcii de bază în geamantan.

9.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se construiește standul din figura 9.9 ținând seama de următoarele aspecte:

măsurarea tensiunii curentului generat de sistemul eolian se realizează prin intermediul unui multimetru utilizat ca și voltmetru prin fixarea comutatorului acestuia pe poziția DCV 20 V;

măsurarea intensității curentului

generat de sistemul eolian se

Fig.9.8. Placa de bază realizează prin intermediul unui

multimetru utilizat ca și

ampermetru prin fixarea comutatorului acestuia pe poziția DCA 200 mA;

viteza vântului este reglată prin fixarea succesivă a poziției comutatorului D al

ventilatorului de la poziția 0 la poziția 10;

Fig.9.9. Standul de testări [2]

măsurarea vitezei vântului se realizează prin intermediul anemometrului cu cupe montat pe placa de bază în locul generatorului eolian (fig.9.10); se identifică poziția comutatorului D al ventilatorului pentru valoarea vitezi vântului de 8 m/s;

mufele superioare ale elementului de stocare a energiei tip GoldCap se conectează la cele două multimetre;

generatorul eolian este montat și conectat prin mufele superioare la condensatorul GoldCap și prin fixarea comutatorului D al ventilatorului pe poziția corespunzătoare Mihai Tiberiu LATEȘ 73

valorii vitezei vântului de 8 m/s se realizează încărcarea elementului de stocare până când nu mai trece curent prin multimetru (fig.9.11); se citește tensiunea la bornele sistemului de încărcare;

Fig. 9.10. Standul cu anemometru cu cupe Fig.9.11. Încărcarea sistemului

se oprește ventilatorul și se citește valoarea intensității curentului;

se descarcă sistemul de stocare a energiei (fig.9.12);

generatorul eolian se conectează la mufele inferioare ale sistemului GoldCap;

multimetrul cu rol de ampermetru se conectează la mufa inferioare a sistemului GoldCap;

multimetrul cu rol de voltmetru rămâne conectat la mufa superioară a sistemului GoldCap (fig.9.13);

se reralizează încărcarea sistemului de stocare până când nu mai trece curent prin multimetru; se citește tensiunea și intensitatea curentului;

Fig.9.12. Descărcarea sistemului de stocare Fig.9.13. Standul nr.2

se descarcă sistemul de stocare a energiei (fig.9.12);

se încarcă sistemul și se trec în tabelul 9.1 valorile tensiunii și intensității curentului;

se trasează, pe același grafic, variația în timp a intensității curentului și respectiv, a tensiunii;

parametrii necesari testărilor sunt: numărul de pale – 3; forma palelor – dreaptă; unghiul de înclinare a palelor – 45o; viteza vântului – 8 m/s.

9.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor se scriu în tabelul 9.1.

Se trasează pe același grafic, curbele de variație în timp a tensiunii și intensității curentului electric.

Tabelul 9.1. Rezultatele măsurătorilor

9.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la:

valoarea tensiunii în momentul încărcării complete a sistemului de stocare; – valoarea intensității curentului electric în momentul opririi ventilatorului;

graficele de variație în timp a tensiunii și intensității curentului electric.

Bibliografie

1. www.iks-photovoltaik.de

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Instructions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Solutions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Aplicația 10

STUDIUL CARACTERISTICII CURENT – TENSIUNE PENTRU O TURBINĂ EOLIANĂ

10.1. Obiectivul aplicației

Caracteristica curent – tensiune a unei turbine eoliene caracterizează generatorul electric al sistemului eolian.

Aplicația își propune să realizeze trasarea caracteristicii curent – tensiune pentru o turbină eoliană cu ax orizontal, prin intermediul unui echipament și respectiv, soft de achiziție specific.

10.2. Echipamente

Generarea vântului se realizează cu ventilatorul din fig.10.1 [2]; A reprezintă zona de absorbție a aerului; B – zona de exhaustare a aerului; C – mufa de conectare la cablu de curent; D – comutator de selectare a vitezei aerului exhaustat. Etalonarea ventilatorului se realizează prin identificarea corespondenței dintre poziția comutatorului D și viteza aerului în dreptul rotorului turbinei eoliene. Viteza aerului se măsoară cu ajutorul anemometrului cu cupe (fig.10.2).

Anemometrul cu cupe conține [2]: A – buton on/off; B – buton de selectare a unității de măsură; C – afișare unitate de măsură (KM/H – km/h, KTS – noduri, M/S – m/s, MP/H – m/h); D – afișare

viteză a vântului

instantanee; E – Fig.10.1. Ventilatorul

afișare maxim al

vitezei vântului de la comutarea “on”; F – afișare viteză medie a vântului de la comutarea “on”; G – MX (valoarea maximă), AV (valoare medie); H – afișare nivel scară Beaufort; I – compartiment baterie; K – gaură filetată pentru fixarea pe suportul A.

Sistemul eolian cu ax orizontal (fig.10.3) conține [2]: un butuc A pe care se montează

palele în locașul B; mufe de conectare

C la generator și tahogenerator; știfturi filetate de fixare a palelor D;

E – G găuri de poziționare a generatorului eolian pe placa de bază. Ecranul de protecție (fig.10.4) [2] conține scala gradată A de reglare a unghiului de înclinare a palelor turbinei și magneții B pentru fixarea

pe placa de bază.

Sarcina (fig.10.5) [2] reprezintă o

încărcare cu rezistența electrică de 100  și puterea maximă de 2 W și are în componență: A – conexiunea generatorului; B – conexiunea

multimetrului pentru măsurarea tensiunii; C – conexiunea

Fig.10.2. Anemometrul cu cupe [2]

multimetrului pentru măsurarea

intensității curentului; D – buton rotativ pentru creșterea rezistenței.

Fig.10.3. Sistemul eolian cu ax orizontal

Data logger-ul (fig.10.6) [2] este utilizat pentru achiziția la calculator a datelor referitoare la tensiune și intensitatea curentului electric. Semnalul analogic este transformat în semnal digital și transferat la calculator prin intermediul unei interfațe RS 232. Intrarea 1 (A) este Mihai Tiberiu LATEȘ 77

pentru tensiune (max 2,5 V) iar intrarea 2 (B) pentru curent de până la 200 mA. C reprezintă conexiunea prin cablul de interfață (fig.10.7) la calculator (port COM). D reprezintă butonul

ON/OFF, iar E, compartimentul bateriilor. Factorul soft pentru canalul intensitate curent este 200, iar pentru canalul tensiune curent 2,5.

Fig.10.4. Ecranul de protecție Fig.10.5. Sarcina Fig.10.6. Data logger-ul

Placa de bază (fig.10.8) conține [2]: cavitatea A pentru montarea ventilatorului; știfturile B pentru fixarea sistemului eolian; canalele C pentru montarea ecranului de protecție; canalul D pentru fixarea ecranului obturator; zona E pentru montarea modulelor experimentale și a instrumentelor de măsură; butonul F de fixare a firelor elastice de susținere a manualelor de utilizare; fanta G de fixare a plăcii de bază în geamantan.

Fig.10.7. Cablul de interfață Fig.10.8. Placa de bază

10.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se construiește standul din figura 10.9 ținând seama de următoarele aspecte:

Fig.10.9. Standul de testări [2]

viteza vântului este reglată prin fixarea succesivă a poziției comutatorului D al ventilatorului de la poziția 0 la poziția 10;

măsurarea vitezei vântului, pentru fiecare poziție, se realizează prin intermediul anemometrului cu cupe montat pe placa de bază în locul generatorului eolian

în tabelul 10.1;

Fig.10.11. Standul cu sistemul eolian

Mihai Tiberiu LATEȘ 79

prin montarea sistemului eolian și conectarea sistemelor de măsură se realizează măsurarea tensiunii și intensității curentului pentru fiecare poziție a comutatorului ventilatorului (fig.10.11). Parametrii necesari testărilor sunt: numărul de pale – 3; forma palelor – dreaptă; unghiul de înclinare a palelor – 45o; viteza vântului – corespunzătoare poziției comutatorului ventilatorului de la 0 la 10; rezistența

electrică a sarcinii – 50 ;

se rulează programul IKS – Solartrainer și se execută click pe meniul Measuring selectându-se x/y Characteristic Curve;

se completează câmpurile cu valorile indicate în fig.10.12;

se pornește data logger-ul; se execută click

pe OK; se generează un grafic gol peste

care într-o fereastră apar valorile Fig.10.12. Parametrii de achiziție instantanee ale intensității curentului și tensiunii;

pentru fiecare poziție a comutatorului ventilatorului se execută click pe butonul OK, pentru salvarea datelor;

achiziția se încheie prin Abort.

10.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor se scriu în tabelul 10.1.

Se salvează graficul generat (caracteristica curent – tensiune) – fig.10.13.

Fig.10.13. Caracteristica curent tensiune

Tabelul 10.1. Rezultatele măsurătorilor

10.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la caracteristica curent – tensiune și influența vitezei vântului asupra acestui grafic.

Bibliografie

1. www.iks-photovoltaik.de

Kunsch, H., Schröder, M. Solartrainer junior. Experiments with Solar Cells. Instructions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Solartrainer junior. Experiments with Solar Cells. Solutions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Instructions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy.

Solutions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Aplicația 11

STUDIUL COMPORTĂRII INVERTORULUI UNUI SISTEM EOLIAN

11.1. Obiectivul aplicației

O turbină eoliană de mică putere produce, de regulă, curent continuu. Mulți consumatori necesită pentru funcționare, curent alternativ. Elementul care transformă curentul continuu în curent alternativ este invertorul. Pentru sisteme izolate și puteri mici se

utilizează, din rațiuni economice, invertoare cu semnal rectangular. Pentru puteri mari și precizii ridicate se utilizează invertoare cu semnal sinusoidal.

Aplicația își Fig.11.1. Ventilatorul propune să realizeze trasarea graficului de curent alternativ pentru o turbină eoliană cu ax orizontal, prin intermediul unui echipament și respectiv, soft de achiziție specific.

11.2. Echipamente

Generarea vântului se realizează cu ventilatorul din fig.11.1 [2]; A reprezintă zona de absorbție a aerului; B – zona de exhaustare a aerului; C – mufa de conectare la cablu de curent; D – comutator de selectare a vitezei aerului exhaustat. Etalonarea ventilatorului se realizează prin identificarea corespondenței dintre poziția comutatorului D și viteza aerului în dreptul rotorului turbinei eoliene. Viteza aerului se măsoară cu ajutorul anemometrului cu cupe (fig.11.2).

Anemometrul cu cupe conține [2]: A – buton on/off; B – buton de selectare a unității de măsură; C – afișare unitate de măsură (KM/H – km/h, KTS – noduri, M/S – m/s, MP/H – m/h); D – afișare viteză a vântului instantanee; E – afișare maxim al vitezei vântului de la comutarea “on”; F – afișare viteză medie a vântului de la comutarea “on”; G – MX (valoarea maximă), AV (valoare medie); H – afișare nivel scară Beaufort; I – compartiment baterie; K – gaură filetată pentru fixarea pe suportul A.

Sistemul eolian cu ax orizontal (fig.11.3) conține [2]: un butuc A pe care se montează palele în locașul B; mufe de conectare C la generator și tahogenerator; știfturi filetate de fixare

Fig.11.2. Anemometrul cu cupe [2]

a palelor D; E – G găuri de poziționare a generatorului eolian pe placa de bază.

Ecranul de protecție (fig.11.4) [2] conține scala gradată A de reglare a unghiului de înclinare a palelor turbinei și magneții B pentru fixarea pe placa de bază.

Invertorul (fig.11.5) [2] convertește curentului continuu în curent alternativ. Intrarea 1 (A) și intrarea 2 (B) sunt pentru tensiune

(max 2 V). C reprezintă ieșirea 1 în semnal sinusoidal, iar D reprezintă ieșirea 2 în semnal rectangular. E reprezintă butonul ON/OFF, iar F, compartimentul bateriilor.

Fig.11.3. Sistemul eolian cu ax orizontal

Data logger-ul (fig.11.6) [2] este utilizat pentru achiziția la calculator a datelor referitoare la tensiune și intensitatea curentului electric. Semnalul analogic este transformat în semnal digital și transferat la calculator prin intermediul unei interfațe RS 232. Intrarea 1 (A) este pentru tensiune (max 2,5 V) iar intrarea 2 (B) pentru curent de până la 200 mA. C reprezintă Mihai Tiberiu LATEȘ 83

conexiunea prin cablul de interfață (fig.11.7) la calculator (port COM). D reprezintă butonul

ON/OFF, iar E, compartimentul bateriilor. Factorul soft pentru canalul intensitate curent este 200, iar pentru canalul tensiune curent 2,5.

Fig.11.4. Ecranul de protecție Fig.11.5. Invertorul Fig.11.6. Data logger-ul

Placa de bază (fig.11.8) conține [2]: cavitatea A pentru montarea ventilatorului; știfturile B pentru fixarea sistemului eolian; canalele C pentru montarea ecranului de protecție; canalul D pentru fixarea ecranului obturator; zona E pentru montarea modulelor experimentale și a instrumentelor de măsură; butonul F de fixare a firelor elastice de susținere a manualelor de utilizare; fanta G de fixare a plăcii de bază în geamantan.

Fig.11.7. Cablul de interfață Fig.11.8. Placa de bază

11.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se construiește standul din figura 11.9 ținând seama de următoarele aspecte:

Fig.11.9. Standul de testări [2]

viteza vântului este reglată prin fixarea succesivă a poziției comutatorului D al

ventilatorului de la poziția 0 la poziția 10;

măsurarea vitezei vântului,

pentru fiecare poziție, se

Fig.11.10. Standul cu anemometru cu cupe realizează prin intermediul

anemometrului cu cupe montat pe placa de bază în locul generatorului eolian

(fig.11.10); rezultatele se trec în tabelul 11.1;

Fig.11.11. Standul cu sistemul eolian

Mihai Tiberiu LATEȘ 85

prin montarea sistemului eolian și conectarea sistemelor de măsură se realizează măsurarea tensiunii și intensității curentului pentru fiecare poziție a comutatorului ventilatorului (fig.11.11).

Parametrii necesari testărilor sunt: numărul de pale – 3; forma palelor – dreaptă; unghiul de înclinare a palelor –

45o; viteza vântului – corespunzătoare poziției comutatorului ventilatorului de la 0 la 10;

se rulează programul IKS – Solartrainer și se execută

click pe meniul Measuring

selectându-se y/t Characte- Fig.11.12. Parametrii de achiziție [2] ristic Curve;

se completează câmpurile cu valorile indicate în fig.11.12;

se pornesc data logger-ul și invertorul; se execută click pe OK; se generează graficul achiziției pentru fiecare poziție a comutatorului ventilatorului;

se repetă achiziția pentru tipul de undă rectangular.

11.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor se scriu în tabelul 11.1. Se salvează graficul generat – fig.11.13.

Tabelul 11.1. Rezultatele măsurătorilor

Fig.11.13. Graficul achizițiilor [2]

11.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la influența vitezei vântului asupra graficului achiziției.

Bibliografie

1. www.iks-photovoltaik.de

Kunsch, H., Schröder, M. Solartrainer junior. Experiments with Solar Cells. Instructions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Solartrainer junior. Experiments with Solar Cells. Solutions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Instructions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Kunsch, H., Schröder, M. Windtrainer junior. Experiments on Wind Energy. Solutions. Version 02/2007. Kassel, Germany.

Aplicația 12

STUDIUL VARIAȚIEI VITEZEI AERULUI GENERAT DE UN TUNEL AERODINAMIC

12.1. Obiectivul aplicației

Tunelurile aerodinamice sunt utilizate pentru studii în domeniul mecanicii fluidelor și al aerodinamicii. Măsurările se pot realiza atât în interiorul tunelului (în secțiunea de măsurări), cât și în exteriorul acestuia, pentru acțiunea unor rotori (elice de avion, rotori, turbine eoliene) prin intermediul aerului generat de tunel. Pentru asemenea determinări experimentale este necesar să se cunoască valoarea vitezei aerului la diferite distanțe de tunel în funcție de valoarea reglată a aerului în interiorul tunelului.

Aplicația își propune să realizeze trasarea graficului variației vitezei aerului la diferite distanțe de tunel, în funcție de valoarea vitezei reglate în secțiunea de măsurări a tunelului.

12.2. Echipamente

Tunelul aerodinamic utilizat în testări (fig.12.1) [2] este unul subsonic (viteza aerului ajunge până la 0,1 Mach), cu circuit deschis (aerul este preluat din exterior și expulzat tot în exterior, cu viteză mărită).

Fig.12.1. Tunelul aerodinamic [2]

Modelul experimental 1 este fixat în secțiunea de măsurări 2. Aerul este absorbit în tunel prin pâlnia de alimentare 5 iar curgerea laminară este asigurată prin secțiunea 4 (eventualele A12

componente transversale ale circulației aerului sunt reduse la zero). Curgerea laminară a aerului este accelerată de aproximativ 3,3 ori în secțiunea 3; zona 6 a tunelului realizează decelerarea vitezei aerului care este exhaustat în exterior prin ventilatorul 7.

Măsurarea forțelor se relizează prin intermediul traductorului de forță 8, care este solidar cu modelul experimental 1 (fig.12.2). Prin acest traductor, în interiorul tunelului se pot realiza măsurători (după 2 direcții – antrenare și portanță) referitoare la: forțe, viteze, presiuni, coeficientul aerodinamic de antrenare (drag) și de portanță (lift). Valorile măsurate pentru forțe se pot vizualiza pe ecranul amplificatorului 9 (v. fig.12.2).

Fig.12.2. Sistemul de măsurare [2] Fig.12.3. Tubul manometric [2] Fig.12.4. Panoul de comandă [2]

Viteza aerului în secțiunea de măsurări 2 se poate citi la tubul manometric înclinat 10 (fig.12.3). Panoul de comandă 11 (fig.12.4) conține un comutator principal ON/OFF de alimentare cu energie electrică, un buton de oprire de urgență, un buton de reglare a vitezei

aerului (convertor în frecvență) și un comutator ON/OFF al ventilatorului.

Șina 12 permite translatarea peretelui lateral al secțiunii de măsurări și accesul la interiorul secțiunii Sistemul este amplasat pe batiul 13 prevăzut cu role.

Anemometrul termic are următoarele facilități: 1 – sensor de tip marcă tensometrică; 2 –

Fig.12.5. Anemometrul termic buton on; 3 – buton off; 4 – buton de luminare a ecranului; 5 – buton

de calcul a valorii medii măsurate; 6 – setare a unității de măsură; 7 – buton de calibrare; 8 – buton de memorare; 9 – buton de ștergere a valorii memorate; 10 – buton de afișare a valorii minime, maxime, medii măsurate de la activarea butonului “on”; 11 – buton de afișare a Mihai Tiberiu LATEȘ 89

temperaturii măsurate; 12 – buton de afișare a vitezei vântului măsurate; 13 – buton derulare jos; 14 – buton derulare sus; 15 – afișare valoare temperatură măsurată; 16 – afișare viteză a vântului măsurată.

12.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se utilizează tunelul aerodinamic din figura 12.6 ținând seama de următoarele aspecte:

Fig.12.6. Tunelul aerodinamic

pe panoul de comandă 11 (fig.12.4) butonul 2 de alimentare cu energie electrică este poziționat pe ON (fig.12.7);

comutatorul ventilatorului 3 este poziționat pe ON (v. fig.12.7);

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4, se reglează viteza aerului în interiorul tunelului vt (reglarea valorilor se realizează prin citirea acestora la manometrul înclinat 10 – fig.12.1) conform valorilor din tabelul 12.1; în caz de urgență se poate utiliza butonul 1 de oprire automată a sistemului v. fig.12.7);

pentru fiecare valoare reglată a

vitezei aerului în interiorul tunelului

Fig.12.7. Panoul de comandă

se citesc valorile vitezei aerului va

A12

în exteriorul tunelului, la distanțele 0, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 m de acesta; măsurarea vitezei se realizează cu anemometrul termic.

12.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor se scriu în tabelul 12.1. Se trasează, pe același grafic, seriile de curbe de variație a vitezelor măsurate în exteriorul tunelului aerodinamic în funcție de viteza reglată în secțiunea de măsurare a tunelului.

Tabelul 12.1

12.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la variația vitezei vântului în exteriorul tunelului aerodinamic în funcție de distanța față de tunel.

Bibliografie

1. www.gunt.de

2. * * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170

Educational Wind Tunnel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

Aplicația 13

TRASAREA CURBEI DE PUTERE PENTRU O TURBINĂ EOLIANĂ DE MICĂ PUTERE DE TIP AirX

13.1. Obiectivul aplicației

Caracteristica principală a unei turbine eoliene o reprezintă curba de putere, exprimată grafic prin depenedența dintre viteza vântului care acționează asupra rotorului turbinei și puterea electrică generată de către turbina eoliană. Prin trasarea curbei de putere se pot identifica parametrii specifici turbinei: viteza de pornire a turbinei (start-up wind speed – viteza vântului la care rotorul începe să se rotească); viteza de pornire a generatoruluiu eolian (cut-in wind speed – viteza vântului la care turbina începe să genereze curent electric); viteza nominală a turbinei eoliene (nominal wind speed – viteza vântului la care turbina generează puterea electrică nominală); viteza de oprire a generatorului eolian (cut-out wind speed – viteza vântului de la care rotorul turbinei se oprește).

Puterea generată de o turbină eoliană depinde de viteza vântului, conform relației

P 0.5v3ACp , (13.1)

în care:  reprezintă densitatea aerului (=1.2255 kg/m3 la nivelul mării); v – viteza vântului; A – aria rotorului turbinei; Cp – coeficientul de putere

Cp me a, (13.2)

unde: m reprezintă randamentul transmisiei mecanice (m=0.95 … 0.97); e – radamentul componentelor electrice (e=0.97 … 0.98); a – eficiența aerodinamică (depinde de caracteristicile zonei în care se realizează măsurătorile și are valoarea maximă a=0.38). Puterea electrică generată de către turbină se exprimă prin

U2

P UI  , (13.3)

R

unde U reprezintă tensiunea electrică, I intensitatea curentului electric iar R rezistența electrică.

Aplicația își propune să realizeze trasarea curbei de putere teoretice și experimentale a unei turbine eoliene cu ax orizontal de tip AirX.

13.2. Echipamente

Tunelul aerodinamic utilizat (fig.13.1) [3] este unul subsonic (viteza aerului ajunge până la 0,1 Mach), cu circuit deschis (aerul este preluat din exterior și expulzat tot în exterior, cu viteză mărită).

Fig.13.1. Tunelul aerodinamic [3]

Modelul experimental 1 este fixat în secțiunea de măsurări 2. Aerul este absorbit în tunel prin pâlnia de alimentare 5 iar curgerea laminară este asigurată prin secțiunea 4 (eventualele componente transversale ale circulației aerului sunt reduse la zero). Curgerea laminară a aerului este accelerată de aproximativ 3,3 ori în secțiunea 3; zona 6 a tunelului realizează decelerarea vitezei aerului care este exhaustat în exterior prin ventilatorul 7.

Măsurarea forțelor se relizează prin intermediul traductorului de forță 8, care este solidar cu modelul experimental 1 (fig.13.2). Prin acest traductor, în interiorul tunelului se pot realiza măsurători (după 2 direcții – antrenare și portanță) referitoare la: forțe, viteze, presiuni, coeficientul aerodinamic de antrenare (drag) și de portanță (lift). Valorile măsurate pentru forțe se pot vizualiza pe ecranul amplificatorului 9 (v. fig.13.2).

Fig.13.2. Sistemul de măsurare Fig.13.3. Tubul manometric Fig.13.4. Panoul de comandă Viteza aerului în secțiunea de măsurări 2 se poate citi la tubul manometru înclinat 10 (fig.13.3). Panoul de comandă 11 (fig.13.4) conține un comutator principal ON/OFF de alimentare cu energie electrică, un buton de oprire de urgență, un buton de reglare a vitezei aerului (convertor în frecvență) și un comutator ON/OFF al ventilatorului.

Șina 12 permite translatarea peretelui lateral al secțiunii de măsurări și accesul la interiorul secțiunii Sistemul este amplasat pe batiul 13 prevăzut cu role.

Turbina eoliană AirX (fig.13.5) generează, conform fișei tehnice [2], o putere nominală de 400 W, la viteza vântului de 12,5 m/s. Tensiunea electrică la turbină este de 24 V, diametrul rotorului are 1,15 m, iar viteza cut-in la care turbina începe să genereze curent electric este 2,7 m/s. Curba teoretică de putere este prezentată în figura 13.6.

Fig.13.5. Turbina eoliană AirX Fig.13.6. Curba teoretică de putere

Curentul continuu generat de turbina eoliană este transformat în curent alternativ prin intermediul unui invertor de tip XANTREX (fig.13.7) care funcționează cu tensiunea nominală de 24 V și are puterea de 3300 W; intensiatatea maximă a curentului este de 176 A. Invertorul funcționează în regim de undă sinusoidală și oferă posibilități de programare (pornirea/oprirea automată a generatorului, sesizarea automată a sarcinii, funcționarea atât în regim de invertor cât și în regim de redresor pentru încărcarea bateriilor.

Fig.13.7. Invertorul Fig.13.8. Bateria

Energia produsă este stocată într-un sistem de 2 baterii de tip NEWMAX de 12 V care funcționează la maxim 42 Ah (fig.13.8).

Fig.13.9. Cutia cu șunturi Fig.13.10. Sistemul de achiziție

Măsurarea curentului se realizează prin cutia cu șunturi care oferă posibilitatea de măsurare a curentului la turbină, baterii și invertor (fig.13.9).

Achiziția datelor se realizează prin intermediul data loger-ului conectat la calculator (fig.13.10) utilizând soft-ul de achiziție DMM (fig.13.11). În meniul Setup se pot seta limitele intervalului de măsurare a tenisunii și perioada de timp pentru care se realizează achiziția (fig.13.12).

Fig.13.11. Soft-ul de achiziție [2]

13.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se realizează sistemul de testare din figura

13.13 ținând seama de următoarele aspecte:

se pornește data loger-ul conectat la calculator și la cutia cu șunturi (fig.13.10);

se pornește soft-ul de achiziție

DMM (fig.13.11);

pe panoul de comandă 11

Fig.13.12. Setarea limitelor de achiziție

(fig.13.4) al tunelului

aerodinamic, butonul 2 de alimentare cu energie electrică este poziționat pe ON (fig.13.14);

Fig.13.13. Sistemul de testare [2]

comutatorul ventilatorului 3 este poziționat pe ON (v. fig.13.14);

se pornește invertorul 3 care transformă curentul continuu (produs de turbina eoliană

1) de la bateriile 4 în curent alternativ (fig.13.13); opțional, se poate conecta la invertor un consumator 5 – fig.13.15;

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4, se reglează viteza aerului în interiorul tunelului vt (reglarea valorilor se realizează prin citirea acestora la manometrul înclinat

10 – fig.13.1); în caz de urgență se poate utiliza butonul 1 de oprire automată a sistemului v. fig.13.14);

pentru fiecare valoare

reglată a vitezei aerului în interiorul tunelului, cu ajutorul aplicației 12, se determină valoarea vitezei va la nivelul rotorului

turbinei eoliene;

pentru fiecare valoare reglată a vitezei aerului în

Fig.13.14. Panoul de comandă interiorul tunelului se citesc

valorile tensiunii achiziționate prin data loger-ul 2 (fig.13.3);

utilizând relațiile (13.1) și (13.3) se determină puterile teoretică și respectiv, experimetală, generate de turbină, pentru fiecare valoare a vitezei; valoarea rezistenței șuntului pe care se măsoară tensiunea este R = 9∙104 Ω.

Fig.13.15. Funcționarea sistemului de testare

13.4. Rezultate

Valorile vitezelor, ale tensiunii și ale puterii teoretice și experimentale se trec în tabelul

13.1. Se trasează, pe același grafic, curbele de putere teoretică și experimentală.

Tabelul 13.1

13.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la variația puterii instantanee experimentale în funcție de viteza aerului și concluziile referitoare la diferențele dintre puterile teoretice și experimentale.

Bibliografie

1. www.gunt.de

www.lpelectric.ro

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170

Educational Wind Tunnel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

Aplicația 14

MĂSURAREA FORȚELOR DE ANTRENARE ȘI DE PORTANȚĂ CARE ACȚIONEAZĂ ASUPRA UNUI ELEMENT AERODINAMIC

14.1. Obiectivul aplicației

Asupra elementelor aerodinamice aflate într-un flux de curgere a unui fluid acționează două tipuri forțe care influențează dinamica elementului: forța de antrenare (drag) FW și forța de portanță (lift) FA; forța de antrenare pune în mișcare elementul, iar forța de portanță îl menține ridicat în fluxul de curgere a fluidului (fig.14.1).

14.2. Echipamente Fig.14.1 [4]

Tunelul aerodinamic [2] utilizat pentru generarea vântului (fig.14.2) este unul subsonic (viteza aerului ajunge până la 0,1 Mach), cu circuit deschis (aerul este preluat din exterior și expulzat tot în exterior, cu viteză mărită).

Fig.14.2. Tunelul aerodinamic [2]

Modelul experimental 1 este fixat în secțiunea de măsurări 2. Aerul este absorbit în tunel prin pâlnia de alimentare 5 iar curgerea laminară este asigurată prin secțiunea 4 (eventualele componente transversale ale circulației aerului sunt reduse la zero). Curgerea laminară a aerului este accelerată de aproximativ 3,3 ori în secțiunea 3; zona 6 a tunelului realizează decelerarea vitezei aerului care este exhaustat în exterior prin ventilatorul 7.

Măsurarea forțelor se relizează prin intermediul traductorului de forță 8, care este solidar cu modelul experimental 1 (fig.14.3). Prin acest traductor, în interiorul tunelului se pot realiza măsurători (după 2 direcții – antrenare și portanță) referitoare la: forțe, viteze, presiuni, coeficientul aerodinamic de antrenare (drag) și de portanță (lift). Valorile măsurate pentru forțe se pot vizualiza pe ecranul amplificatorului 9 (v. fig.14.3).

Fig.14.3. Sistemul de măsurare Fig.14.4. Tubul manometric Fig.14.5. Panoul de comandă

Viteza aerului în secțiunea de măsurări 2 se poate citi la tubul manometru înclinat 10 (fig.14.4). Panoul de comandă 11 (fig.14.5) conține un comutator principal ON/OFF de alimentare cu energie electrică, un buton de oprire de urgență, un buton de reglare a vitezei aerului (convertor în frecvență) și un comutator ON/OFF al ventilatorului.

Șina 12 permite translatarea peretelui lateral al secțiunii de măsurări și accesul la interiorul secțiunii Sistemul este amplasat pe batiul 13 prevăzut cu role.

Fig.14.6. Principiul de măsurare a forțelor [4]

Forțele de antrenare (drag) FW și de portanță (lift) FA produc, prin intermediul brațului 1 (fig.14.6) care susține modelul experimental, momente de torsiune și respectiv, de încovoiere, care deformează grinda 2; deformațiile sunt măsurate de către marca tensometrică 3 și vizualizate la amplificatorul 9 (fig.14.3). Poziția unghiulară (față de fluxul de aer) a modelului experimental este reglată prin intermediul discului gradat 6. Pentru a evita vibrațiile nedorite, între baza 4 a brațului care susține modelul experimental și cavitatea 5, se interpune vaselină (fig.14.6).

Fig.14.7. Fixarea modelului experimental [4]

Modelul de măsurare se fixează în brațul 1 (v. fig.14.6) prin intermediul unui șurub cu pas fin (fig.14.7).

Fig.14.8. Modelul aerodinamic Fig.14.9. Amplificatorul

Modelul aerodinamic utilizat pentru măsurători (fig.14.8) este utilizat pentru determinarea variației forțelor de antrenare (drag) FW și de portanță (lift) FA în funcție de creșterea vitezei aerului; mărimile măsurate se pot vizualiza pe ecranul amplificatorului (fig.14.9) sau pot fi achiziționate la calculator (fig.14.10).

Amplificatorul (v. fig.14.10) [2] conține două punți de amplificare cu rezistență variabilă care preiau semnalul de la traductoarele de forță. Valorile măsurate ale forțelor, exprimate in N, sunt afișate pe ecranul 1 pentru forța de portanță (lift) și pe ecranul 2 pentru forța de antrenare (drag). Calibrarea la 0 se realizează prin potențiometrul 3 și, respectiv, 4. Factorul de amplificare poate fi setat la valoarea 1 sau 10 prin comutatorul 5. Comutatorul ON/OFF 6 este situat pe partea din spate a amplificatorului. Amplificatorul se pornește cu 30 min. înainte de operația de calibrare.

Fig.14.10. Sistemul de achiziție [3, 4, 5]

Vedere față Vedere spate

Fig.14.11. Dispozitivul de achiziție [3, 4, 5]

Dispozitivul utilizat pentru achiziția datelor este prezentat în fig.14.11 [3, 4, 5]. Pe fața frontală a dispozitivului de achiziție se situează conectorul pentru achiziția măsurătorilor distanțelor sau a unghiurilor 1, conectorii 2 pentru achiziția diferențelor de presiune și conectorul 3 pentru achiziția vitezelor. Conectorul 4 pentru achiziția valorilor măsurate ale forțelor se află pe suprafața din spate a dispozitivului. Conexiunea RS232 5 realizează legătura la caclulator. Alimentarea cu tensiune se realizează prin conexiunea 6; comutatorul ON/OFF este reprezentat de elementul 7. Elementul 8 conține siguranțele fuzibile; calibrarea se realizează din butoanele 9. Display-ul 10 afișează datele achiziționate referitoare la viteză, diferența de presiune și distanță/unghi.

Pentru achiziția și vizualizarea datelor măsurate se utilizează un soft specific [3, 4, 5] care rulează doar când dispozitivul de achiziție este pornit și conectat la calculator. Meniul principal al softului este prezentat în fig.14.12. Prin 1 se poate seta culoarea fondului pe care este afișat graficul iar prin 2 se setează culoarea curbei. Prin butonul 3 se începe salvarea datelor achiziționate, iar prin butonul 4 se stopează salvarea datelor. Domeniul de valori al axelor se poate seta prin click-stânga în zona 5 a axelor. Poziția cursorului se poate muta spre stânga 6 sau spre dreapta 7. Selectarea datelor salvate se realizează prin butonul 8.

Fig.14.12. Meniul principal al soft-ului de achiziție [3, 4, 5]

În meniul Start se poate deschide fereastra de afișare a diagramelor prin Measurement

Diagram, se pot obține informații generale despre firma producătoare GUNT a standului prin About GUNT, sau se poate abandona programul prin Exit.

În meniul File se poate crea prin comanda New Curve un nou fișier în care să se salveze datele achiziționate, se poate încărca un fișier existent prin Load Curve, se poate salva un fișier de date prin Save Curve, se poate tipări un grafic prin Print Curve, se poate șterge curba selectată prin butonul 8 utilizând Delete Curve, se pot salva toate graficele generate prin Save All Curves, sau se pot șterge toate graficele prin Delete All Curves.

În meniul Edit prin Take Measuring Point se adaugă măsurătorile curente la datele achiziționate care pot fi salvate ulterior într-un fișier. Delete Measuring Point realizează ștergerea măsurătorilor (selectarea acesora se realizează porin butoanele 6 sau 7).

În meniul View se setează valorile afișate pe axele x și y (viteză, presiune, unghi, distanță, forță de portanță, forță de antrenare, moment) prin comanda Choose Axis.

În meniul Language se setează limba de afișare a meniului (germană, engleză, franceză, spaniolă).

14.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se realizează sistemul de testare conform schemei din figura

14.10 ținând seama de următoarele aspecte (fig.14.13):

Fig.14.13. Sistemul de testare

Fig.14.14. Panoul de comandă Fig.14.15. Amplificatorul

pe panoul de comandă 11 (fig.14.5) butonul 2 de alimentare cu energie electrică este poziționat pe ON (fig.14.14);

comutatorul ventilatorului 3 este poziționat pe ON (v. fig.14.3);

se pornește amplificatorul prin comutarea ON a butonului 6 (fig.14.15) și se așteaptă 30 min;

prin potențiometrul 3 și, respectiv, 4 se realizează calibrarea la 0; factorul de amplificare se setează la valoarea 1 prin comutatorul 5 (fig.14.15);

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4, se reglează viteza aerului în interiorul

tunelului, la o viteză de 1 m/s;

Vedere față Vedere spate

Fig.14.16. Dispozitivul de achiziție [3, 4, 5]

se pornește sistemul de achiziție prin poziționarea comutatorului 7 pe ON (fig.14.16);

din butoanele 9 se realizează calibrarea dispozitivului;

se rulează soft-ul de achiziție HM 170 Educational Wind Tunnel;

în meniul Start se poate deschide fereastra de afișare a diagramelor prin Measurement Diagram;

în meniul File, prin comanda New Curve se creează un nou fișier în care se salvează datele

achiziționate; Fig.14.17. Discul gradat [3, 4]

în meniul View se setează valorile afișate pe axele x și y (viteză, presiune, unghi, distanță, forță de portanță, forță de antrenare, moment) prin comanda Choose Axis;

prin butonul 3 (v. fig.14.12) se începe salvarea datelor achiziționate;

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4 (fig.14.14), se reglează viteza aerului în interiorul tunelului (reglarea valorilor se realizează prin citirea acestora la manometrul înclinat 10 – fig.14.2); în caz de urgență se poate utiliza butonul 1 de oprire automată a sistemului v. fig.14.14);

după atingerea vitezei de 28 m/s se opreștea chiziția datelor prin butonul 4 (fig.14.12);

se salvează diagrama utilizând comanda Save Curve din meniul File;

se realizează măsurătorile pentru unghiurile de atac ale modelului reglate la 0o, 15o, 30o, 45o, 60o (poziția unghiulară – față de fluxul de aer – a modelului experimental este reglată prin intermediul discului gradat 6 – v. fig.14.6, fig.14.17).

14.4. Rezultate

Diagramele de variație ale forțelor de antrenare și de portanță se salvează îm fișiere separate, pentru fiecare unghi de atac.

14.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la variația forțelor de antrenare și de portanță în funcție de viteza aerului și de unghiul de atac.

Bibliografie

1. www.gunt.de

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170

Educational Wind Tunnel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170.60 PC

Data Acquisition System. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170.08 Drag

Model “Streamlined Shape”. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM280.03

Software PCI – LabView. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

Aplicația 15

MĂSURAREA FORȚELOR DE ANTRENARE ȘI DE PORTANȚĂ CARE ACȚIONEAZĂ ASUPRA SECȚIUNII TRANSVERSALE A UNEI PALE

15.1. Obiectivul aplicației

Asupra elementelor aerodinamice aflate într-un flux de curgere a unui fluid acționează două tipuri forțe care influențează dinamica elementului: forța de antrenare (drag) FW și forța de portanță (lift) FA; forța de antrenare pune în mișcare elementul, iar forța de portanță îl menține ridicat în fluxul de curgere a fluidului (fig.15.1).

15.2. Echipamente Fig.15.1 [4]

Tunelul aerodinamic [2] utilizat pentru generarea vântului (fig.15.2) este unul subsonic (viteza aerului ajunge până la 0,1 Mach), cu circuit deschis (aerul este preluat din exterior și expulzat tot în exterior, cu viteză mărită).

Fig.15.2. Tunelul aerodinamic [2]

Modelul experimental 1 este fixat în secțiunea de măsurări 2. Aerul este absorbit în tunel prin pâlnia de alimentare 5 iar curgerea laminară este asigurată prin secțiunea 4 (eventualele componente transversale ale circulației aerului sunt reduse la zero). Curgerea laminară a aerului este accelerată de aproximativ 3,3 ori în secțiunea 3; zona 6 a tunelului realizează decelerarea vitezei aerului care este exhaustat în exterior prin ventilatorul 7.

Măsurarea forțelor se relizează prin intermediul traductorului de forță 8, care este solidar cu modelul experimental 1 (fig.15.3). Prin acest traductor, în interiorul tunelului se pot realiza măsurători (după 2 direcții – antrenare și portanță) referitoare la: forțe, viteze, presiuni, coeficientul aerodinamic de antrenare (drag) și de portanță (lift). Valorile măsurate pentru forțe se pot vizualiza pe ecranul amplificatorului 9 (v. fig.15.3).

Fig.15.3. Sistemul de măsurare Fig.15.4. Tubul manometric Fig.15.5. Panoul de comandă

Viteza aerului în secțiunea de măsurări 2 se poate citi la tubul manometru înclinat 10 (fig.15.4). Panoul de comandă 11 (fig.15.5) conține un comutator principal ON/OFF de alimentare cu energie electrică, un buton de oprire de urgență, un buton de reglare a vitezei aerului (convertor în frecvență) și un comutator ON/OFF al ventilatorului.

Șina 12 permite translatarea peretelui lateral al secțiunii de măsurări și accesul la interiorul secțiunii. Sistemul este amplasat pe batiul 13 prevăzut cu role.

Fig.15.6. Principiul de măsurare a forțelor [4]

Forțele de antrenare (drag) FW și de portanță (lift) FA produc, prin intermediul brațului 1 (fig.15.6) care susține modelul experimental, momente de torsiune și respectiv, de încovoiere, care deformează grinda 2; deformațiile sunt măsurate de către marca tensometrică 3 și vizualizate la amplificatorul 9 (fig.15.3). Poziția unghiulară (față de fluxul de aer) a modelului experimental este reglată prin intermediul discului gradat 6. Pentru a evita vibrațiile nedorite, între baza 4 a brațului care susține modelul experimental și cavitatea 5, se interpune vaselină (fig.15.6).

Fig.15.7. Fixarea modelului experimental [4]

Modelul de măsurare se fixează în brațul 1 (v. fig.15.6) prin intermediul unui șurub cu pas fin (fig.15.7).

Fig.15.8. Modelul aerodinamic Fig.15.9. Amplificatorul

Modelul aerodinamic (secțiunea transversală a unei pale) utilizat pentru măsurători (fig.15.8) este utilizat pentru determinarea variației forțelor de antrenare (drag) FW și de portanță (lift) FA în funcție de creșterea vitezei aerului; mărimile măsurate se pot vizualiza pe ecranul amplificatorului (fig.15.9) sau pot fi achiziționate la calculator (fig.15.10).

Amplificatorul (v. fig.15.10) [2] conține două punți de amplificare cu rezistență variabilă care preiau semnalul de la traductoarele de forță. Valorile măsurate ale forțelor, exprimate in N, sunt afișate pe ecranul 1 pentru forța de portanță (lift) și pe ecranul 2 pentru forța de antrenare (drag). Calibrarea la 0 se realizează prin potențiometrul 3 și, respectiv, 4. Factorul de amplificare poate fi setat la valoarea 1 sau 10 prin comutatorul 5. Comutatorul ON/OFF 6 este situat pe partea din spate a amplificatorului. Amplificatorul se pornește cu 30 min. înainte de operația de calibrare.

Fig.15.10. Sistemul de achiziție [3, 4, 5]

Vedere față Vedere spate

Fig.15.11. Dispozitivul de achiziție [3, 4, 5]

Dispozitivul utilizat pentru achiziția datelor (fig.15.11) [3, 4, 5]. Pe fața frontală a dispozitivului de achiziție se situează conectorul pentru achiziția măsurătorilor distanțelor sau a unghiurilor 1, conectorii 2 pentru achiziția diferențelor de presiune și conectorul 3 pentru achiziția vitezelor. Conectorul 4 pentru achiziția valorilor măsurate ale forțelor se află pe suprafața din spate a dispozitivului. Conexiunea RS232 5 realizează legătura la caclulator. Alimentarea cu tensiune se realizează prin conexiunea 6; comutatorul ON/OFF este reprezentat de elementul 7. Elementul 8 conține siguranțele fuzibile; calibrarea se realizează din butoanele 9. Display-ul 10 afișează datele achiziționate referitoare la viteză, diferența de presiune și distanță/unghi.

Pentru achiziția și vizualizarea datelor măsurate se utilizează un soft specific care rulează doar când dispozitivul de achiziție este pornit și conectat la calculator [3, 4, 5]. Meniul principal al softului este prezentat în fig.15.12. Prin 1 se poate seta culoarea fondului pe care este afișat graficul iar prin 2 se setează culoarea curbei. Prin butonul 3 se începe salvarea datelor achiziționate, iar prin butonul 4 se stopează salvarea datelor. Domeniul de valori al axelor se poate seta prin click-stânga în zona 5 a axelor. Poziția cursorului se poate muta spre stânga 6 sau spre dreapta 7. Selectarea datelor salvate se realizează prin butonul 8.

Fig.15.12. Meniul principal al soft-ului de achiziție [3, 4, 5]

În meniul Start se poate deschide fereastra de afișare a diagramelor prin Measurement Diagram, se pot obține informații generale despre firma producătoare GUNT a standului prin About GUNT, sau se poate abandona programul prin Exit.

În meniul File se poate crea prin comanda New Curve un nou fișier în care să se salveze datele achiziționate, se poate încărca un fișier existent prin Load Curve, se poate salva un fișier de date prin Save Curve, se poate tipări un grafic prin Print Curve, se poate șterge curba selectată prin butonul 8 utilizând Delete Curve, se pot salva toate graficele generate prin Save All Curves, sau se pot șterge toate graficele prin Delete All Curves.

În meniul Edit prin Take Measuring Point se adaugă măsurătorile curente la datele achiziționate care pot fi salvate ulterior într-un fișier. Delete Measuring Point realizează ștergerea măsurătorilor (selectarea acesora se realizează porin butoanele 6 sau 7).

În meniul View se setează valorile afișate pe axele x și y (viteză, presiune, unghi, distanță, forță de portanță, forță de antrenare, moment) prin comanda Choose Axis.

În meniul Language se setează limba de afișare a meniului (germană, engleză, franceză, spaniolă).

15.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se realizează sistemul de testare conform schemei din figura

15.10 ținând seama de următoarele aspecte (fig.15.13):

Fig.15.13. Sistemul de testare

Fig.15.14. Panoul de comandă Fig.15.15. Amplificatorul

pe panoul de comandă 11 (fig.15.5) butonul 2 de alimentare cu energie electrică este poziționat pe ON (fig.15.14);

comutatorul ventilatorului 3 este poziționat pe ON (v. fig.15.3);

se pornește amplificatorul prin comutarea ON a butonului 6 (fig.15.15) și se așteaptă 30 min;

prin potențiometrul 3 și, respectiv, 4 se realizează calibrarea la 0; factorul de amplificare se setează la valoarea 1 prin comutatorul 5 (fig.15.15);

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4, se reglează viteza aerului în interiorul

tunelului, la o viteză de 1 m/s;

Vedere față Vedere spate

Fig.15.16. Dispozitivul de achiziție [3, 4, 5]

se pornește sistemul de achiziție prin poziționarea comutatorului 7 pe ON (fig.15.16);

din butoanele 9 se realizează calibrarea dispozitivului;

se rulează soft-ul de achiziție HM 170 Educational Wind Tunnel;

în meniul Start se poate deschide fereastra de afișare a diagramelor prin Measurement Diagram;

în meniul File, prin comanda New Curve se creează un nou fișier în care se salvează datele achiziționate;

în meniul View se setează valorile afișate pe axele x și y (viteză, presiune, unghi, distanță, forță de portanță, forță de antrenare, moment) prin comanda Choose Axis;

prin butonul 3 (v. fig.15.12) se începe salvarea datelor achiziționate;

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4 (fig.15.14), se reglează viteza aerului în interiorul tunelului (reglarea valorilor se realizează prin citirea acestora la manometrul înclinat 10 – fig.15.2); în caz de urgență se poate utiliza butonul 1 de oprire automată a sistemului v. fig.15.14);

după atingerea vitezei de 28 m/s se opreșteachiziția datelor prin butonul 4 (fig.15.12);

se salvează diagrama utilizând comanda Save Fig.15.17. Discul gradat [3, 4] Curve din meniul File;

se realizează măsurătorile pentru unghiurile de atac ale modelului reglate la 0o, 15o, 30o, 45o, 60o (poziția unghiulară – față de fluxul de aer – a modelului experimental este reglată prin intermediul discului gradat 6 – v. fig.15.6, fig.15.17).

15.4. Rezultate

Diagramele de variație ale forțelor de antrenare și de portanță se salvează îm fișiere separate, pentru fiecare unghi de atac.

15.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la variația forțelor de antrenare și de portanță în funcție de viteza aerului și de unghiul de atac.

Bibliografie

1. www.gunt.de

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170

Educational Wind Tunnel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170.60 PC

Data Acquisition System. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170.22

Pressure Wing. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM280.03

Software PCI – LabView. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

Aplicația 16

MĂSURAREA FORȚELOR DE ANTRENARE ȘI DE PORTANȚĂ CARE ACȚIONEAZĂ ASUPRA UNUI ELEMENT AERODINAMIC

CILINDRIC

16.1. Obiectivul aplicației

Asupra elementelor aerodinamice aflate într-un flux de curgere a unui fluid acționează două tipuri forțe care influențează dinamica elementului: forța de antrenare (drag) FW și forța de portanță (lift) FA; forța de antrenare pune în mișcare elementul, iar forța de portanță îl menține ridicat în fluxul de curgere a fluidului (fig.16.1).

16.2. Echipamente Fig.16.1 [4]

Tunelul aerodinamic [2] utilizat pentru generarea vântului (fig.16.2) este unul subsonic (viteza aerului ajunge până la 0,1 Mach), cu circuit deschis (aerul este preluat din exterior și expulzat tot în exterior, cu viteză mărită).

Fig.16.2. Tunelul aerodinamic [2]

Modelul experimental 1 este fixat în secțiunea de măsurări 2. Aerul este absorbit în tunel prin pâlnia de alimentare 5 iar curgerea laminară este asigurată prin secțiunea 4 (eventualele componente transversale ale circulației aerului sunt reduse la zero). Curgerea laminară a aerului este accelerată de aproximativ 3,3 ori în secțiunea 3; zona 6 a tunelului realizează decelerarea vitezei aerului care este exhaustat în exterior prin ventilatorul 7.

Măsurarea forțelor se relizează prin intermediul traductorului de forță 8, care este solidar cu modelul experimental 1 (fig.16.3). Prin acest traductor, în interiorul tunelului se pot realiza măsurători (după 2 direcții – antrenare și portanță) referitoare la: forțe, viteze, presiuni, coeficientul aerodinamic de antrenare (drag) și de portanță (lift). Valorile măsurate pentru forțe se pot vizualiza pe ecranul amplificatorului 9 (v. fig.16.3).

Fig.16.3. Sistemul de măsurare Fig.16.4. Tubul manometric Fig.16.5. Panoul de comandă

Fig.16.6. Principiul de măsurare a forțelor [4]

Viteza aerului în secțiunea de măsurări 2 se poate citi la tubul manometru înclinat 10

(fig.16.4). Panoul de comandă 11 (fig.16.5) conține un comutator principal ON/OFF de alimentare cu energie electrică, un buton de oprire de urgență, un buton de reglare a vitezei aerului (convertor în frecvență) și un comutator ON/OFF al ventilatorului.

Șina 12 permite translatarea peretelui lateral al secțiunii de măsurări și accesul la interiorul secțiunii Sistemul este amplasat pe batiul 13 prevăzut cu role.

Forțele de antrenare (drag) FW și de portanță (lift) FA produc, prin intermediul brațului 1 (fig.16.6) care susține modelul experimental, momente de torsiune și respectiv, de încovoiere, care deformează grinda 2; deformațiile sunt măsurate de către marca tensometrică 3 și vizualizate la amplificatorul 9 (fig.16.3). Poziția unghiulară (față de fluxul de aer) a modelului experimental este reglată prin intermediul discului gradat 6. Pentru a evita vibrațiile nedorite, între baza 4 a brațului care susține modelul experimental și cavitatea 5, se interpune vaselină (fig.16.6).

Fig.16.7. Fixarea modelului experimental [4]

Modelul de măsurare se fixează în brațul 1 (v. fig.16.6) prin intermediul unui șurub cu pas fin (fig.16.7).

Fig.16.8. Modelul aerodinamic Fig.16.9. Amplificatorul

Modelul aerodinamic (cilindru) utilizat pentru măsurători (fig.16.8) este utilizat pentru determinarea variației forțelor de antrenare (drag) FW și de portanță (lift) FA în funcție de creșterea vitezei aerului; mărimile măsurate se pot vizualiza pe ecranul amplificatorului (fig.16.9) sau pot fi achiziționate la calculator (fig.16.10).

Amplificatorul (v. fig.16.10) [2] conține două punți de amplificare cu rezistență variabilă care preiau semnalul de la traductoarele de forță. Valorile măsurate ale forțelor, exprimate in N, sunt afișate pe ecranul 1 pentru forța de portanță (lift) și pe ecranul 2 pentru forța de antrenare (drag). Calibrarea la 0 se realizează prin potențiometrul 3 și, respectiv, 4. Factorul de amplificare poate fi setat la valoarea 1 sau 10 prin comutatorul 5. Comutatorul ON/OFF 6 este situat pe partea din spate a amplificatorului. Amplificatorul se pornește cu 30 min. înainte de operația de calibrare.

Fig.16.10. Sistemul de achiziție [3, 4, 5]

Vedere față Vedere spate

Fig.16.11. Dispozitivul de achiziție [3, 4, 5]

Dispozitivul utilizat pentru achiziția datelor este prezentat în fig.16.11 [3, 4, 5]. Pe fața frontală a dispozitivului de achiziție se situează conectorul pentru achiziția măsurătorilor distanțelor sau a unghiurilor 1, conectorii 2 pentru achiziția diferențelor de presiune și conectorul 3 pentru achiziția vitezelor. Conectorul 4 pentru achiziția valorilor măsurate ale forțelor se află pe suprafața din spate a dispozitivului. Conexiunea RS232 5 realizează legătura la caclulator. Alimentarea cu tensiune se realizează prin conexiunea 6; comutatorul ON/OFF este reprezentat de elementul 7. Elementul 8 conține siguranțele fuzibile; calibrarea se realizează din butoanele 9. Display-ul 10 afișează datele achiziționate referitoare la viteză, diferența de presiune și distanță/unghi.

Pentru achiziția și vizualizarea datelor măsurate se utilizează un soft specific [3, 4, 5] care rulează doar când dispozitivul de achiziție este pornit și conectat la calculator. Meniul principal al softului este prezentat în fig.16.12. Prin 1 se poate seta culoarea fondului pe care este afișat graficul iar prin 2 se setează culoarea curbei. Prin butonul 3 se începe salvarea datelor achiziționate, iar prin butonul 4 se stopează salvarea datelor. Domeniul de valori al axelor se poate seta prin click-stânga în zona 5 a axelor. Poziția cursorului se poate muta spre stânga 6 sau spre dreapta 7. Selectarea datelor salvate se realizează prin butonul 8.

Fig.16.12. Meniul principal al soft-ului de achiziție [3, 4, 5]

În meniul Start se poate deschide fereastra de afișare a diagramelor prin Measurement

Diagram, se pot obține informații generale despre firma producătoare GUNT a standului prin About GUNT, sau se poate abandona programul prin Exit.

În meniul File se poate crea prin comanda New Curve un nou fișier în care să se salveze datele achiziționate, se poate încărca un fișier existent prin Load Curve, se poate salva un fișier de date prin Save Curve, se poate tipări un grafic prin Print Curve, se poate șterge curba selectată prin butonul 8 utilizând Delete Curve, se pot salva toate graficele generate prin Save All Curves, sau se pot șterge toate graficele prin Delete All Curves.

În meniul Edit prin Take Measuring Point se adaugă măsurătorile curente la datele achiziționate care pot fi salvate ulterior într-un fișier. Delete Measuring Point realizează ștergerea măsurătorilor (selectarea acesora se realizează porin butoanele 6 sau 7).

În meniul View se setează valorile afișate pe axele x și y (viteză, presiune, unghi, distanță, forță de portanță, forță de antrenare, moment) prin comanda Choose Axis.

În meniul Language se setează limba de afișare a meniului (germană, engleză, franceză, spaniolă).

16.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se realizează sistemul de testare conform schemei din figura

16.10 ținând seama de următoarele aspecte (fig.16.13):

Fig.16.13. Sistemul de testare

Fig.16.14. Panoul de comandă Fig.16.15. Amplificatorul

pe panoul de comandă 11 (fig.16.5) butonul 2 de alimentare cu energie electrică este poziționat pe ON (fig.15.14);

comutatorul ventilatorului 3 este poziționat pe ON (v. fig.16.3);

se pornește amplificatorul prin comutarea ON a butonului 6 (fig.16.15) și se așteaptă 30 min;

prin potențiometrul 3 și, respectiv, 4 se realizează calibrarea la 0; factorul de amplificare se setează la valoarea 1 prin comutatorul 5 (fig.16.15);

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4, se reglează viteza aerului în interiorul

tunelului, la o viteză de 1 m/s;

Vedere față Vedere spate

Fig.16.16. Dispozitivul de achiziție [3, 4, 5]

se pornește sistemul de achiziție prin poziționarea comutatorului 7 pe ON (fig.16.16);

din butoanele 9 se realizează calibrarea dispozitivului;

se rulează soft-ul de achiziție HM 170 Educational Wind Tunnel;

în meniul Start se poate deschide fereastra de afișare a diagramelor prin Measurement Diagram;

în meniul File, prin comanda New Curve se creează un nou fișier în care se salvează datele achiziționate;

în meniul View se setează valorile afișate pe axele x și y (viteză, presiune, unghi, distanță, forță de portanță, forță de antrenare, moment) prin comanda Choose Axis;

prin butonul 3 (v. fig.16.12) se începe salvarea datelor achiziționate;

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4 (fig.16.14), se reglează viteza aerului în interiorul tunelului (reglarea valorilor se realizează prin citirea acestora la manometrul înclinat 10 – fig.16.2); în caz de urgență se poate utiliza butonul 1 de oprire automată a sistemului v. fig.16.14);

după atingerea vitezei de 28 m/s se opreșteachiziția datelor prin butonul 4 (fig.16.12); – se salvează diagrama utilizând comanda Save Curve din meniul File.

16.4. Rezultate

Se salvează diagramele de variație ale forțelor de antrenare și de portanță.

16.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la variația forțelor de antrenare și de portanță în funcție de viteza aerului.

Bibliografie

1. www.gunt.de

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170

Educational Wind Tunnel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170.60 PC

Data Acquisition System. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170.23

Pressure Cylinder. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM280.03

Software PCI – LabView. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

Aplicația 17

STUDIUL DISTRIBUȚIEI PRESIUNII PE SUPRAFAȚA UNUI

ELEMENT AERODINAMIC CILINDRIC

17.1. Obiectivul aplicației

Studiul distribuției presiunii pe suprafețele elementelor aerodinamice are o importanță semnificativă în vederea identificării comportării aerodinamice a acestora, cu aplicație directă în domeniul turbinelor eoliene (în cazul elementelor cilindrice aplicația o reprezintă turbina Darrieus). În cazul neglijării fenomenului de frecare între straturile unui fluid, curgerea acestuia are un caracter laminar (curgere în straturi paralele) sau turbulent (straturile de curgere nu sunt paralele) în anumite zone ale elementelor aerodinamice

situate pe direcția de curgere a fluidului, fapt ce Fig.17.1. Curgerea fluidului [3] influențează distribuția presiunii pe corpul aerodinamic.

Expresia vitezei aerului pe suprafața unui cilindru este [3]

v 2vsin, (17.1)

în care (fig.17.2): v∞ reprezintă viteza fluxul de aer înainte de contactul cu cilindrul iar  – unghiul de poziței față de direcția de curgere a aerului, a punctului în care se calculează viteza aerului. Presiunea relativă calculată în același punct este [3, 4]

1 21 4sin2, (17.2) pr  p  p0  v

2

măsurătorile din aplicație, presiunea se măsoară prin intermediul tuburilor manometrice și se ține seama de faptul că

1 cm col. Apă = 1 mbar = 100 Pa. (17.3) Aplicația își propune să realizeze trasarea curbei de distribuție a presiunii pe suprafața exterioară a unui cilindru, în funcție de poziția unghiulară a punctelor de măsurare și a vitezei aerului.

17.2. Echipamente

Tunelul aerodinamic utilizat pentru generarea vântului (fig.17.3) [2] este unul subsonic

(viteza aerului ajunge până la 0,1 Mach), cu circuit deschis (aerul este preluat din exterior și expulzat tot în exterior, cu viteză mărită).

Modelul experimental 1 este fixat în secțiunea de măsurări 2. Aerul este absorbit în tunel prin pâlnia de alimentare 5 iar curgerea laminară este asigurată prin secțiunea 4 (eventualele componente transversale ale circulației aerului sunt reduse la zero). Curgerea laminară a aerului este accelerată de aproximativ 3,3 ori în secțiunea 3; zona 6 a tunelului realizează decelerarea vitezei aerului care este exhaustat în exterior prin ventilatorul 7.

Fig.17.3. Tunelul aerodinamic [2]

Fig.17.4. Sistemul de măsurare Fig.17.5. Tubul manometric Fig.17.6. Panoul de comandă Măsurarea forțelor se relizează prin intermediul traductorului de forță 8, care este solidar cu modelul experimental 1 (fig.17.4). Prin acest traductor, în interiorul tunelului se pot realiza măsurători (după 2 direcții – antrenare și portanță) referitoare la: forțe, viteze, presiuni, coeficientul aerodinamic de antrenare (drag) și de portanță (lift). Valorile măsurate pentru forțe se pot vizualiza pe ecranul amplificatorului 9 (v. fig.17.4).

Viteza aerului în secțiunea de măsurări 2 se poate citi la tubul manometru înclinat 10 (fig.17.5). Panoul de comandă 11 (fig.17.6) conține un comutator principal ON/OFF de alimentare cu energie electrică, un buton de oprire de urgență, un buton de reglare a vitezei aerului (convertor în frecvență) și un comutator ON/OFF al ventilatorului.

Șina 12 permite translatarea peretelui lateral al secțiunii de măsurări și accesul la interiorul secțiunii Sistemul este amplasat pe batiul 13 prevăzut cu role.

Brațul 1 (fig.17.7) susține modelul experimental iar fluxul de aer generează momentele de torsiune și respectiv, de încovoiere, care deformează grinda 2; deformațiile sunt măsurate de către marca tensometrică 3 și vizualizate la amplificatorul 9 (fig.17.4). Poziția unghiulară (față de fluxul Fig.17.7. Principiul de de aer) a modelului experimental este reglată prin măsurare a forțelor [2] intermediul discului gradat 6. Pentru a evita vibrațiile nedorite, între baza 4 a brațului care susține modelul experimental și cavitatea 5, se interpune vaselină. Modelul de măsurare se fixează în brațul 1 (v. fig.17.7) prin intermediul unui șurub cu pas fin (fig.17.8).

Fig.17.8. Fixarea modelului experimental [4]

Modelul aerodinamic (cilindru) [3] utilizat pentru măsurători (fig.17.9) este prevăzut cu 13 găuri dispuse pe circumferință, în direcție axială, prin intermediul cărora se realizează măsurarea presiunii relative. Ținând seama de simetria distribuției presiunii, măsurarea acesteia se poate efectua în intervale de 15o. Fiecare punct de măsurare este conectat la punctele de conexiune a furtunelor de măsurare, aflate la baza cilindrului.

Fig.17.9. Modelul aerodinamic [3]

Fig.17.10. Manometrul multitub [4]

Manometrul multitub (fig.17.10) [4] conține 16 tuburi de tip manometru cu scală gradată 2, montate pe un panou rabatabil 1. Fiecare tub manometric este prevăzut, în partea superioară, cu duză de conexiune 3. Alimentarea cu apă se realizează prin intermediul rezervorului 4 conectat la tubul de legătură 5. Prin construcție manomentrul multitub oferă posibilitatea de măsurare a presiunilor absolute sau relative ale aerului, a presiunilor statice sau dinamice ale aerului aflat în curgere. Panoul se poate orienta în 3 poziții de înclinare prin intermediul pârghiei 6, oferind astfel posibilitatea de măsurare a presiunilor foarte mici. Înclinarea panoului se poate citi pe indicatorul 7: 1:2 (63,4o), 1:5 (78,7o), 1:10 (84,3o). Fixarea pe direcție verticală a panoului se realizează prin intermediul șuruburilor 8, ținând seama de indicatorul 10. Fixarea panoului pe standul 11 se realizezaă prin șuruburile de stângere 9.

Pentru alimentarea cu apă, rezervorul se fixează la mijlocul tuburilor manometrice și se alimentează cu apă până la jumătatea înălțimii rezervorului (fig.17.11).

La alimentarea cu apă, duzele superioare ale tuburilor manometrice sunt neconectate, și conform principiului vaselor comunicante, nivelul apei este același în rezervor și în toate tuburile (fig.17.12), ținând seama de presiunea atmosferică.

Fig.17.11. Alimentarea cu apă [4] Fig.17.12. Nivelul apei [4] Fig.17.13. Reglarea înclinării [4]

Pentru acuratețea măsurătorilor se poate regla înclinarea panoului (fig.17.13) la 1:2 (63,4o), 1:5 (78,7o), 1:10 (84,3o), prin acționarea pârghiei 6 (v. fig.17.10) și citirea indicatorului 7.

17.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se realizează sistemul de testare conform schemei din figura

17.14 ținând seama de următoarele aspecte:

duzele superioare ale tuburilor manometrice sunt conectate prin intermediul furtunelor flexibile 1 la duzele clindrului 2;

duza rezervorului 3 este conectată printr-un furtun flexibil la secțiunea de măsurare 4 pentru măsurarea presiunii statice (măsurarea presiunii statice se poate realiza și fără această conexiune, prin intermediul manometrului înclinat 10 al tunelului aerodinamic – v. fig.17.3);

se înclină manometrul multitub pentru a asigura un domeniu de măsurare de ±500 Pa

(în cazul înclinării, valoarea citită trebuie împărțită la factorul de înclinare);

Fig.17.14. Sistemul de testare [4]

se aliniază rezervorul 3 la poziția 0 prin deplasarea pe verticală;

pe panoul de comandă 11 (v. fig.17.3) al tunelului aerodinamic, butonul 2 de alimentare cu energie electrică este poziționat pe ON (fig.17.15);

comutatorul ventilatorului 3 este poziționat pe ON (v. fig.17.15);

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4, se reglează viteza aerului în interiorul tunelului vt (reglarea valorilor se realizează prin citirea acestora la manometrul

Fig.17.15. Panoul de comandă înclinat 10 – v. fig.17.3); în

caz de urgență se poate utiliza butonul 1 de oprire automată a sistemului v. fig.17.15);

pentru fiecare valoare reglată a vitezei aerului în interiorul tunelului se citesc valorile presiunilor pe manometrul multitub;

utilizând relația (17.2) se determină valoarea presiunii relative pentru fiecare măsurare.

17.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor și ale calculelor se trec în tabelele următoare.

Se trasează diagramele de variație a presiunii calculate și măsurate (pe același grafic) în funcție de poziția unghiulară a punctului de măsurare, separat pentru fiecare viteză a aerului.

Tabelul 17.1

Se trasează diagramele de variație a presiunii calculate și măsurate (pe același grafic) în funcție de viteza aerului, separat pentru pozițiile unghiulare: 0o, 30o, 60o, 90o, 120o, 150o, 180o.

17.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la variația presiunii relative în funcție de viteza aerului și de poziția unghiulară a punctelor de măsurare.

Bibliografie

1. www.gunt.de

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170

Educational Wind Tunnel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170.23

Pressure Cylinder. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Experiment Instructions. HM170.50

Multi-Tube Manometer Panel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

Aplicația 18

STUDIUL INFLUENȚEI UNGIHULUI DE ATAC ASUPRA DISTRIBUȚIEI PRESIUNII PE SECȚIUNEA TRANSVERSALĂ A

PALEI UNEI TURBINE EOLIENE

18.1. Obiectivul aplicației

Caracterul curgerii aerului (laminar sau turbulent) are o influență importantă asupra aerodinamicii palelor turbinelor eoliene. Pentru o comportare aerodimanică bună, se urmărește identificarea cazurilor în care aerul are o curgere laminară (straturile de aer se deplasează paralel), o curgere turbulentă (straturile de aer nu se deplasează paralel) conducând la apariția vibrațiilor, cu efecte nedorite din punct de vedere dinamic (de exemplu, în cazul aeronavelor, o curgere turbulentă a aerului la

nivelul aripilor poate duce la prăbușirea Fig.18.1. Curgerea aerului aeronavei). Unghiul de înclinare a palei turbinei

eoliene (unghiul de atac) influențează caracterul curgerii aerului (fig.18.1). Astfel, pe de o parte, prin înclinarea palei se poate obține o portanță mărită (deci curent generat mai mare) dar, pe de altă parte, curgerea turbulentă a aerului generată de înclinarea palei poate duce la efecte dinamice nedorite (vibrații). Se urmărește identificarea unui compromis între unghiul de înclinare a palei (portanță mărită) și curgerea aerului cu turbulențe reduse.

În măsurătorile din aplicație, pentru punctele de măsurare, presiunea se măsoară prin intermediul tuburilor manometrice și se ține seama de faptul că

1 cm col. Apă = 1 mbar = 100 Pa. (18.1)

Aplicația își propune să realizeze trasarea curbei de distribuție a presiunii pe suprafața exterioară a unei secțiuni transversale pentru o pală a unei turbine eoliene, în funcție de viteza aerului și de unghiul de atac.

18.2. Echipamente

Tunelul aerodinamic utilizat pentru generarea vântului (fig.18.2) [2] este unul subsonic (viteza aerului ajunge până la 0,1 Mach), cu circuit deschis (aerul este preluat din exterior și expulzat tot în exterior, cu viteză mărită).

Modelul experimental 1 este fixat în secțiunea de măsurări 2. Aerul este absorbit în tunel prin pâlnia de alimentare 5 iar curgerea laminară este asigurată prin secțiunea 4 (eventualele componente transversale ale circulației aerului sunt reduse la zero). Curgerea laminară a aerului este accelerată de aproximativ 3,3 ori în secțiunea 3; zona 6 a tunelului realizează decelerarea vitezei aerului care este exhaustat în exterior prin ventilatorul 7.

Fig.18.2. Tunelul aerodinamic [2]

Măsurarea forțelor se relizează prin intermediul traductorului de forță 8, care este solidar cu modelul experimental 1 (fig.18.3). Prin acest traductor, în interiorul tunelului se pot realiza măsurători (după 2 direcții – antrenare și portanță) referitoare la: forțe, viteze, presiuni, coeficientul aerodinamic de antrenare (drag) și de portanță (lift). Valorile măsurate pentru forțe se pot vizualiza pe ecranul amplificatorului 9 (v. fig.18.3).

Fig.18.3. Sistemul de măsurare Fig.18.4. Tubul manometric Fig.18.5. Panoul de comandă Viteza aerului în secțiunea de măsurări 2 se poate citi la tubul manometru înclinat 10 (fig.18.4). Panoul de comandă 11 (fig.18.5) conține un comutator principal ON/OFF de alimentare cu energie electrică, un buton de oprire de urgență, un buton de reglare a vitezei aerului (convertor în frecvență) și un comutator ON/OFF al ventilatorului.

Șina 12 permite translatarea peretelui lateral al secțiunii de măsurări și accesul la interiorul secțiunii Sistemul este amplasat pe batiul 13 prevăzut cu role.

Brațul 1 (fig.18.6) susține modelul experimental iar fluxul de aer generează momentele de torsiune și respectiv, de încovoiere, care deformează grinda 2; deformațiile sunt măsurate de către marca tensometrică 3 și vizualizate la amplificatorul 9 (fig.18.3). Poziția unghiulară (față de fluxul Fig.18.6. Principiul de de aer) a modelului experimental este reglată prin măsurare a forțelor [2] intermediul discului gradat 6. Pentru a evita vibrațiile nedorite, între baza 4 a brațului care susține modelul experimental și cavitatea 5, se interpune vaselină. Modelul de măsurare se fixează în brațul 1 (v. fig.18.6) prin intermediul unui șurub cu pas fin (fig.18.7).

Fig.18.7. Fixarea modelului experimental [2]

Modelul aerodinamic (secțiunea transversală prin pală) [3] utilizat pentru măsurători (fig.18.8) este prevăzut cu 16 găuri dispuse pe circumferință, în direcție axială, prin intermediul cărora se realizează măsurarea presiunii relative. Fiecare punct de măsurare (diametrul acestuia este 1,5 mm) este conectat la punctele de conexiune a furtunelor de măsurare, aflate la baza modelului. Coordonatele punctelor de măsurare sunt prezentate în tabelul 18.1 [3].

Tabelul 18.1

Fig.18.8. Modelul aerodinamic [3]

Manometrul multitub (fig.18.9) [4] conține 16 tuburi de tip manometru cu scală gradată 2, montate pe un panou rabatabil 1. Fiecare tub manometric este prevăzut, în partea superioară, cu duză de conexiune 3. Alimentarea cu apă se realizează prin intermediul rezervorului 4 conectat la tubul de legătură 5. Prin construcție manomentrul multitub oferă posibilitatea de măsurare a presiunilor absolute sau relative ale aerului, a presiunilor statice sau dinamice ale aerului aflat în curgere. Panoul se poate orienta în 3 poziții de înclinare prin intermediul pârghiei 6, oferind astfel posibilitatea de măsurare a presiunilor foarte mici. Înclinarea panoului se poate citi pe indicatorul 7: 1:2 (63,4o), 1:5 (78,7o), 1:10 (84,3o). Fixarea pe direcție verticală a panoului se realizează prin intermediul șuruburilor 8, ținând seama de indicatorul 10. Fixarea panoului pe standul 11 se realizezaă prin șuruburile de stângere 9.

Pentru alimentarea cu apă, rezervorul se fixează la mijlocul tuburilor manometrice și se alimentează cu apă până la jumătatea înălțimii rezervorului (fig.18.10).

Fig.18.9. Manometrul multitub [4]

La alimentarea cu apă, duzele superioare ale tuburilor manometrice sunt neconectate, și conform principiului vaselor comunicante, nivelul apei este același în rezervor și în toate tuburile (fig.18.11), ținând seama de presiunea atmosferică.

Fig.18.10. Alimentarea cu apă [4] Fig.18.11. Nivelul apei [4] Fig.18.12. Reglarea înclinării [4]

Pentru acuratețea măsurătorilor se poate regla înclinarea panoului (fig.18.12) la 1:2 (63,4o), 1:5 (78,7o), 1:10 (84,3o), prin acționarea pârghiei 6 (v. fig.18.9) și citirea indicatorului 7.

18.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se realizează sistemul de testare conform schemei din figura

18.13 ținând seama de următoarele aspecte:

Fig.18.13. Sistemul de testare [4]

duzele superioare ale tuburilor manometrice sunt conectate prin intermediul furtunelor flexibile 1 la duzele modelului aerodinamic 2;

poziția unghiulară (față de fluxul de aer) a modelului experimental este reglată prin intermediul discului gradat 6 (v. fig.18.6) la valoarea 0o;

duza rezervorului 3 este conectată printr-un furtun flexibil la secțiunea de măsurare 4 pentru măsurarea presiunii statice (măsurarea presiunii statice se poate realiza și fără această conexiune, prin intermediul manometrului înclinat 10 al tunelului aerodinamic – v. fig.18.2);

se înclină manometrul multitub pentru a asigura un domeniu de măsurare de ±500 Pa

(în cazul înclinării, valoarea citită trebuie împărțită la factorul de

înclinare);

se aliniază rezervorul 3 la poziția 0 prin deplasarea pe verticală;

pe panoul de comandă 11 (v. fig.18.2) al tunelului aerodinamic, butonul 2 de alimentare cu energie electrică este poziționat pe ON

(fig.18.14);

comutatorul ventilatorului 3 este Fig.18.14. Panoul de comandă poziționat pe ON (v. fig.18.14);

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4, se reglează viteza aerului în interiorul tunelului vt (reglarea valorilor se realizează prin citirea acestora la manometrul înclinat 10 – v. fig.18.2); în caz de urgență se poate utiliza butonul 1 de oprire automată a sistemului v. fig.18.14);

pentru fiecare valoare reglată a vitezei aerului în interiorul tunelului se citesc valorile presiunilor pe manometrul multitub;

se repetă măsurătorile pentru pozițiile unghiulare de 15o, 30o, 45o.

18.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor și ale calculelor se trec în tabelele următoare 18.2 … 18.5. Se trasează diagramele de variație a presiunii în funcție de viteza aerului pe același profil aerodimanic, în cazul seturilor de unghiuri de atac.

18.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la variația presiunii relative în funcție de viteza aerului și de unghiul de atac, pentru punctele de măsurare ale modelului aerodinamic.

Tabelul 18.2

Tabelul 18.3

Tabelul 18.4

Tabelul 18.5

Bibliografie

1. www.gunt.de

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170

Educational Wind Tunnel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170.22

Pressure Cylinder. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Experiment Instructions. HM170.50

Multi-Tube Manometer Panel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

Aplicația 19

STUDIUL CURGERII AERULUI PE SUPRAFEȚE PLANE

19.1. Obiectivul aplicației

Studiul curgerii aerului pe suprafața palei turbinei eoliene are o importanță deosebită în vederea identificării caracterului laminar sau turbulent al curgerii, cu influență directă asupra dinamicii rotorului

(curgerea turbulentă a aerului pe pală poate genera șocuri și vibrații în structura rotorului).

Curgerea aerului la interacțiunea cu suprafețele plane

(paralele cu direcția de

curgere) are un caracter Laminar Zonă tranziție Turbulent

complex – atât laminar Fig.19.1. Curgerea aerului pe o suprafață plană [3]

(starturile de aer se deplasează paralel cu suprafața plană), cât și turbulent (straturile de aer se deplasează dezordonat, cu legi de mișcare oarecare). La distanțe mici de zona de interațiune a aerului cu suprafața plană paralelă cu direcția de curgere, deplasarea aerului este laminară, viteza de curgere fiind dependentă de vâscozitatea fluidului (aerului). Stratul de curgere laminară devine turbulent la o anumită distanță de zona de interacțiune cu suprafața plană (fig.19.1). Grosimea straturilor de aer care au aceeași viteză de deplasare este influențată de mărimea vitezei și de caracterul curgerii: grosimea straturilor de aer scade cu creșterea vitezei de curgere iar în curgere turbulentă straturile de aer sunt mai subțiri decât în cazul curgerii laminare. Grosimea traturilor de aer crește cu creșterea distanței x față de zona de interacțiune cu placa plană.

Expresia vitezei de curgere a aerului este

2pdin , (19.1)

v 



în care: pdin reprezintă presiunea dinamică iar  – densitatea aerului (=1.2255 kg/m3 la nivelul mării). Presiunea dinamică se determină ca diferență între presiunea totală ptot și presiunea sttatică pstat

pdin  ptot pstat . (19.2)

Aplicația își propune să realizeze trasarea curbelor de distribuție a vitezei straturilor de aer în curgerea deasupra unei suprafețe plane.

19.2. Echipamente

Tunelul aerodinamic utilizat pentru generarea vântului (fig.19.2) [2] este unul subsonic

(viteza aerului ajunge până la 0,1 Mach), cu circuit deschis (aerul este preluat din exterior și expulzat tot în exterior, cu viteză mărită).

Modelul experimental 1 este fixat în secțiunea de măsurări 2. Aerul este absorbit în tunel prin pâlnia de alimentare 5 iar curgerea laminară este asigurată prin secțiunea 4 (eventualele componente transversale ale circulației aerului sunt reduse la zero). Curgerea laminară a aerului este accelerată de aproximativ 3,3 ori în secțiunea 3; zona 6 a tunelului realizează decelerarea vitezei aerului care este exhaustat în exterior prin ventilatorul 7.

Fig.19.2. Tunelul aerodinamic [2]

Măsurarea forțelor se relizează prin intermediul traductorului de forță 8, care este solidar cu modelul experimental 1 (fig.19.3). Prin acest traductor, în interiorul tunelului se pot realiza măsurători (după 2 direcții – antrenare și portanță) referitoare la: forțe, viteze, presiuni, coeficientul aerodinamic de antrenare (drag) și de portanță (lift). Valorile măsurate pentru forțe se pot vizualiza pe ecranul amplificatorului 9 (v. fig.19.3).

Fig.19.3. Sistemul de măsurare Fig.19.4. Tubul manometric Fig.19.5. Panoul de comandă

Viteza aerului în secțiunea de măsurări 2 se poate citi la tubul manometru înclinat 10 (fig.19.4). Panoul de comandă 11 (fig.19.5) conține un comutator principal ON/OFF de alimentare cu energie electrică, un buton de oprire de urgență, un buton de reglare a vitezei aerului (convertor în frecvență) și un comutator ON/OFF al ventilatorului.

Șina 12 permite translatarea peretelui lateral al secțiunii de măsurări și accesul la interiorul secțiunii. Sistemul este amplasat pe batiul 13 prevăzut cu role.

Brațul 1 (fig.19.6) susține modelul experimental iar fluxul de aer generează momentele de torsiune și respectiv, de încovoiere, care deformează grinda 2; deformațiile sunt măsurate de către marca tensometrică 3 și vizualizate la amplificatorul 9 (fig.19.3). Poziția unghiulară (față de fluxul Fig.19.6. Principiul de de aer) a modelului experimental este reglată prin măsurare a forțelor [2] intermediul discului gradat 6. Pentru a evita vibrațiile nedorite, între baza 4 a brațului care susține modelul experimental și cavitatea 5, se interpune vaselină. Modelul de măsurare se fixează în brațul 1 (v. fig.19.6) prin intermediul unui șurub cu pas fin (fig.19.7).

Dispozitivul utilizat pentru studiul curgerii aerului pe suprafețe plane este prezentat în fig.19.8 [3]. Dispozitivul conține două plăci plane de rugozități diferite 1 (fig.19.9) care se pot monta în secțiunea de măsurare 2 a tunelului aerodinamic. Tubul Pitot permite măsurarea presiunii la o anumită distanță pe verticală față de placa 1, distanță reglabilă cu precizie ridicată prin intermediul micrometrului 5. Placa 1 poate fi deplasată longitudinal prin intermediul angrenajului 4, pentru realizarea de măsurători la diferite distanțe față de tubul Pitot. Presiunea statică se poate măsura prin conectarea duzei 6, utilizând un furtun flexibil, la un tub manometric.

Fig.19.7. Fixarea modelului experimental [2]

Fig.19.8. Dispozitivul de măsurare [3]

Manometrul multitub (fig.19.10) [4] conține 16 tuburi de tip manometru cu scală gradată 2, montate pe un panou rabatabil 1. Fiecare tub manometric este prevăzut, în partea superioară, cu duză de conexiune 3. Alimentarea cu apă se realizează prin intermediul rezervorului 4 conectat la tubul de legătură 5. Prin construcție manomentrul multitub oferă posibilitatea de măsurare a presiunilor absolute sau relative ale aerului, a presiunilor statice sau dinamice ale aerului aflat în curgere. Panoul se poate orienta în 3 poziții de înclinare prin intermediul pârghiei 6, oferind astfel posibilitatea de măsurare a presiunilor foarte mici. Înclinarea panoului se poate citi pe indicatorul 7: 1:2 (63,4o), 1:5 (78,7o), 1:10 (84,3o). Fixarea pe direcție verticală a panoului se realizează prin intermediul șuruburilor 8, ținând seama de indicatorul 10. Fixarea panoului pe standul 11 se realizezaă prin șuruburile de stângere 9.

Fig.19.9. Plăcile plane

Pentru alimentarea cu apă, rezervorul se fixează la mijlocul tuburilor manometrice și se alimentează cu apă până la jumătatea înălțimii rezervorului (fig.19.11).

La alimentarea cu apă, duzele superioare ale tuburilor manometrice sunt neconectate, și conform principiului vaselor comunicante, nivelul apei este același în rezervor și în toate tuburile (fig.19.12), ținând seama de presiunea atmosferică.

Pentru acuratețea măsurătorilor se poate regla înclinarea panoului (fig.19.13) la 1:2 (63,4o), 1:5 (78,7o), 1:10 (84,3o), prin acționarea pârghiei 6 (v. fig.19.10) și citirea indicatorului 7.

19.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se realizează sistemul de testare conform schemei din figura

19.14 ținând seama de următoarele aspecte:

se introduce placa 1 în secțiunea de măsurări 2 (v. fig.19.2) a tunelului aerodinamic, cu muchia teșită în partea de jos;

prin cele 4 șuruburi 2 consola se fixează în secțiunea de lucru;

în gaura centrală din secțiunea de lucru se introduce butonul rotativ 3 care permite deplasarea longitudinală a plăcii;

Fig.19.10. Manometrul multitub [4]

Fig.19.11. Alimentarea cu apă [4] Fig.19.12. Nivelul apei [4] Fig.19.13. Reglarea înclinării [4]

se desface șurubul cu cap striat 4 care fixează tubul Pitot 5;

se ridică tubul Pitot 5 până la o ditanță de aprox. 100 mm de suprafața superioară a secțiunii de lucru, pentru a evita contactul cu placa 1;

se introduce micrometrul 6 împreună cu tubl Pitot 5 în secțiunea de lucru dinspre partea superioară a secțiunii și se fixează cu șurubul cu cap striat;

prin intermediul micrometrului 6 se realizează contactul dintre tubul Pitot 5 și placa 1;

Fig.19.14. Sistemul de testare [3, 4]

se aliniază tubul Pitot 5 cu vârful în sens opus sensului curgere a aerului și se fixează prin intermediul șurubului cu cap striat;

duzele superioare ale tuburilor manometrice ale manometrului multitub sunt conectate prin intermediul furtunelor flexibile la duzele dispozitivului de măsurare;

duza rezervorului 4 (v. fig.19.10) este conectată printr-un furtun flexibil la secțiunea de măsurare 4 pentru măsurarea presiunii statice (măsurarea presiunii statice se poate realiza și fără această conexiune, prin intermediul manometrului înclinat 10 al tunelului aerodinamic – v. fig.19.2);

se înclină manometrul multitub pentru a asigura un domeniu de măsurare de ±500 Pa (în cazul înclinării, valoarea citită trebuie împărțită la

factorul de înclinare);

se aliniază rezervorul 3 la poziția 0 prin deplasarea pe verticală;

pe panoul de comandă 11 (v.

fig.19.2) al tunelului

Fig.19.15. Panoul de comandă aerodinamic, butonul 2 de

alimentare cu energie electrică este poziționat pe ON (fig.19.15);

comutatorul ventilatorului 3 este poziționat pe ON (v. fig.19.15);

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4, se reglează viteza aerului în interiorul tunelului vt la 20 m/s (reglarea valorii se realizează prin citirea acestora la manometrul înclinat 10 – v. fig.19.2); în caz de urgență se poate utiliza butonul 1 de oprire automată a sistemului v. fig.19.15);

Fig.19.16. Montarea/demontarea plăcii [3]

se citește valoarea presiunii statice pstat pe manometrul multitub sau pe manometrul înclinat 10 al tunelului aerodinamic – v. fig.19.2;

se aliniază placa în poziția x=0 mm;

se citește valoarea presiunii dinamice pdin, la contactul dintre vârful tubului Pitot 5 și placa 1; ținând seama de diametrul tubului (0,7 mm) această valoarea corespunde pentru y=0,35 mm;

se repetă măsurătorile pentru valori ale înălțimii y conform tabelului 19.1;

se deplasează placa longitudinal și se repetă măsurătorile pentru x=50, 100, 150 mm);

se calculează valorile vitezei de curgere a aerului cu relațiile (19.1) și (19.2);

se demontează placa (fig.19.16); se desfac șuruburile de fixare 1 ale angrenajului roată – cremalieră; se scoate placa prin deformarea arcului 3; se desfac șuruburile de fixare 4 și se introduce placa nouă; se verifică orientarea părții teșite 5 (orientată în sens invers curgerii aerului, spre partea inferioară a secțiunii de lucru);

se repetă măsurătorile pentru a doua placă.

19.4. Rezultate

Rezultatele măsurătorilor și ale calculelor se trec în tabelele 19.1 și 19.2.

Se trasează diagramele de variație a vitezei aerului în funcție pozițiile x și y, pentru fiecare placă (v. fig.19.1).

19.5. Concluzii

Se identifică concluziile pentru zonele de curgere laminară (viteză constantă) și turbulentă

(viteză variabilă).

Tabelul 19.1

Tabelul 19.2

Bibliografie

1. www.gunt.de

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170

Educational Wind Tunnel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Operating Instructions. HM170.24

Boundary Layer Plate with Probe. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

* * *. Equipment for Engineering Education. Experiment Instructions. HM170.50

Multi-Tube Manometer Panel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany.

Aplicația 20

STUDIUL PUTERII GENERATE DE O TURBINĂ EOLIANĂ DE TIP ELE – 1kW

20.1. Obiectivul aplicației

Turbina eoliană de tip ELE – 1kW instalată pe Colina Universității Transilvania din Brașov (fig.20.1) este caracterizată prin curba de putere prezentată în fig.20.2.

Fig.20.1. Turbina eoliană ELE – 1kW Fig.20.2. Curba de putere [2]

Puterea electrică generată de către turbină se exprimă prin

U2

P UI  , (20.1)

R

unde U reprezintă tensiunea electrică, I intensitatea curentului electric iar R rezistența electrică.

Aplicația își propune să realizeze studiul puterii generate de către turbina eoliană ELE – 1kW.

A20

20.2. Echipamente

Turbina eoliană ELE – 1kW (fig.20.3) generează puterea electrică de 1 kW cu 24 V la viteza vântului de 10,5 m/s; viteza de pornire este la 3,1 m/s. Diametrul rotorului este 3,1 m iar înălțimea stâlpului pe care este montată nacela este 21 m.

Încărcarea bateriilor cu gel (fig.20.3) este controlată prin sistemul de control din fig.20.4. Invertorul din fig.20.5 realizează transformarea curentului continuu în curent alternativ.

Fig.20.3. Turbina eoliană ELE – 1kW

Fig.20.4. Bateriile Fig.20.5. Sistemul de control Fig.20.6. Invertorul Mihai Tiberiu LATEȘ 155

Achiziția datelor se realizează prin intermediul unui data logger de tip Graphtec (fig.20.7) care oferă posibilitatea de salvare a datelor pe stick de memorie USB sau direct la calculator; formatul fișierelor salvate este compatibil Excel. Data logger-ul conține 10 canale de achiziție analogice (v.fig.20.7).

Fig.20.8. Sistemul de testare

20.3. Testări

Pentru realizarea testărilor se realizează sistemul de testare din figura 20.8, ținând seama de următoarele aspecte:

se conectează firul de achiziție a datelor (tensiunea generată de turbină) la canalul 1 al data logger-ului;

A20

se introduce stick-ul de memorie în data logger;

se pornește data logger-ul;

prin butonul Menu se activează fereastra Amp (fig.20.9);

prin săgeată jos ▼ se selectează canalul 1 (v. fig.20.9);

se verifică să fie selectată varianta DC (v. fig.20.9);

Fig.20.9. Meniul Amp [1] Fig.20.10. Meniul Data [1] Fig.20.11. Meniul File Name [1]

prin săgeată dreapta ► se setează intervalul de valori Range la 50 mV;

prin săgeată dreapta ► se setează Misc la 50 mV;

prin săgeată sus ▲ se revine la meniul Amp și apoi, prin săgeată dreapta ► se activează meniul Data (fig.20.10);

prin săgeată jos ▼ se activează Sampling și se setează achiziția la 1 s (v. fig.20.10);

prin săgeată jos ▼ se activează folder-ul de achiziție File Name (fig.20.11);

se selectează prin Enter un folder de pe stick-ul USB;

Se setează tipul fișierului de date File Type la CSV (format compatibil Excel);

prin Quit se părăsesc meniurile de setări;

se ponește achiziția prin butonul Start/Stop;

după 30 min. se oprește achiziția prin butonul Start/Stop.

20.4. Rezultate

Fișierul generat se deschide cu programul Excel și se salvează în format .xls. Se generează cu relația (20.1) valorile puterii generate de către turbina eoliană; se consideră tensiunea U măsurată în mV, iar valoarea lui R=0,132 Ω.

Se reprezintă grafic valoarea puterii instantanee generate.

20.5. Concluzii

Se identifică concluziile referitoare la variația puterii generate de turbina eoliană.

Bibliografie

1. * * *. Midi LOGGER GL200 Quick Start Guide. GL200 – UM -851. China, 2006.

2. www.navzar.ro