Model mikroturbiny wiatrowej o regulowanym kącie ustawienia łopat

pol Article in Polish DOI: 10.14313/PAR_239/41

send Stanisław Chudzik Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny

Download Article

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki pomiarów, których celem było zbadanie możliwości zwiększenia efektywności działania modelu mikroelektrowni wiatrowej przez zastosowanie zmiennego kąta ustawienia łopat. Badania przeprowadzono na stanowisku pomiarowym zbudowanym do realizacji prac nad opracowywanymi wstępnie projektami mikroelektrowni wiatrowych. Stanowisko umożliwia przeprowadzenie pomiarów związanych z doborem optymalnej geometrii śmigła oraz opracowaniem i testowaniem działania algorytmów optymalnego sterowania pracą mikroelektrowni. Omówiono podstawy fizyczne działania turbiny wiatrowej i sposoby optymalnego jej sterowania. Zakres przeprowadzonych badań obejmuje wykonanie pomiarów dla przypadku wybranej geometrii łopaty śmigła z możliwością zmiany jej kąta ustawienia. Jako generator zastosowano prądnicę prądu stałego z obciążeniem o charakterystyce nieliniowej w postaci ogniwa akumulatora Li-Po. Przedstawiono wyniki działania prostego algorytmu sterowania MPPT. Brak układów optymalnego sterowania pracą mikroelektrowni podyktowany jest ogólnym przekonaniem, o wysokich kosztach jego wytworzenia w stosunku do możliwej poprawy efektywności mikroelektrowni. Ponadto stosowane w praktyce sposoby sterowania większymi turbinami wiatrowymi o mocach przekraczających wartość kilkuset kilowatów nie są optymalne dla mniejszych turbin o mocach do 1 kW. Przeprowadzone badania koncentrowały się na określeniu możliwości zastosowania w elektrowniach wiatrowych o mocach do 1 kW, turbin o zmiennym kącie ustawienia łopat w zależności od jej prędkości obrotowej. W większych elektrowniach wiatrowych zmianę kąta ustawienia łopat stosuje się głównie do ograniczenia mocy turbiny przy dużej prędkości wiatru. W mikroelektrowniach wiatrowych takie rozwiązania, ze względów ekonomicznych, nie są stosowane. Jednak zastosowanie prostego mechanizmu zmiany kąta ustawienia łopat w zależności od prędkości obrotowej śmigła może zwiększyć efektywność pracy turbiny w szerszym zakresie prędkości wiatru. Niewielkie wymiary modelu badawczego pozwalają na szybkie i tanie opracowywanie wstępnych prototypów łopat turbiny dzięki możliwości wykorzystania technologii druku 3D.

Słowa kluczowe

kąt ustawienia łopat, mikroelektrownia wiatrowa, optymalizacja, stanowisko pomiarowe, sterowanie

Model of a Wind Turbine with Variable Blade Angle

Abstract

The article presents the results of research into the operation of a model of a wind micropower plant with a variable blade angle. The research was carried out on a miniature model of a measuring stand built for the purpose of carrying out work on pre-developed projects of wind micro power plants. The stand allows to carry out measurements related to the selection of the optimal propeller geometry, as well as the development and testing of algorithms for optimal control of the micropower plant. The physical basics of wind turbine operation and the methods of its optimal control are presented. The results of the performed measurements for the selected propeller blade geometry with the possibility of changing its setting angle are presented. A DC generator with a load with a non-linear characteristic in the form of a Li-Po battery cell was used. The results of operation of a simple MPPT control algorithm are presented. The lack of optimal control systems for the operation of micropower plants is dictated by the general belief that the costs of its production are high in relation to the possible improvement of the efficiency of micropower plants. Moreover, the practical methods of controlling larger wind turbines are not optimal for small and very small turbines. The conducted research focused on determining the possibility of using turbines with variable blade angles depending on its rotational speed. In larger wind farms, changing the blade angle is mainly used to limit the power of the turbine at high wind speeds. In micro wind power plants such solutions are not used for economic reasons. However, the use of a simple mechanism for changing the angle of the blades depending on the rotational speed of the propeller can increase the efficiency of the turbine in a wider range of wind speeds. The small dimensions of the research model allow for quick and cheap development of preliminary prototypes of turbine blades thanks to the possibility of using 3D printing technology.

Keywords

blade setting angle, control, measuring stand, optimization, wind micro-power plant

Bibliography

  1. Bukała J., Damaziak K., Krzeszowiec M., Malachowski J., Rozwiązania konstrukcyjne małych turbin wiatrowych, „Modelowanie inżynierskie”, T. 22, Nr 53, 2014, 21–29.
  2. Krzemiński Z., Szewczyk J., Bogalecka E., Sterowanie małą elektrownią wiatrową z wykorzystaniem efektu przeciągnięcia, „Przegląd Elektrotechniczny”, R. 94, Nr 5, 2018, 104–111, DOI: 10.15199/48.2018.05.19.
  3. Błasiński W., Symulator turbiny wiatrowej małej mocy, „Przegląd Elektrotechniczny”, R. 93, Nr 12, 2017, 263–265, DOI: 10.15199/48.2017.12.62.
  4. Schubel P., Crossley R., Wind turbine blade design, “Energies”, Vol. 5, No. 9, 2012, 3425–3449, DOI: 10.3390/en5093425.
  5. Rolak M., Kot R., Malinowski M., Goryca Z., Szuster J., AC/DC converter with maximum power point tracking algorithm for complex solution of small wind turbine, “Przegląd Elektrotechniczny”, R. 87, Nr 6, 2011, 91–96.
  6. Zammit D., Spiteri Staines C., Micallef A., Apap M., MPPT with Current Control for a PMSG Small Wind Turbine in a Grid-Connected DC Microgrid, ed. Battisti L., Ricci M, Wind Energy Exploitation in Urban Environment, Springer International Publishing, 2018, 205–219, DOI: 10.1007/978-3-319-74944-0_14.
  7. Kadri A., Marzougui H., Bacha F., MPPT control methods in wind energy conversion system using DFIG, 4th International Conference on Control Engineering & Information Technology (CEIT), Hammamet, 2016, 1–6, DOI: 10.1109/CEIT.2016.7929115.
  8. Shankareppagol L., Hampannavar S., Doadamani S., Performance Analysis of P&O and INC MPPT for WECS, 3rd International Conference for Convergence in Technology (I2CT), Pune, 2018, 1–8, DOI: 10.1109/I2CT.2018.8529555.
  9. Baran J., Jąderko A., Sterowanie turbiną wiatrową z odtwarzaniem momentu aerodynamicznego, „Przegląd Elektrotechniczny”, R. 94, Nr 5, 2018, 47–52, DOI: 10.15199/48.2018.05.08.
  10. Gajewski P., Pieńkowski K., Control of a variable speed wind turbine system with PMSG generator, „Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe”, Nr 107, 2015, 75–80.