Zgodnie z prawem Bernouliego podczas przepływu ośrodka (np. gazu) przez rurę, w której występują zmiany średnicy zmienia się również prędkość przepływu gazu. Ściślej – jeśli średnica rury spadnie, to adekwatnie wzrośnie prędkość przepływu gazu. Właściwość tę wykorzystano przy projektowaniu turbin wiatrowych. Jeśli tradycyjny wirnik zabudujemy w tunelu, a dokładniej w jego przewężeniu, będzie on wirował w powietrzu przepływającym z większą prędkością niż wiatr wiejący poza tym tunelem. Dzięki temu możliwe będzie otrzymanie większej ilości energii niż bez otunelowania wirnika. W latach 70-tych w zakładach Grummana badano wirniki tego typu i odkryto, że obecność szczeliny w dyfuzorze (w płaszczyźnie tunelu) powoduje wzrost sprawności takiego wirnika. Zwężający się wlot powoduje wzrost prędkości przepływu przed wirnikiem, a szczelina w dyfuzorze która znajduje się za wirnikiem powoduje dodatkowo powstanie strefy podciśnienia powodując dodatkowo przyrost prędkości przepływu powietrza przez wirnik.
Komercyjne rozwiązanie otunelowanego wirnika o nazwie Maxi Vortec ma 54 m średnicy wirnika i daje 3,5 MW energii. Rozwiązanie Maxi Vortec ma rewelacyjny współczynnik określający stosunek zakreślanej przez wirnik powierzchni do generowanego prądu. Wynosi on ok. 1,5kW/m2, przy prędkości obrotowej 27obr/min i przekładni 45:1, co na tle konkurencyjnych rozwiązań jest bardzo dobrym wynikiem. Generalnie zastosowanie dyfuzora zwiększa efektywność wykorzystania energii strugi powietrza ponad 3 krotnie w stosunku do najlepszych rozwiązań bez dyfuzora. Szybkie obroty śmigła pozwalają stosować mniejsze przełożenie między nim a prądnicą, a małe rozmiary zwiększają sztywność konstrukcji. Obudowa poprawia sprawność aerodynamiczną, a w wypadku rozerwania wirnika przez zbyt silny wiatr chroni otoczenie przed zagrożeniem.
Turbiny z dyszą mogą pracować przy prędkości wiatru v < 4 m/s. Tak więc praktycznie na całym obszarze Polski możną stosować instalacje wiatrowe z wykorzystaniem turbin z dyfuzorem. Jednocześnie opłacalne może być stosowanie turbin o mniejszych średnicach przy montażu na niższych wieżach, co może znacząco obniżyć koszty instalacji. Turbiny wiatrowe tego typu pracują o 3200 godz. rocznie dłużej niż konwencjonalne turbiny wiatrowe. Roczna produkcja energii turbiny wiatrowej z dyszą przy mocy Ps = 660 kW na poziomie 4,3 GWh jest o około 3 GWh większa niż roczna produkcja energii z turbiny konwencjonalnej wytwarzającej rocznie 1,3 GWh. Zapewnia to efektywną pracę siłowni wiatrowych nawet w terenie o nienajlepszych warunkach wiatrowych.
WADY – Generatory z dyfuzorem są niestety drogie. Koszt jednej elektrowni z dyfuzorem pozwala na zakup 4-5 standardowych aerogeneratorów dających w sumie taką samą moc jak wiatrak z dyfuzorem. Wymieniona już firma Vortec Energy, mimo budowy coraz doskonalszych prototypów (wirnik o średnicy 10m miałdawać1MW! mocy) zawiesiła prace nad konstrukcjami bardzo dużej mocy. Jednak, idea turbin z dyfuzorem wydaje się doskonałym pomysłem jeżeli chodzi o wiatraki małej średnicy. Należy pamiętać że dyfuzor znacząco podnosi koszty urządzenia oraz zwiększa bezwładność układu – turbina będzie z opóźnieniem reagować na zmiany kierunku wiatru. Jednak wysoka efektywność tego rozwiązania daje możliwość zmniejszenia wymiarów wirnika. Jeżeli chcielibyśmy wykorzystać do pracy w układzie zamkniętym (np.do ogrzewania domu) turbinę z dyfuzorem o mocy ok. 10 kW, to zamiast wirnika o średnicy 7m(BERGEY EXCEL 10-klasyczna konstrukcja 3 płatowa), moglibyśmy zastosować wirnik o średnicy ok. 2.5 m.
W Europie turbiny wiatrowe z dyfuzorem do zastosowań domowych produkuje firma SYLWAN. W ofercie znajdują się turbiny o mocach od 3-40 kW.
Najmniejszy model SWT-3 mini posiada następujące parametry:
– Moc znamionowa – 3 kW przy wietrze 12 m/s
– Średnica wirnika – 2,3 m
– Wysokość do osi wirnika – 12
– Max średnica dyfuzora – 3,3 m
– Posadowienie – mobilny prefabrykowany balansjer
– Prądnica 3-fazowa synchroniczna na magnesach neodymowych
– Napęd bezpośredni 3-łopatowy wirnik z regulowanym programowo kątem natarcia łopat
– Zespół dyfuzora samonastawny pod wiatr
– Profesjonalny program do zarządzania pracą urządzenia
– Systemy bezpieczeństwa (zmiana kąta łopat i hamulec rezystancyjny)-
– Wytrzymałość konstrukcji do 55 m/s
Fot. SWT-3 mini ze swoim konstruktorem
Krzywa mocy
SWT-40 max
Dyfuzorowa turbina wiatrowa o mocy znamionowej 40 kW przy prędkości wiatru 10 m/s (10 kW przy wietrze 6,5 m/s, 80 kW przy wietrze 12 m/s). Turbina wyposażona w inwerter (on-grid system) z przeznaczeniem do wpięcia w sieć energetyczną. Dane techniczne:
– Średnica wirnika – 12 m
– Wysokość do osi wirnika – 22 m
– Wysokość całkowita – 30 m (nie wymaga uzgodnień środowiskowych)
– Max średnica dyfuzora – 16 m
– Średnica wieży – 914 do 1016 mm
– Fundament
– Prądnica 3-fazowa synchroniczna na magnesach neodymowych
– Napęd bezpośredni, 3-łopatowy wirnik z regulowanym programowo kątem natarcia łopat
– Zespół dyfuzora samonastawny pod wiatr
– Profesjonalny program do zarządzania pracą urządzenia
– Systemy bezpieczeństwa (zmiana kąta łopat i hamulec rezystancyjny)
– Wytrzymałość konstrukcji do 55 m/s
Rys. Rodzina turbin SWT, skala porównawcza
Źródło:
– instsani.pl
