Traktori i pogonske maine Tractors and power machinesBiblid: 0354-9496(2004) 9:3, p.94-100UDK:621.548 radScientific paperPROTOTIPSKO REENJE MALE AEROCENTRALESNAGE 10 KWPROTOTYPE SOLUTION OF 10 KW WIND TURBINEN. 1,D.2, M.3, 4REZIMEU ovom radu je prikazana metodologija za i projektovanje vitalnih elemenata malihosnohorizontalnihaerocentrala. razvijenogoriginalnog softvera zamodeliranjegeometrijelopatica radnog kola kaoi softverskog paketa CATlA, projektovanajei prikazanaaerocentralasnage10kW u vidu stanjena svetskomtritukaoi naeprivrede, u ovomradu je, izvrena tehno-ekonomska analiza opravdanosti uproizvodnju ovih energija vetra, aerocentrala, projektovanje i modeliranjeSUMMARYln this paper, it is showed a methodologyfor calculation and design ofthe main components ofsmall horizontal-axis windturbine. Usingdevelopedsoftware for geometrical modellingofwindturbines, aswell as CADpackage CATlA, theprototypeof smallwindturbine, ratedpower 10 kW, was designed and presented here. Also, having in mind world market as well aspotential of our industryfor manufacturingsmall windturbine, in this paper, simplifiedtechno-economicfeasibility study is carried out.Key words: wind energy, wind turbine, design & modellingUVODObnovljivi izvori energijesvakimdanompostajusveaktelniji kakonaekolokomtakoi naekonomskom planu. Pad cene energijedobijeneiz energijevetra na 3-5centi, doveo je dosnanog razvoja industrije koja prati proizvodnju opreme za aerocentrale. UEvropi jeu2003. godini zabeleenrastod23%uproizvodnji energije vetra(instaliranonovih28.440MW). Kakosupotencijali energijevetrauRepublici Srbiji [l], otuda su interesantna istraivanja na razvoju malihaerocentrala, snage5-10kW,prevashodno zbog iskustvau razvoju i1 Dr Nebojadocent, Mainskifakultet Kragujevac, Sestre 6,34000 Kragujevac,njovicic@kg.ac.yu2 Dr Duan docent, Mainskifakultet Kragujevac, Sestre 6,34000 Kragujevac3 Prof dr MilunMainskifakultet Kragujevac, Sestre 6,34000 Kragujevac4 KazimirZastava hidroelektrane, d.o.o, Trg Topolivaca 1,34000 Kragujevac94 0 t .. _.: ."... "'< ,:;.,:::;/;?'., ."'1,'. ..Traktori i p/mTractors and p/mPrototipsko reenje male aerocentrale snage ...Prototype solution of 10 kW wind turbineN.,.et al.VoI.9.No.3. p.94-100, 2004.eksploataciji malihagregata, odneprocenjive sukoristi uosvajanjumegavatnihpostrojenja.Maleaerocentralesuenergetski sistemi klasifikovani kaomainesa snagama odnekolikovatido 20kW. Osnovnanamenaovihagregata jesnabdevanjeenergijomudaljenihi objekata koji su van dometa elektrodistributivne mree. maleaerocentrale semogukoristiti i pri paralelnomradusaelektrodistributivnommreom. Poredproizvodnje energije, ovisemogu vrlo uspenokoristiti i zadirektan pogonradnih organaza vodosnabdevanje udaljenih objekata kao i navodnjavanjepoljoprivrednihdobara. Dakle, oblast primene malihaerocentrala je jakovelika, bilo dasekoriste samostalno ili ukombinaciji sanekimdrugimizvoromenergije. Stepen aeroturbine je dosta nizak, i teoretski uidealnim uslovima, ne prelazi vrednost od0.593, to seuliteraturenazivai Betz-ovimlimitom[2]. Dabi sepostigla to efikasnost aeroturbine,posebnapanja semora posvetiti geometriji radnogkola. Ovaj organ uinterakcijisa vazduhomdovodido transformacijestrujne energije vazduha u energiju obrtanjaradnogkolaiu merinastepen Uliteraturesemogu pristupi i modeli za definisanjeoptimalne geometrije radnog kola aeroturbine kojise uglavnomzasnivaju na jednodimenzijskim modelima[3]. optimizacija geometrijskih parametararadnog kola se moe sprovesti modernih metoda [4,5,6] i uzangaovanjesnaneinfrastrukture. Cilj ovog rada je bio da se formira jednostavani efikasan algoritamza geometrijsko modeliranje radnogkola malih aeroturbina. teilo seubrzavanju i automatizaciji procesaprojektovanja organakrozprimenu modernih CAD alata. MODEL model za radnog kola aeroturbine uslovnose moepodeliti na dva dela.Prvi deoobuhvata sagledavanje globalnih gabarita radnogkolai baziran je naizrazu za snaguvetra kojikroz neki presek A:l 3Po=-pUoA, (1)2pri jesap- gustinavazduhaasa Uo- brzinavetra. Akosa P - nominalnu snagu aeroturbine, tada je:p =PO 1p7m =epPO . (2)U pethodnomizrazu 1] je ukupni stepen korisnosti aeroturbine, 1]m - stepenkorisnostimultiplikatora broja obrtaja, a epje koeficijent snage aeroturbine kojise kod malihaeroturbina moe kretati maksimalno do 0.45 [7]. Na osnovu definisane nominalne snageaeroturbine, brzine vetra i izabranog koeficijenta snage mogu semaksimalni (D2=2 R2 ) iaeroturbine. Usvojenakoncepcija(poloaj osei brojlopatica radnog kola) diktira optimalnu brzohodost aeroturbine (A.) kao odnosa obirnskebrzine vrhova lopatica radnog kola i brzinevetra. Ova vrednost je za radna kola sa trilopatice ( B = 3 ) u granicama od 3-7 i mora se eksperimentalno verifikovati.prethodnou vidu, broj obrtaja (n) radnog kola aeroturbine se moe definisati preko relacije:30A.Un=---95(3)Traktori i p/mTractors and p/mPrototipsko reenje male aerocentrale snage ...Prototype solution of 10 kW wind turbineN.,.et al.VoI.9.No.3. p.94-100, 2004.U(1- a) : Apsolutna brzina vazduha u radnom koluUrel: Relativna brzina vazduha u radnom kolurQ(1 +a') : Obimska brzina vazduha u radnom koluOznake na slici:ep :Ugao postavljanja profila na radijusu ra : Napadni ugaorp =ep +a : Ugao relativne struje vazduhaRavan mtac!jeo.,.1-----,a: aksijalni indukcioni faktorj a' : ugaoni indukcioni faktorl Q: ugaona brzina obrtanja radnog kolaSl. l. Deo projiIne reetke radnog kola osno-horizontalne aeroturbineFig.l. Part ofthe projile bars on the working wheel ofthe axial-horizontal aer turbinePoznavanjem glavnih dimenzija i broja obrtaja radnog kola kaoi nominalne snage aeroturbinemoeseudrugi deomodelakoji seodnosi nadefinisanjeprostornegeometrijelopatice,odnosno uglova postavljanja profila. Prvi korak koji se moraje izbor adekvatnogaeroprofila za definisanje lopatice. Utomcilju izabranje profil S809 koji je specijalnoprojektovanzaradna kolamalih i srednjihaeroturbina [8]. Dabi seoptimalnoprostornopostavljanjeprofila, je koristiti metodologiju kombinovanja teorije kretanjai tzv., BEMmetoda [9]. Shodnousvojenompristupu, naslici 1., prikazanje deogeometrije proizvoljne profilne reetke radnog kola aeroturbine.Uciljugeometriskogmodeliranjalopatice idealnogradnogkola(ostvarivanje maksimalnogkoeficijentasnagee) zanemareni suuticaji: rotacijezoneizaradnogkola, brojalopaticai otpora usvojenogprofila.gorenavedeni pristupmoesedo izrazaza preliminarni oblik lopatice radnog kola aeroturbine [10], iskazan prekorelacija za ugao postavljanja profilaep(r) i duinu tetive profila c(r):(4)Uprethodnimizrazima Ar jelokalni koeficijent brzohodosti, a amin(CdlCI) jenapadni ugaoprofilakoji garantuje minimalan vrednost odnosakoeficijenta otpora i koeficijentauzgonaizabranog profila. Lopatice projektovane za optimalne transformacije energije vetraimaju porast duine tetive i ugla postavljanja profila u blizini korena lopatice. da se u procesu modeliranja lopatica malih aeroturbina vodi i o ceni iizrade, se vri naknadno modifikovanje gore navedenih parametara. Usvakom prikazani algoritammodeliranjageometrijelopatica jasanuviduoblike lopatica koji bi bili najpoeljniji sa stanovita efikasnosti aeroturbine.PRIMENA ALGORITMANa osnovu prethodno definisanog modela, formiran je softver za96: "", .,\'., Traktori i p/mTractors and p/mPrototipsko reenje male aerocentrale snage ...Prototype solution of 10 kW wind turbineN.,.et al.VoI.9.No.3. p.94-100, 2004.prostorne geometrije radnog kola aeroturbine. Ovaj softver je primenjen zaaeroturbine snage10 kw. Kaoprojektniparametriusvojena je brzina vetra od10mis, i koncepcijaradnogkolasa tri lopatice. Na slici2 prikazana jedobijena raspodela uglapostavljanja profila kao i raspodela duine profila u funkciji radijalnog poloaja.efl 15050.450.4c[mj"o.,0.250.2Sl. 2. Raspodela a)uglapostavljanja profila; b) duinetetive profilaFig.2. Distribution ofa) angleofsetting ofprofile; b) lenght ojprofile chordL.Sl. 3. CATIA 3D modellopatice radnog kolaFig. 3. CATIA 3D modelofthe working wheelpaddieNa slici 3 prikazanje prostorni izgled razvijene lopatice formiran u softverskompaketuCATlA. Za formiranjeovog3D modela na raspolaganju je biloblizu 2000 Kakobi seautomatizovaopostupak, koordinate suiz modula,uEXCELazatimprimenom makroa, zaformiranje modelaumoduluCATlA Wireframe&Surface Design [11].Kao to se na 3D modelu vidi,deo lopatice u blizinije naknadno modifikovan kako bi se se postiglalopatice ukorenu.3D MODEL PROTOTIPA AEROCENTRALEPrototipaerocentralesnage10kW na nivouvirtualnog3D modela razvijen je u programskompaketu CATlA. Kao to se na slici 4 vidi, usvojena je koncepcija horizontalno osne aeroturbinesa tri lopatice.radnog kola je 8 m, a pri broju obrtaja 100 o/min i brzini vetra od10 mispostie se projektovana snaga od10 kW.Aerocentrala globalno ima tri stepena slobode. Lopatice radnog kola se pod dejstvomenergijevazduhaokohorizontalneose, sestvaraju uslovi za strujeneenergije vetra. Ucilju, optimalnog energetskogpotencijalavetra, aeroturbinasemoeobrtati i oko vertikalneose stuba. Na ovaj uz repnogradno kolo se uvek postavlja normalno na pravacstruje vazduha. Ova dva kretanja,odnosno obrtanja, smatraju se glavnim stepenima slobode svake aeroturbine.97Traktori i pimTractors and pimPrototipsko reenje male aerocentrale snageoo.Prototype solution of 10 kW wind turbineN.,.et al.VoI.9.No.3. p.94-100, 2004.Sl. 4. Virtualni 3Dprototip aerocentrale snage10kWFig.4. Virtual 3D prototype ofthe aero electric-power station ofl OkWSl. 5. Mehanizam za zakretanjelopaticaFig. 5. Mechanism for paddIeturning stepen slobode razvijenog prototipa aeroturbine odnosi na zaokretanjalopaticaradnogkolaoko radijalneose. Naime, veliki problemueksploatacijiaerocentrala je zatitaod negativnog dejstva prevelike brzine vetra. Da bi seeliminisalo preveliko na radno kolo aeroturbine, posredstvom mehanizmaprikazanognaslici 5, uuslovimabrzinevetra od 12misugaopostavljanjalopaticase Koncepcija ovakvog je zaaeroturbine snagei njegovaprimena moe donekle' da cenu agregata. prihvatanje mehanizma zazakretanje lopatica kao zatite aerocentrale od razletanja lopatica je posledica dobrihkarakteristika koje je mehanizam pokazao u eksploatacijimalih hidrocentrala projektovanih naMainskom fakultetu u Kragujevcu.Prototip prikazanna slici 4, povezanje prekomultiplikatorabrojaobrtajasageneratorom energije. Pri izboru eme multiplikator-generator,vodilose odakompletna aerocentrala budeproizvod, bez potrebe uvoza pojedinih komponenata.TEHNO-EKONOMSKA ANALIZAMaleaerocentrale (snagedo 10kW) prvenstvenosunamenjeneudaljenim iobjektimakoji suizvandometaprenosneelektrodistributivnemree.uvidudaseutakvimobjektima energija dobijadizel agregata, energetskiefektisu kakozbogcenetakoi zbog okodopremegorivana udaljenelokacije. Sa drugestrane,male aerocentrale se mogu koristiti i u i objektima,uzonama pokrivenosti prenosnemree, napovoljnimvetrovitimlokalitetima. U tom biaerocentrala radila paralelno sa prenosnommreomi sve vikove proizvedeneenergije stavljala na raspolaganje jedinstvenom elektroprivrednom sistemu Srbije.Na svetskom tritucenemalih aerocentrala (10+20 kW)relativnosu visoke. firmeBergeyWindpower iBayWindsusvomproizvodnomprogramuimajumaleaerocentraleacenesu li rasponuod28.000+40.000$[12,13]. FirmaBergeyWindpower jesvetski malih aerocentrala i ima realizovano trite u 90 zemalja sveta.Ukolikosepretpostavi daaerocentralasnage 10kWradi projektovanimkapacitetomsamo20% vremena (to prevashodno zavisi od lokaliteta),godinje bi se proizvelo oko 20.000 kWh energije. Sacenom energijeod0.05$/kWhostvarivaobi seprihodili98t. ,j, ,Traktori i p/mTractors and p/mPrototipsko reenje male aerocentrale snageoo.Prototype solution of 10 kW wind turbineN.,.et al.VoI.9.No.3. p.94-100, 2004.energetske utede od oko1.000 $/god (ovienergetski efekti su a utede ako sezaproizvodnju energijekoristi dizel gorivo). Naosnovuanalizei uvidausvetskecene malihaerocentralai stanjananaemtritu, miljenjasmodabi cenaprototipa aerocentrale snage10 kW bila 12000 - 13000$, odnosno 20-30 % manje u uslovimaserijske proizvodnje.u vidu prethodnu analizu, se da u naimuslovima vremeinvesticije trebau periodu od oko 10godina. Trabanaglasiti da se uloena sredstvamogu povratiti kroz ostvarenu energetskuuteduili kroznaplatu proizvedene energije.Tabela 1.Pretpostavke: Godinji tok novcaUkupna investicija ($): $10.000God. TotalCashKredit prihod Flow($5.000) ($5.000)($994) ($4.994)($994) ($4.969)Proizv.20.000 God. energija Odrzav.$0,0500 O250$5.000$5.000:ooO)t1j:!! $0,0053Godinja proizvodnja (kWh):Cena el.energije ($/kWh):Inflacija el. energije (%):Sopstvena sredstva (%):Iznos sopstv. sredstava $):Kredit ($):Kamatna stopa (%):Period kredita (g.):Odravanje ($/kWh):Inflacija usluga odrav. (%):12 $1.243 ($138) $0 $1.105 $1.558UTabeli l, dat jedeo jednostavnogi prikaza toka novca(CashFlow)zainvestiranja u aerocentralu snage10 kW, vrednosti 10.000$. Razmatrana je varijanta u kojoj sepolovina novca (5000 $) obezbedjuje preko estogodinjeg kredita (banka, Agencija zaenergetskuefikasnost, .. ) apolovinaizsopstvenihsredstava(5000$). Naosnovupriloeneanalizevidi seda jeu tokuprvihest godina (kada seizmiruju obavezepremazajmodavcu)godinja vrednost proizvedene energije ili na nivou iznosa kredita. Ova je jer investitorutomperiodu(prvihest godina) imaangaovanasamosredstvasopstvenogkapitala. Periodinvesticijejenanivouoddeset godina, asobzirom na relativno nisku cenu odravanja aerocentrale, dalja proizvodnja energijeje izrazito profitabilna.U radu je prikazan razvijeni algoritam za geometrijsko modeliranjelopatica radnogkola horizontalne-osne aeroturbine. elemenata teorijekretanja i tzv. BEMmetode, formiran je relativno jednostavan ali i efikasan metod za projektovanje malihaeroturbina. Razvijeni algoritam je za glavnih dimenzija aeroturbine snage10kW. Pri projektovanjusnanijihaerocentrala, ulaganjasuznatno pa jeodposebnevanosti maksimizovanje Otuda, kao nastavakovih istraivanja pokrenut je irazvoj modela za radnih karakteristika aeroturbine u reimimaeksploatacije, kakobi seu jednom zatvorenom ciklusuizvriloi projektovanjei optimizacijageometrije radnog kola.99Traktori i p/mTractors and p/mPrototipsko reenje male aerocentrale snage.ooPrototype solution of 10 kW wind turbineN.,.et al.VoI.9.No.3. p.94-100, 2004.Naosnovuizloenekratkei jednostavnetehno-ekonomskeanalizemoesezakljuiti daimamesta da bi aerocentrale malihsnagamogle da budu interesantanproizvodza kupca. uvidu naeprivrede, realno jedasekompletna konstrukcija aerocentralemoerealizovati u Ova je kako zbog angaovanja kapaciteta tako i zbog konkurentnostiovog proizvoda na stranom tritu. Serijska proizvodnja i monitoring u procesueksploatacije aerocentrala malih snaga,bi sticanje iskustava i neophodnih u procesu razvoja i projektovanja i profitabilnijih agregata.Napomena:Deo sprovedenih istraivanja, prikazanih u ovom radu, finansiranisu od strane Ministarstva zanauku i zatitu ivotne sredine, Nacionalnog programa za energetsku efikasnost, krozrealizaciju projekta "Razvoj i izrada pilot postrojenja mini aerocentrale snage 10 kW",evidencioni broj EE711-1005V.LITERATURA[1) Ocena energijevetranateritoriji RepublikeSrbije, Savezni zavod,Beograd, 1997[2) Johnson G., Wind Energy Systems, Electronic Edition, Prentice-Hall, 2001[3) Selig M.S., Tangier lL., Development and Application of a Multipoint Inverse DesignMethodfor HorizontalAxis Wind Turbines, Wind Engineering, Vol19, No. 2, pp. 91-105, 1995[4) Xu G., Computational Studies of Horizontal Axis Wind Turbines, PhD Thesis, Georgia Institute of Technology,2001[5) Corten G.P., Flow Separation on Wind Turbine Blades, PhD Thesis, University of Utrecht, 2001[6] Sorensen N.N., Michelsen JA,Schreck S., Navier-Stokespredictionsof NRELphaseVIrotor inthe NASAAmes 80 ft x 120 ft wind tunnel, Wind Energy, Vol 5, Issue 2-3,2002[7] GiguereP., SeligM.S., Designof a TaperedandTwistedBladeforthe NRELCombinedExperimentRotor,NREL/SR 500/26173, National Renewable Energy Laboratory, USA, 1999[8] Sommers D.M, Design and Experimental Results for the S809 Airprofil, NREL/SR440/6918, NationalRenewable Energy Laboratory, USA, 1997[9] ManwellJ.F., McGowanJ.G., RogersA.L., WindEnergyExplained - Theory, DesignandApplication, JohnWiley & Sons Ltd, 2002[10] N., Nekonvencionalne energotehnologije - Energija vetra, Zavrni izvetaj, WUS Austria - Project No.7949-00/02 CDP-031/2003, Mainski fakultet, Univerzitet u Kragujevcu, 2004[11] N., A., D., M., Computer Aided Design of Wind Turbine Blade, RADMI 2003,19-23 Sptember, Herceg Novi, Serbia&Montenegro, 2003[12] http://www.bergey.com/[13) http://www.baywinds.comRad primljen: 25.10.2004.100Rad01.11.2004.