Wiatr

Siła i kierunek wiatru są złożonymi funkcjami bardzo wielu zmiennych ale przede wszystkim wiatr powstaje na skutek słońca nierównomiernie ogrzewającego powierzchnię Ziemi i dzięki niemu niesie ze sobą bardzo dużą dawkę energii. Każdy niejednokrotnie odczuł to na własnej skórze. Na wodzie energię wiatru staramy się jak najlepiej wykorzystać za pomocą żagli i zamienić w ruch naszego jachtu. Wszyscy wiemy, jak niewiele dzieli nas od nudnego „taplania” i czekania na wiatr do pełnego frajdy żeglowania gdy rośnie poziom adrenaliny i pojawia się euforia a także strachu gdy zaczyna się prawdziwa „walka o życie”. Taka właśnie jest MOC WIATRU.

Masa 1 m3 suchego powietrza o temp. 20oC na poziomie morza wynosi około 1.2kg, a jego energia kinetyczna wyrażona jest iloczynem masy i kwadratu jego prędkości. Rozwijając rozważania teoretyczne, po paru przekształceniach i „uproszczeniach” dojdziemy do wniosku, że energia kinetyczna wiatru jest proporcjonalna do iloczynu gęstości powietrza, powierzchni na którą działa wiatr oraz trzeciej potęgi jego prędkości. Dla 20 oC można przyjąć dla uproszczenia, że: Ek= 0.6*t*S *v3 (gdzie „S” to powierzchnia , „t” czas, a  „v” prędkość wiatru)

Moc  wiatru  Pw=Ek/t  o temp. 20 oC na 1m2 w przybliżeniu wynosi więc:

v [m/s]

2

4

6

8

10

12

14

16

P w

5W

38W

130W

307W

600W

1037W

1646W

2458W

 

Rys.1 Porównanie energii kinetycznej wiatru i wyjściowej mocy generatora D400 dla wiatru o sile 3, 5, 7 oB

Dla lepszego zobrazowania tego faktu warto uświadomić sobie, że gdy powietrze porusza się z prędkością 2m/s na jacht o powierzchni żagli 60m2 działa wiatr o mocy 300W, przy 12m/s -63.000W a przy 20m/s aż 293.000W!. Dziesięciokrotny wzrost prędkości wiatru powoduje tysiąckrotny wzrost energii kinetycznej wiatru oddziałującego na nasze żagle.

Zrozumienie powyższych rozważań jest kluczem do docenienia dostępnej dla generatorów wiatrowych energii.

mały wiatr = bardzo mała energia

duży wiatr = bardzo duża energia*

(* nie dotyczy wszystkich generatorów)

Generator wiatrowy działa zamieniając energię kinetyczną strumienia powietrza w energię elektryczną. Turbina wyposażona w śmigła obraca wał generatora prądu. Kształt i sposób mocowania łopat decyduje o właściwościach i zastosowaniu turbiny.  Łopaty turbiny, na które bezpośrednio działa wiatr umieszczone są na osi zamontowanej poziomo lub pionowo. Na jachtach najczęściej spotykanym typem turbin są turbiny z osią obrotu ustawioną poziomo.

 

Śmigła(jest ich zwykle 3, 5 lub 6) obracają się dookoła osi zakreślając koło o powierzchni S=π*R2 będącej dla tego typu powierzchnią czynną, z której energia wiatru zamieniana jest, w części wynikającej ze sprawności urządzenia, w energię elektryczną. Zd.1 Dwie turbiny wiatrowe D400 firmy Eclectic Energy zainstalowane na katamaranie Gemini 3Kształt, wygięcie i ilość śmigieł wpływa na sprawność turbiny i zachowanie przy różnych prędkościach wiatru. Dzięki ich odpowiedniemu zaprojektowaniu możliwe jest np. zabezpieczenie turbiny przed nadmiernym rozpędzaniem przy dużych prędkościach wiatru (powstające za śmigłami turbulencje powodują ograniczenie prędkości obrotowej zabezpieczając instalację przed zbyt dużą generowaną mocą). Turbiny z poziomą osią obrotu przeznaczone do zastosowań jachtowych osiągają moce nominalne (tj. określane przez producentów dla wiatru wiejącego z prędkością 15-25 węzłów) w zakresie 25W do 350W. Średnice śmigieł tych turbin wynoszą 0.5m do 1.2m. Turbiny te samoczynnie ustawiają się prostopadle do kierunku wiatru dzięki zamocowanemu do ich korpusu ogonowi. Miejsce jakie należy przeznaczyć na zamontowanie takiej turbiny musi uwzględniać więc średnicę wirnika oraz średnicę obrotu dookoła osi pionowej uwzględniającą śmigła i długość ogona. Ze względu na duże prędkości jakie osiągają końcówki śmigieł, aby zapewnić bezpieczeństwo, turbina musi być montowana poza normalnym zasięgiem przebywania załogi. Zwykle montuje się je na rufie na odpowiednio wysokim maszcie. W przypadku turbin z poziomą osią obrotu ważnym parametrem na który należy zwrócić uwagę jest generowany przez nie hałas i wibracje. Generalnie im mniejsze są prędkości obrotowe śmigieł i lepsze wykonanie, tym hałas jest mniejszy. Dlatego kupując generator warto wybrać rozwiązania, w których producenci zwracają na to szczególną uwagę.

 Innym rodzajem stosowanych na jachtach turbin są turbiny w których płaty obracają się wokół osi pionowej. W turbinach z pionową osią obrotu, czynną powierzchnią jest powierzchnia będąca iloczynem wysokości łopat i średnicy koła jaką zakreślają obracające się łopaty.


 

Porównując dwie małe turbiny: Rutland 504 z osią poziomą i LE-v50 z osią pionową można zauważyć, że przy zbliżonych generowanych mocach (ok. 25W przy wietrze o prędkości 20 węzłów) i powierzchni czynnej 0.20m2 i 0,13m2 (turbiny z osią pionową mają lepszą sprawność przy niskich prędkościach wiatru) obie turbiny zajmują na jachcie podobną ilość miejsca: 0,049m3 i 0.044m3. Zdj.2 Turbina z pionową osią obrotu LE-v50 Leadin EdgeZaletą turbin z pionową osią obrotu są możliwość zamontowania ich np. na istniejącym maszcie w miejscu, gdzie nie ma niebezpieczeństwa nieprzewidzianego i niepożądanego kontaktu z członkami załogi oraz mniejsza prędkość obrotowa łopat a co za tym idzie cichsza praca. Wadą jest natomiast ich wyższa cena. Ograniczona jest również możliwa do uzyskania, w warunkach jachtowych, generowana moc. Ponieważ oś, do której zamocowane są łopaty turbiny jest w ich przypadku znacznie dłuższa, trudniejsze jest jej stabilne zamocowanie i ułożyskowanie. Jest to szczególnie trudne gdy, co na jachcie zdarza się bardzo często, oś „traci pion”. Z tego powodu w turbinach produkowanych np. przez firmę Leading Eadge oś ustabilizowana jest na obu końcach. Moce turbin z osią pionową stosowanych na jachtach mieszczą się w granicach 10W – 100W  (przy wietrze do 20 węzłów).   Są one bardzo dobrym rozwiązaniem gdy pożądane jest powolne doładowanie akumulatorów lub np. podtrzymanie napięcia w akumulatorach w okresie długich przerw w użytkowaniu jachtu.

Porównując generatory wiatrowe warto zwrócić uwagę na wykresy zależności generowanej mocy  od prędkości wiatru. Każdy producent podając parametry urządzenia wskazuje jego moc nominalną. Niestety rzadko zdarza się aby dwóch producentów podało ten parametr przy tej samej sile wiatru a stąd wynika trudność przy jego porównaniu. Ponieważ energia wiatru, którą turbina wykorzystuje do generowania prądu proporcjonalna jest do 3 potęgi prędkości wiatru, podanie mocy nominalnej przy wietrze większym o 2 lub 5m/s może spowodować istotne różnice. Może być to chwyt marketingowy mający na celu uzyskanie lepszego wrażenia potencjalnego klienta.

 

Dla przedstawionego porównania przy wietrze o prędkości 10m/s tj, 5oB otrzymuje się następujące wyniki D400-168W, LE300- 143W, Rutland914i-120W, DuoGen-117W, LEv150-28W, Rutland 504 – 23W, LEv50-13W (wartości odczytane zostały z wykresów podanych w kartach katalogowych urządzeń). Zakrzywienie wykresów niektórych turbin w zakresie wysokich prędkości wiatru tj ok 16m/s spowodowane jest działaniem mechanizmów wyhamowującym zabezpieczających generator przed uszkodzeniem.

 Rys.2 Wykres micy wyjściowej wybranych generatorów w funkcji prędkości wiatru

Woda

Zdj.3 Generator wodny SailGen firmy Eclectic EnergyWykorzystanie wody w energetyce jest sprawą równie oczywistą jak wykorzystanie wiatru. Na lądzie turbiny wodne wykorzystujące energię poruszającej się wody np. rzek są wykorzystywane od dawna. Będąc na jachcie to my się poruszamy względem wody ale efekt jest taki sam i zanurzając turbinę – śrubę możemy jej ruch obrotowy zamienić w generatorze na prąd elektryczny. Ponieważ gęstość wody jest wielokrotnie większa od gęstości powietrza i  dla wody morskiej o temperaturze 4oC wynosi średnio 1025kg/m3, ilość energii na jednym metrze kwadratowym jest również znacznie większa i wynosi w przybliżeniu

 Ek= 512*t * S * v3

Wynika z tego, że aby uzyskać podobną jak w turbinie wiatrowej ilość energii potrzeba śruby o znacznie mniejszej średnicy przy mniejszej prędkości przepływającej wody (prędkości z jaką porusza się jacht).  

Gdy mówi się o umieszczeniu dodatkowej śruby w wodzie poza burtą jachtu wielu żeglarzy zaczyna się zżymać. Budzi się w nich żyłka regatowca i twierdzą, że spowolni to ich jacht. Czy aby na pewno ma to aż tak wielkie znaczenie? Okazuje się że nie. Oczywiście energia kinetyczna wykorzystywana do produkcji prądu elektrycznego pobierana jest ze złożonego układu składającego się z jachtu, działającego na niego wiatru i wody. Strat prędkości należy więc oczekiwać. W nowoczesnych hydrogeneratorach strata prędkości jest jednak tak minimalna, że wielu użytkowników w ogóle jej nie zauważa. Np. jak podaje firma Eclectic Energy dla lekkiego monokadłubowego jachtu 28 ft przy prędkości jachtu 6 węzłów strata ta wynosi 0.1 do 0.15 węzła tj. 1,6%-2,5%. Przy tych prędkościach generator wodny SailGen produkuje przykładowo 130W energii (tj. ok.11A przy napięciu 12V). W generatorze tym wirnik zanurzony za rufą jachtu w kilwaterze, utrzymywany jest dzięki statecznikowi kilka centymetrów pod wodą i jest praktycznie niewrażliwy na zafalowanie i kołysanie.

 

Zdj.4 Generator wiatrowo-wodny DuoGen firmy Eclectic EnergyGeneratory wodne nie powodują zagrożenia na jachcie (brak obracających się elementów) i nie są wrażliwe na kurs jachtu względem kierunku wiatru (w przeciwieństwie do generatorów wiatrowych, na które działa wiatr pozorny zmniejszający się znacznie w przypadku kursu z wiatrem). Trudno też w ich przypadku o nadmierne rozpędzenie wirnika i problem ze zbyt dużą produkowaną w takich warunkach energią, gdyż na etapie montażu istnieje możliwość dobrania wielkości śruby do maksymalnych prędkości jachtu. Są  one bardzo dobrym rozwiązaniem w przypadku jachtów pokonujących duże dystanse bez zawijania do portów.

 

Ciekawą alternatywą  dla opisanych wcześniej rozwiązań  są urządzenia, w których ten sam generator po wymianie kolumny i wirnika może pełnić funkcję generatora wiatrowego lub wodnego. Generatorem łączącym te dwie funkcje jest np. generator wiatrowo-wodny DuoGen firmy Eclectic Energy. Łatwa w przeprowadzeniu wymiana śruby wodnej umożliwiającej wygenerowanie 100W przy prędkości jachtu 6 węzłów umożliwia wykorzystanie go w czasie postoju jako generatora wiatrowego o mocy do 276W przy wietrze 16m/s.

 

Wybierając generator na jacht, w zależności od jego głównego przeznaczenia, należy dobrać urządzenie o odpowiednich parametrach i właściwościach użytkowych. Jeżeli zależy nam na wytwarzaniu dużej ilości prądu elektrycznego do bieżącego zaspokojenia potrzeb energetycznych odbiorników znajdujących się na jachcie, w czasie rejsu i postoju, najlepszym rozwiązaniem jest wydajny generator wiatrowy z osią poziomą. Podczas długich morskich przebiegów, gdy istotna jest stabilność wytwarzanej energii, bardzo dobrym rozwiązaniem są generatory wodne. Gdy potrzebujemy urządzenia, które będzie podładowywać nasze akumulatory, zastosować można turbinę małej mocy dającą zamontować się w miejscu gdzie nie będzie przeszkadzała w normalnym funkcjonowaniu załogi. W każdym przypadku należy jednak brać pod uwagę, że generator pracować będzie w trudnych a czasem ekstremalnych warunkach, narażony na wodę, bardzo silny wiatr lub udary mechaniczne.

 

 

Andrzej Cebrat

Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.