Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej PK nakręca OZE dla gospodarki

W polskiej części Morza Bałtyckiego stanęła pierwsza morska turbina wiatrowa w ramach jednej z największych instalacji energetycznych tego typu w Europie. Rynek polskiej energetyki wiatrowej się rozwija. Ale dynamika wzrostu tego segmentu OZE w Polsce mogłaby być większa dzięki bliższej współpracy państwa i firm ze środowiskiem naukowym. Takiej, jaką proponuje Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej Politechniki Krakowskiej.

– Wsparcie specjalistów inżynierii wiatrowej przy wykorzystaniu polskiej infrastruktury badawczej wpłynęłoby na większą skuteczność wiatrowych inwestycji – oceniają eksperci z Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej.

Specjaliści krakowskiego ośrodka badają m.in. sprawność aerodynamiczną turbin wiatrowych w nowym Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej. To jedno z najnowocześniejszych w Europie i jedyne tego typu w Polsce centrum badawcze, w którym firmy i inwestorzy otrzymują kompleksowe wsparcie przy tworzeniu, wprowadzaniu, doskonaleniu oraz testowaniu produktów i innowacji z obszaru inżynierii wiatrowej. W nowoczesnych, świetnie wyposażonych tunelach aerodynamicznych Politechniki Krakowskiej precyzyjnie określają różne parametry turbin wiatrowych. Unikatowe możliwości laboratorium uczelnia wykorzystuje także w kształceniu inżynierów, m.in. budownictwa, energetyki czy inżynierii środowiska. Studenci i doktoranci, wspólnie z naukowcami, uczestniczą w realizowanych tu projektach badawczych, badawczo-rozwojowych i komercyjnych.

W tej hamowni wiatr nie hamuje

Badania tunelowe turbin wiatrowych dają możliwość zweryfikowania danych na temat ich mocy czy zakresu efektywnej prędkości obrotowej. Dane te, przedstawiane przez producentów przykładowo dotyczące wartości mocy czy prędkości obrotu turbiny, nie zawsze są precyzyjne.

­– W drodze badań uzyskuje się klarowną informację, jak bardzo sprawna jest turbina i ile faktycznie mocy może generować w danych lokalnych warunkach wietrzności. Po uwzględnieniu prędkości napływającego strumienia powietrza oraz prędkości obrotu wirnika wiatrowego (z ang. tip speed ratio) otrzymujemy wykres współczynnika mocy turbiny, który można zestawić z analogicznym wykresem przygotowanym przez wytwórców urządzenia. Uzyskujemy wówczas realną odpowiedź na pytanie „ile za ile”. To znaczy za ile kupuję jak wydajną turbinę – tłumaczy dr inż. arch. Łukasz Flaga, starszy specjalista naukowo-techniczny z zespołu Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej.

Dzięki unikatowemu urządzeniu – hamowni do turbin wiatrowych – opracowanemu przez zespół naukowców Politechniki oraz firmę Bertold, w kontrolowanych warunkach napływającego strumienia powietrza wewnątrz tuneli aerodynamicznych można bardzo dokładnie określić charakterystykę pracy turbiny wiatrowej. Dzięki temu identyfikuje się obszar jej najbardziej efektywnej pracy. To z kolei pozwala na optymalizację oraz „strojenie” do wymaganych parametrów pracy, zwiększając sprawność turbiny (największa prędkość obrotowa przy określonej prędkości wiatru).

– W połączeniu z danymi o miejscu i wysokości montażu turbiny oraz informacjami meteorologicznymi o liczbie dni w roku z wiatrem, jego kierunkach czy wartości prędkości, z jaką wieje, poznajemy dokładną charakterystykę warunków pracy turbiny. W konsekwencji można bardzo dokładnie określić roczny uzysk energii z danej turbiny – wyjaśnia specjalista PK.

Do badań turbin wiatrowych Laboratorium Inżynierii Wiatrowej wykorzystuje stanowisko zwane hamownią. W świecie motoryzacji hamownie służą do testowania samochodów pod kątem osiągów silnika – uzyskujemy wówczas wykres mocy i momentu obrotowego generowanego przez zestaw silnik plus przekładnia. To z kolei daje nam parametry prędkości, przyśpieszenia czy szeroko pojętego komfortu podróży.

– W przypadku hamowni dla siłowni wiatrowych otrzymujemy analogiczne dane. Mówimy wtedy o sprawności aerodynamicznej, czyli wszystkim tym, co jest związane z geometrią, charakterystyką aerodynamiczną turbiny i ilością energii, którą jesteśmy w stanie uzyskać z całej energii zawartej w danym strumieniu powietrza – mówi dr Flaga.

Badania mogą dotyczyć samego wiatraka albo całego układu turbiny (zwanej siłownią wiatrową).

– Bowiem kompletna siłownia wiatrowa zawiera również generator, przekształtnik, sterownik i wszystkie pozostałe elementy niezbędne do tego, aby przetwarzać energię mechaniczną zawartą w wietrze w energię elektryczną – wymienia naukowiec.

Badania w każdej skali – od turbin domowych do przemysłowych

Dzięki konstrukcji hamowni, autorsko zaprojektowanej przez inżynierów z Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej PK, a wyposażonej w najnowocześniejsze systemy sterowania przepływem powietrza, wyniki prowadzonych tu badań można skalować w zależności od potrzeb badawczych.

– Przy zachowaniu kryteriów podobieństwa stanowisko w Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej pozwala testować wirniki dowolnego rodzaju – od tych najmniejszych turbin przydomowych do przemysłowych siłowni wiatrowych, tak ogromnych jak ta, która właśnie stanęła na Bałtyku – mówi Szymon Kluska, student piątego roku inżynierii środowiska na Wydziale Inżynierii Środowiska i Energetyki PK.

– Porównujemy liczby, wartości bezwymiarowe. Przy spełnieniu odpowiednich kryteriów podobieństwa modelowego – głównie kryterium geometrycznego – możemy dokładnie odwzorować w skali nawet ogromną turbinę. Co więcej, możemy na niej pracować, zmieniając pewne parametry i charakterystyki, uzyskując szeroko rozumianą optymalizację jej pracy. To przekłada się na korzystny rachunek ekonomiczny, porównując wymierne zyski z poprawionej pracy turbiny względem jednorazowych kosztów przeprowadzenia badań tunelowych – dodaje dr Flaga.

Gdy firma z wirnikiem chce większej mocy

Zespół Laboratorium Inżynierii Wiatrowej prowadzi badania zarówno na zlecenia firm (m.in. KPE-Integra, Cargo Konstruktor, Hetmaniok W&H), jak i w ramach własnej działalności naukowej. Zdarza się, że weryfikuje w nich popularne mity rynkowe czy nawet fake newsy. Wśród takich tematów były m.in. badania uzysku energii z turbiny w zależności od liczby łopat śmigła.

– Na rynku panuje pogląd, że im więcej łopat, tym więcej energii. Zbadaliśmy tę kwestię i okazało się, że wcale nie. Najlepsze parametry, w przypadku „klasycznych” turbin o osi poziomej, uzyskuje się dla trzech łopat. Mamy też doświadczenie w badaniach różnych kształtów łopat, przekładni, w testowaniu rozwiązań turbin klasycznych o osi poziomej, ale i pionowej, czyli takiej, w której wiatrak kręci się niezależnie od kierunku wiatru – wylicza dr Łukasz Flaga.

Turbiny wiatrowe zasadniczo dzieli się na dwie grupy: te, które działają na siły oporu (np. turbina Savoniusa) i na siłę nośną (np. turbina Darrieusa).

– Turbiny klasyczne o osi poziomej ze stałymi łopatami są powszechnie znane. Łatwo można dotrzeć do wyników przeprowadzanych na nich badań. Niektóre zastosowane w nich rozwiązania stanowią tajemnicę handlową i nie znajdziemy publikacji prowadzonych na nich prac badawczych. Takich klasycznych turbin z reguły testujemy najmniej. Najczęściej na testy trafiają do nas ciekawsze przypadki, np. turbiny z pewnymi modyfikacjami, które w zamyśle mają mieć przewagę względem jej zasadniczej konstrukcji, a tym samym zapewniać lepszą sprawność. Producenci dążą do maksymalnej prostoty urządzenia przy maksymalnej wydajności. Chcą urządzeń, które będą odporne na wszystko, a zarazem tanie. Gdy przychodzi do nas klient z rozwiązaniem, które nie osiąga tych cech, ale ma potencjał rozwojowy, wówczas „rozwijamy skrzydła” i znajdujemy receptę. Dzięki naszym badaniom wskazujemy dalsze kierunki, w jakich można produkt doskonalić, aby stał się jeszcze bardziej konkurencyjny – tłumaczy dr Flaga.

Dywersyfikacja źródeł energii to przyszłość

Naukowcy Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej przyznają, że energia wiatrowa jest jednym z filarów przyszłego bezpieczeństwa energetycznego Polski. Jednym z nich, ale nie jedynym. Równie istotna jest np. fotowoltaika, ale pod warunkiem, że stosowana tam, gdzie gwarantuje opłacalność inwestycji. Dywersyfikacja źródeł energii w ocenie krakowskich ekspertów powinna być priorytetem polityki energetycznej, ale musi być realizowana rozważnie – chociażby ze względu na zróżnicowanie geograficzne Polski.

– Skoro na południu Polski są gorsze warunki wiatrowe niż na Pomorzu, oczywistym jest, że inwestowanie w farmy wiatrowe w tych miejscach nie będzie tak samo opłacalne – wskazuje dr Łukasz Flaga.

Jako wiceprzewodniczący Polskiego Stowarzyszenia Inżynierii Wiatrowej przyznaje, że zbyt rzadko inwestycje w tym segmencie OZE są konsultowane ze specjalistami, co przekłada się potem na ich ograniczoną skuteczność.

– Nie musi tak być. Jesteśmy bardzo otwarci na współpracę, zarówno z rynkiem firm, jak i decydentami odpowiedzialnymi za politykę energetyczną czy tworzenie aktów legislacyjnych, które regulują rozwój sektora OZE w Polsce – zapewnia.

Laboratorium Inżynierii Wiatrowej z nowoczesnym Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej jest częścią Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej. To jedyne w Polsce i jedno z nielicznych na świecie centrum badawcze skoncentrowane na tematyce wpływów środowiskowych na budynki, ludzi, urządzenia i systemy. Oprócz badań turbin wiatrowych prowadzone w nim są badania modelowe i symulacje komputerowe dotyczące dynamicznego oddziaływania smogu na miasta (a także ich przewietrzanie) czy eksperymentalne badania wpływów środowiskowych i klimatycznych na elementy rozwiązań inżynierskich. Zespół badawczy LIW PK współpracuje też ze sportowcami, m.in. z Polskim Związkiem Narciarskim czy Polskim Związkiem Kolarskim.

Źródło: Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki

Czytaj także: Polskie nanoperfumy bez alkoholu podbijają świat