Jak lepiej wykorzystać wiatr?

O tym, że odnawialne źródła energii są zarówno wyzwaniem, jak i koniecznością współczesności, nie trzeba nikogo przekonywać.

Zwłaszcza studentów zrzeszonych w kole naukowym Eko-Energia na krakowskiej Akademii Górniczo-Hutniczej. Od dwóch lat pracują oni nad turbiną wiatrową z dyfuzorem o zmiennej średnicy.

Turbiny wiatrowe to w tej chwili, także w Polsce, popularne odnawialne źródło energii. Problemem blokującym masowe wykorzystanie ich potencjału jest produkcja zależna od warunków atmosferycznych. – Te w Polsce są na wystarczającym poziomie, by zaspokoić większość zapotrzebowania energetycznego, jednak problem stanowi niestabilna prędkość wiatru – mówi Olga Tęcza ze studenckiego koła naukowego Eko-Energia. Dlatego studenci poszli w swoich badaniach o krok dalej, próbując stworzyć turbinę aktywnie dostosowującą się do parametrów wiatru. – Naszą innowacją jest dyfuzor o zmiennej średnicy. Możemy za pomocą automatycznego sterowania tworzyć dzięki temu podciśnienie, zmniejszając lub zwiększając prędkość przepływu wiatru wewnątrz turbiny. To pozwala na optymalizację jej pracy – opowiada

Olga Tęcza.

Studenci z AGH skonstruowali urządzenie, które w całości mieści się w sześcianie o wymiarach 2x2x2 m i waży 185 kg. Może być ono z powodzeniem wykorzystywane do produkcji energii w gospodarstwach domowych.

Średnica dyfuzora rozszerza się przy niskich prędkościach wiatru, co prowadzi do zwiększenia jego strumienia kierowanego bezpośrednio na łopaty turbiny, a co za tym idzie, zwiększenia jej mocy. W przypadku zaś zbyt wysokich prędkości wiatru średnica dyfuzora zmniejsza się, by dostosować parametry do punktu optymalnej pracy. To zapewnia dłuższy czas działania turbiny w ciągu całego roku. – Trzeba przecież pamiętać, że wiatry charakteryzuje duża zmienność i nieprzewidywalność, zarówno sezonowa, jak i dobowa – mówi Olga Tęcza. Turbina z dyfuzorem

o zmiennej średnicy pozwoli jej zdaniem na bardziej optymalne wykorzystanie warunków atmosferycznych przez cały rok. – Nasz dyfuzor może kontrolować prędkość wiatru, który zasila turbinę, dzięki czemu możemy uzyskiwać lepsze parametry mocy. Możemy produkować więcej prądu i przez dłuższy czas. Nasze rozwiązanie powoduje zwiększoną dostępność i stabilność tego źródła, maksymalnie zbliżając komfort korzystania z niego do paliw kopalnych. Nasz projekt może spowodować, że turbiny będą bardziej powszechne we wszystkich regionach kraju, a nie tylko tam, gdzie wiatry wieją najsilniej – dodaje Olga Tęcza.

Studenci z koła Eko-Energia rozpoczęli prace nad projektem w październiku 2019 r. Plany nieco pokrzyżowała pandemia. Pracowali nad zagadnieniami teoretycznymi, dyskutowali, opracowywali koncepcję. Potem przeszli do symulacji komputerowych, w trakcie których sprawdzili, gdzie powstają największe obciążenia, jakie możliwości ma dyfuzor, jak można popracować nad zwiększeniem jego mocy. – Wybraliśmy odpowiednie łopaty, kształt dyfuzora, zbudowaliśmy prototyp 3D w zmniejszonej skali, przebadaliśmy go w tunelu aerodynamicznym, żeby potwierdzić nasze symulacje, i przeszliśmy do budowy właściwej turbiny – mówi Olga Tęcza. Urządzenie jest zbudowane z części kompozytowych, które trzeba było wytworzyć w specjalnych formach z wykorzystaniem technik druku 3D oraz frezowania. Studenci samodzielnie przygotowali formy, zalaminowali części składające się z włókna szklanego i żywicy. Po ich złożeniu i zespawaniu ramy opracowali mechanizm. Równolegle trwały prace nad systemem sterowania turbiną. Wkrótce potem przyszedł czas na zgłoszenie wniosku patentowego.

W planach kolejne patenty, projekty i kolejne turbiny. − Chcemy wziąć udział w zawodach w Holandii, będziemy budować nową turbinę, która połączy trzy generatory, dzięki czemu jej pracę będzie można przystosowywać do bardzo dużego zakresu prędkości wiatru. W planach jest również przygotowanie dyfuzora dla niej. To duże wyzwanie. Średnica samego wirnika turbiny będzie miała dwa metry – mówi Olga Tęcza.

Studenckie koło naukowe Eko-Energia działa w Krakowie na Akademii Górniczo-Hutniczej przy Wydziale Energetyki i Paliw od kilkunastu lat. Obecnie zrzesza około 50 studentów z pięciu różnych wydziałów – razem tworzą interdyscyplinarny zespół. Głównym obszarem działalności Eko-Energii są projekty naukowo-badawcze z zakresu energetyki odnawialnej oraz ochrony środowiska. Dzięki dużemu zaangażowaniu członków koła powstało już ponad 30 projektów, o różnej skali i stopniu zaawansowania. W ostatnich latach studenci rozwijali m.in. prototypowy hybrydowy panel PVT, solarną chłodziarkę absorpcyjną czy słoneczną kogenerację.