Turbiny wiatrowe, panele PV i wieżowce. Dlaczego wpływy wiatru trzeba badać w laboratorium? [WYWIAD]

Energetyka wiatrowa jest jednym z filarów transformacji energetycznej. Trudno wyobrazić sobie bez niej przyszły polski miks energetyczny – zarówno bez dużych farm wiatrowych na lądzie, rozwijającego się sektora offshore, jak i mniejszych, prosumenckich mikroinstalacji wiatrowych. Te ostatnie mają różną renomę, a żeby mogły dobrze działać, trzeba je najpierw odpowiednio przebadać.

O tym, jak wygląda praca przy badaniu turbin wiatrowych, ale też wpływu wiatru na budynki, instalacje fotowoltaiczne i komfort pieszych w miastach, rozmawiamy z Szymonem Kluską z Laboratorium Inżynierii Wiatrowej działającego przy Politechnice Krakowskiej.

Turbina w tunelu aerodynamicznym. Jak wygląda codzienna praca laboratorium? 

Michał Jakubiec, GLOBENERGIA: Jak wygląda twoja codzienna praca przy badaniu turbin wiatrowych?

Szymon Kluska, LIW PK: Zdecydowanie nie ma nudy. Ta praca jest bardzo zróżnicowana, a cały proces dość złożony. Zaczynamy od prac przygotowawczych, podczas których turbinę, którą mamy przebadać, dostosowujemy do naszych stanowisk pomiarowych. Czasami wymaga to drobnych przeróbek ślusarskich czy warsztatowych.

Potem przechodzimy do etapu, który wymaga już większej wiedzy fachowej, czyli do badań tunelowych. Mamy dedykowane stanowisko do badań turbin wiatrowych wielkości takich, jakie stosuje się w instalacjach prosumenckich. Wyznaczamy na nim charakterystyki pracy turbiny.

Najbardziej podstawową charakterystyką, znaną także komercyjnie, jest krzywa mocy. Dla nas, jako fachowców, bardzo ważne są jednak również inne charakterystyki: współczynnik mocy w funkcji wyróżnika szybkobieżności oraz współczynnik momentu również w funkcji wyróżnika szybkobieżności.

Sam wyróżnik szybkobieżności jest bardzo ważnym parametrem, indywidualnym dla każdej turbiny i każdego wirnika wiatrowego. Łączy on prędkość obrotową wirnika z prędkością napływającego wiatru. Znając te charakterystyki, możemy odpowiednio zalecić zaprojektowanie sterowania taką turbiną, tak aby trafić w optymalny punkt pracy i aby urządzenie możliwie najlepiej generowało energię.

Mikroturbiny wiatrowe badane w skali 1:1 

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Badacie mniejsze turbiny wiatrowe w takiej formie, w jakiej są dopuszczone do sprzedaży, czy bazujecie na mniejszych modelach?

Szymon Kluska, LIW PK: Badamy je w skali 1:1. Jeżeli dokonujemy przeróbek, to są to drobne zmiany, które służą wyłącznie dostosowaniu turbiny do montażu na naszym stanowisku. Warto też dodać, że nie badamy tylko klasycznych wirników śmigłowych. Mamy możliwość badania również turbin o pionowej osi obrotu.

Elastyczne stanowisko badawcze dla różnych typów turbin 

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Gdy ustawiacie stanowisko badawcze, korzystacie z jakichś modeli referencyjnych, czy dostosowujecie je pod konkretną turbinę?

Szymon Kluska, LIW PK: Mamy możliwość dostosowywania stanowiska w pewnym zakresie do konkretnej turbiny. Żeby lepiej wyjaśnić, jak to wygląda, krótko je scharakteryzuję. Zewnętrzną częścią układu jest turbina, którą dostarcza nam zleceniodawca. Mocujemy ją do naszego wału, na którym znajduje się czujnik momentu obrotowego. Jest on bezstykowy, dzięki czemu nie wprowadza dodatkowych oporów. Następnie mamy przekładnię. Przekładnie są wymienne, więc możemy badać zarówno wirniki wolnoobrotowe, jak i szybkoobrotowe.

Dalej znajduje się serwomotor, który może pełnić zarówno funkcję napędową dla turbiny, jak i funkcję generatora odbierającego energię od turbiny. Dzięki temu stanowisko jest bardzo elastyczne i możemy przebadać na nim naprawdę wiele różnych turbin oraz wariantów pomiarowych.

Od kilku godzin do kilku dni. Ile trwa badanie turbiny? 

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Jak wygląda samo badanie turbiny wiatrowej? Ile trwa i jak przygotowujecie stanowisko?

Szymon Kluska, LIW PK: Najpierw przystosowujemy turbinę do montażu na naszym stanowisku. Następnie wprowadzamy ją do tunelu i wykonujemy pomiary. Czas badania zależy od jego zakresu, stopnia skomplikowania oraz od tego, czy wszystko przebiega zgodnie z planem. Każdy przypadek jest indywidualny, więc czasem trzeba trochę pokombinować. Takie badanie może trwać od kilku godzin do nawet kilku dni.

Później, gdy mamy już zebrane surowe wyniki, opracowujemy je tak, aby uzyskać charakterystyki, o których wcześniej mówiłem, a czasem także inne dane. Następnie zestawiamy je w raport w możliwie przystępnej formie dla klienta. Niektórzy klienci są fachowcami z doświadczeniem, a inni dopiero zaczynają i niekoniecznie muszą umieć samodzielnie zinterpretować wszystkie charakterystyki. Przygotowujemy więc raport, wysyłamy go klientowi i ewentualnie rozmawiamy o tym, co można zrobić dalej.

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Rozumiem, że zbieranie danych odbywa się już cyfrowo?

Szymon Kluska, LIW PK: Tak. Wszystko mamy na stanowisku zautomatyzowane. Wartości momentu obrotowego, prędkości obrotowej czy prędkości wiatru są rejestrowane elektronicznie w czasie rzeczywistym.

Jakość, precyzja i projekt. Co decyduje o wytrzymałości turbiny? 

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Wiele osób może nie zdawać sobie sprawy, że turbina wiatrowa pracuje w bardzo zmiennych warunkach – przy różnych naprężeniach i podmuchach wiatru. Co decyduje o jej wytrzymałości?

Szymon Kluska, LIW PK: Powiedziałbym: jakość, jakość i jeszcze raz jakość. Jakość użytych komponentów, jakość wykonania i jakość projektu. Wszystko odgrywa tutaj ważną rolę. Jeżeli turbina została wykonana prawidłowo, jeżeli użyto materiałów wysokiej jakości, jeżeli została profesjonalnie zmontowana, dobrze pospawana, wyposażona w dobre łożyska i prawidłowo zaprojektowana pod konkretne obciążenia wiatrem, to wszystko powinno działać zgodnie z planem.

Bardzo ważne jest też unikanie częstotliwości rezonansowych konstrukcji wirnika. Jeżeli wszystkie te warunki zostały zachowane, turbina powinna pracować prawidłowo. Jeżeli natomiast gdzieś popełniono błąd, to potencjalne awarie biorą się najczęściej właśnie z takich niedociągnięć. To kwestia jakości, precyzji i dokładności.

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Czyli wasze badania sprawdzają również, czy turbina jest wystarczająco odporna, żeby wytrzymać naprężenia wywołane przez wiatr?

Szymon Kluska, LIW PK: W naszych badaniach skupiamy się raczej na charakterystykach energetycznych niż na kwestiach aeromechanicznych. Nie odpowiedziałbym więc na to pytanie twierdząco. Natomiast gdyby pojawiło się zlecenie, w którym ktoś oczekiwałby takich badań, najpewniej podeszlibyśmy do tego pozytywnie i moglibyśmy przeprowadzić również tego typu analizy.

Nie tylko turbiny. Wiatr ma znaczenie także dla budynków i fotowoltaiki 

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Nazwa waszego laboratorium to Laboratorium Inżynierii Wiatrowej, więc można się domyślać, że nie zajmujecie się tylko turbinami wiatrowymi. Badacie również inne obszary, między innymi budynki?

Szymon Kluska, LIW PK: Dokładnie. Można nawet powiedzieć, że badania budynków to nasza główna działka i obszar, z którego wyszliśmy. Wynika to między innymi z tego, że nasze laboratorium znajduje się na Wydziale Inżynierii Lądowej.

Główne badania, które wykonujemy od lat, to rozkłady ciśnień na elewacjach budynków, badania drgań na modelach aeroelastycznych oraz badania tak zwanego komfortu wiatrowego. Dawniej wykonywaliśmy też badania kładek i mostów. Ostatnio prowadziliśmy również sporo badań wagowych. Przykładem mogą być badania współczynnika oporu dla bolidu skonstruowanego przez studentów Politechniki Krakowskiej.

Jeżeli chodzi o branżę OZE, to niedawno wykonywaliśmy ciekawe badania dotyczące wpływu wiatru na instalacje fotowoltaiczne na dachach płaskich. Firma, która nam je zleciła, chciała dobrać balasty do konstrukcji. Były to badania stricte związane z mechaniką tych konstrukcji.

Co ciekawe, firma miała pewne zastrzeżenia do działania kalkulatora, na którym bazowała przy balastowaniu. Konstruktor zwrócił się więc do nas z prośbą o wykonanie badań modelowych w skali 1:10 dla takiej konstrukcji na dachu płaskim budynku. Okazało się, że badania zupełnie nie potwierdziły tego, co kalkulator proponował w zakresie balastowania. Dlatego wydaje się, że w branży OZE, poza turbinami wiatrowymi, które są naszym naturalnym środowiskiem, duże pole do działania możemy mieć także w projektowaniu balastowania instalacji fotowoltaicznych i w tego typu badaniach.

• Zobacz również: Jak testuje się małe turbiny wiatrowe? Zaglądamy do tunelu aerodynamicznego [VIDEO]

Balastowanie, czyli ochrona instalacji przed poderwaniem przez wiatr 

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Wyjaśnijmy jeszcze naszym odbiorcom: na czym konkretnie polega balastowanie?

Szymon Kluska, LIW PK: Polega na dociążeniu konstrukcji wsporczej pod instalację PV w taki sposób, aby w przypadku podmuchu wiatru nie doszło do jej przesunięcia, a w skrajnym przypadku nawet zrzucenia z dachu. Trzeba podkreślić, że siły, które tam działają, są bardzo nierównomiernie rozłożone. Najbardziej wrażliwe są – co intuicyjne – te fragmenty instalacji, które znajdują się blisko krawędzi dachu. Znaczenie mają jednak również takie elementy jak wysokość ewentualnej attyki, odległość od krawędzi czy rozmieszczenie paneli na dachu względem siebie.

Są to rzeczy bardzo skomplikowane, ale też bardzo interesujące. Dążymy do tego, żeby w takich badaniach coraz bardziej się specjalizować i je usprawniać, bo temat jest ciekawy i trzeba powiedzieć, że bardzo poważny.

Modele w skali, rzeczywiste wyniki. Jak bada się budynki i konstrukcje PV? 

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: W przypadku mikroinstalacji wiatrowych mówiłeś, że badacie faktyczne turbiny w skali 1:1. A jak wygląda to przy konstrukcjach fotowoltaicznych do balastowania i przy badaniach budynków? Pracujecie na makietach, pełnowymiarowych fragmentach czy elementach konstrukcji?

Szymon Kluska, LIW PK: W takich przypadkach wykonujemy badania modelowe w skali. Wspomniałem już o tym przy konstrukcjach fotowoltaicznych – tam była to skala 1:10. Przy badaniach budynków mówimy raczej o skalach rzędu 1:200 albo 1:300. Model pomiarowy, żeby osadzić go w realnych warunkach, projektujemy razem z otoczeniem. Wszystkie elementy – od modelu pomiarowego po otoczenie – projektujemy i wykonujemy u nas w laboratorium, w naszej modelarni. Następnie umieszczamy je w tunelu aerodynamicznym na czas badań. Dzięki zachowaniu kryteriów podobieństwa możemy przełożyć wyniki uzyskane w tunelu aerodynamicznym na wielkości rzeczywiste.

Kiedy norma to za mało. Po co bada się wysokie budynki? 

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Dla kogo wykonujecie takie badania? Dla deweloperów, zarządców miast, biur projektowych?

Szymon Kluska, LIW PK: Głównie dla biur projektowych, przede wszystkim dla konstruktorów. Takie pomiary i wyniki mogą dać konstruktorom dodatkowy spokój. Przy projektowaniu bardzo wysokich budynków – mówimy tu głównie o budynkach wysokościowych powyżej 100 metrów, bo nimi często zajmujemy się w laboratorium – wpływ wiatru na konstrukcję jest naprawdę niebagatelny.

Oczywiście istnieją normy, ale odnoszą się one do pewnych standardowych założeń. Każdy przypadek jest jednak indywidualny i trzeba go rozpatrywać osobno. Nasze badania mogą potwierdzić, że norma w danym przypadku się zgadza, ale mogą też pokazać: „hola, hola, tutaj warto coś jeszcze wzmocnić”. Może się bowiem okazać, że pojawiają się interferencje związane z budynkiem stojącym nieopodal. Taki budynek może tworzyć cień aerodynamiczny, ale może też powodować większe parcie albo ssanie w określonych miejscach. To są zjawiska bardzo indywidualne i bardzo wrażliwe. A bezpieczeństwa nigdy dosyć.

Komfort użytkowników i drgania wieżowców 

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Czyli badania dają inwestorowi i projektantom spokój, że konstrukcja jest bezpieczna i że nie powinno dojść do sytuacji skrajnych, takich jak katastrofa budowlana?

Szymon Kluska, LIW PK: Dokładnie tak. Dzięki takim badaniom możemy tym bardziej uniknąć katastrof budowlanych. Możemy też zadbać o komfort użytkowników. Przy wysokich i smukłych budynkach bardzo ważny jest komfort wibracyjny. Modele, na których badamy drgania, również wykonujemy u nas w laboratorium. To jest nasze know-how, nabyte przez zespół przez lata.

Tworzymy w skali modele, które odwzorowują stosunki sztywnościowe konstrukcji budynków oraz rozkład masy. Dzięki temu możemy w tunelu aerodynamicznym badać również drgania takich konstrukcji. Chodzi o to, aby w zaprojektowanym budynku drgania nie były odczuwalne dla użytkowników – na przykład osób pracujących na 45. piętrze biurowca albo mieszkających w apartamencie na 52. piętrze. To bardzo ważna i trudna dziedzina. Są to badania żmudne, eksperymentalne, ale przynoszą bardzo dobre efekty.

Szorstkość terenu, czyli dlaczego wiatr inaczej pracuje w mieście i na morzu 

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Jakie są główne czynniki wpływające na prędkość wiatru wokół budynków? Wysokość, odległość od innych budynków, cień aerodynamiczny – co jeszcze ma znaczenie?

Szymon Kluska, LIW PK: Jeżeli mówimy o przepływie wiatru, to jedną z najważniejszych rzeczy, którą warto podkreślić, jest szorstkość terenu. Wpływa ona na tak zwany profil wiatru, czyli rozkład prędkości wiatru wraz z wysokością.

W miastach, gdzie zabudowa jest gęsta i szorstkość terenu jest bardzo duża, prędkość wiatru na wysokości, na której przechodnie chodzą ulicami, jest dużo niższa niż ta, która oddziałuje na elewacje najwyższych pięter budynków. Jeżeli mówimy o otwartej przestrzeni albo o morzu, gdzie można badać na przykład rozwiązania pod kątem morskich farm wiatrowych, te różnice prędkości nie są już tak duże.

Chropowatość terenu odwzorowujemy w tunelu aerodynamicznym za pomocą elementów generujących tak zwaną warstwę tarciową. To stały element wyposażenia tunelu. Mamy specjalne klocki, które wysuwają się z podłogi i powodują obniżenie prędkości przepływającego powietrza nisko przy podłodze. Zwiększają też intensywność turbulencji. Mamy również różne iglice, barierki i kraty turbulizacyjne. Dysponujemy wieloma metodami, które pozwalają wytworzyć odpowiedni przepływ dla konkretnych badań.

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Czyli, uściślając, szorstkość terenu jest jednym z powodów, dla których warunki pracy turbin na morzu są inne niż na lądzie?

Szymon Kluska, LIW PK: Tak. Kolokwialnie powiedziałbym, że na morzu profil wiatru jest bardziej „pionowy”, a w miastach bardziej „położony”.

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Co to znaczy „położony”?

Szymon Kluska, LIW PK: To nasze potoczne określenie. Kiedy patrzymy na wykres pionowego profilu wiatru, to w miastach jest on bardziej płaski, czyli wyciągnięty przy ziemi w stronę niższych prędkości. Przy zerowej albo pierwszej kategorii chropowatości profil jest bardziej pionowy, ponieważ warstwa tarciowa jest mała i nie zaburza tak mocno przepływu, ani nie spowalnia go przy ziemi.

Komfort wiatrowy pieszych. Jak uniknąć miejskich „korytarzy powietrznych”? 

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Wspominałeś przed rozmową, że badacie również to, jak prędkości wiatru układają się w miastach, na przykład z punktu widzenia pieszych. Jak to wygląda?

Szymon Kluska, LIW PK: W takich badaniach skupiamy się głównie na pieszych. Są to tak zwane badania komfortu wiatrowego. Kiedy mamy rozłożony model, czy też makietę miasta, w którym powstaje nowy budynek, rozmieszczamy na niej termoanemometry. Następnie sprawdzamy, czy powstanie takiej nowej konstrukcji nie wpłynie na drastyczne zmiany w przepływie powietrza na wysokości przechodniów. Jeżeli budynek zostanie ustawiony niefortunnie, w jakimś miejscu może powstać – mówiąc kolokwialnie – korytarz powietrzny. W takim miejscu mogą wytworzyć się warunki, w których będzie wiało praktycznie cały czas.

Są takie newralgiczne miejsca. Mogę tu trochę puścić oko w kierunku absolwentów AGH, którzy często przebywali na miasteczku studenckim. Tam zdarzały się tereny, gdzie wiało praktycznie ciągle. Koła naukowe próbowały nawet rozstawiać tam turbiny wiatrowe. Właśnie takich sytuacji chcemy unikać przy projektowaniu nowych konstrukcji. Dlatego wykonujemy takie badania.

Badania dla biznesu i nauki 

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: To pokazuje, że wasze badania dotyczą naprawdę szerokiego spektrum gospodarki. Dla kogo ostatecznie najczęściej pracujecie? Dla deweloperów, projektantów, producentów turbin?

Szymon Kluska, LIW PK: Podsumowując, skupiamy się przede wszystkim na współpracy z biznesem. Trzeba szczerze przyznać, że większość badań, które obecnie wykonujemy, to badania komercyjne i prace zlecone. Wykonujemy też jednak badania dla innych jednostek naukowych, które nie mają takiej infrastruktury. Prowadzimy również badania własne oraz badania związane z grantami. Nasze spektrum zainteresowań jest więc bardzo szerokie i oby w przyszłości jeszcze się rozszerzało.

Michał Jakubiec, redakcja GLOBENERGIA: Dziękuję za rozmowę.

Szymon Kluska, LIW PK: Dziękuję za zaproszenie.