Koło Naukowe AGH Eko-Energia stanowi zespół skupiający młodych ludzi oraz ich pasję do tworzenia innowacyjnych projektów związanych z odnawialnymi źródłami energii. Z determinacją i zaangażowaniem, studenci Koła stworzyli już trzy znaczące projekty, skoncentrowane na dziedzinie energii wiatrowej, a w 2022 rozpoczęli prace nad budową samochodu solarnego „Perła”. Prace Koła zaowocowały stworzeniem dwóch unikalnych turbin wiatrowych oraz innowacyjnego panelu nawiewowego, który spełnia kluczową rolę w badaniach nad turbinami wiatrowymi. Głównym celem projektów jest próba rozwiązania problemów związanych z niestabilnością odnawialnych źródeł energii.

Pierwszą stworzoną przez członków Koła turbiną była „Windy” (Rys. 1), czyli turbina wiatrowa z dyfuzorem o zmiennej średnicy. Kluczowy element oparty jest na zasadzie Venturiego. Dzięki takiemu rozwiązaniu osiągnięto imponujący wzrost wydajności turbiny aż o 30% w porównaniu z konwencjonalnymi konstrukcjami wiatrowymi.

Zastosowanie oprogramowania firmy Ansys pozwoliło na wnikliwą analizę dynamiki płynów i analizy aerodynamicznej, co stanowiło kluczową kwestię w konstrukcji turbin wiatrowych. Dzięki analizie numerycznej studenci mieli możliwość modelowania przepływu powietrza przez łopatki oraz dyfuzor, co umożliwiło ich optymalizację pod kątem efektywności.

Podczas różnych etapów tworzenia projektu, niezwykle istotne stają się symulacje przepływowe. W dziedzinie obliczeniowej mechaniki płynów, używa się metody numeryczne w celu rozwiązania złożonych zagadnień związanych z przepływem substancji płynnych. Głównym celem prowadzonych przez studentów analiz numerycznych było doskonalenie kształtu dyfuzora oraz profili łopatek. W ramach symulacji dokonali oni oceny kluczowych parametrów mających wpływ na działanie analizowanego systemu. Wśród tych parametrów znalazły się wskaźnik Macha, prędkość kątowa, moment siły oraz wskaźnik mocy turbiny. W początkowych fazach projektu, prowadzono analizy na uproszczonych, dwuwymiarowych modelach. Końcowa analiza przepływu przez dyfuzor, uwzględniająca również rotor turbiny wiatrowej, została przeprowadzona w oparciu o trójwymiarowy model.

Posiadając doświadczenie w procesie symulacji turbin wiatrowych, zespół Eko-Energii przeszedł do procesu projektowania turbiny wiatrowej „HALYNA”. W celu zaprojektowania optymalnego kształtu łopatek, przeprowadzono wszechstronne analizy numeryczne, umożliwiające oszacowanie głównych parametrów wpływających na działanie turbiny. W zakresie tych parametrów uwzględniono, jak w projekcie „Windy”, wskaźnik szybkobieżności, prędkość kątową, moment siły oraz wskaźnik mocy turbiny. Projektując turbinę wiatrową „HALYNA”, położono nacisk na geometrię łopatek (Rys. 5) oraz analizę kształtu konfuzora (wlotu). Symulacje dotyczące wirnika obejmowały analizę trójwymiarowego modelu przepływu powietrza przez płaszczyznę pracy łopatki oraz analizy dwuwymiarowe konfuzora.
Podczas wyboru profili aerodynamicznych dla projektowanych łopatek, przeprowadzono dokładny przegląd literatury zwracając uwagę na różnorodne kryteria, takie jak wydajność aerodynamiczna, opór i osiągi w określonym zakresie prędkości. Po przeprowadzeniu analizy wybrano profil NACA 5807, który wykazywał najbardziej obiecujące właściwości w kontekście wymaganych parametrów pracy turbiny.

Dzięki kompleksowym analizom numerycznym i selekcji odpowiedniego profilu aerodynamicznego, zespół był w stanie stworzyć optymalny kształt łopatek, który spełnił oczekiwania projektowe i przyczynił się do maksymalnej wydajności turbiny. Porzez przeprowadzanie symulacji naprężeń na łopatkach dokładnie zbadano obciążenia występujące na ich powierzchni. Ten proces pozwolił na precyzyjne określenie wymaganej wytrzymałości łopatek, co stanowiło punkt wyjścia do dalszych udoskonaleń konstrukcji. Analiza naprężeń dostarczyła istotnych informacji dotyczących obciążeń, na które łopatki będą narażone podczas pracy turbiny wiatrowej (Rys. 6). Obliczenia pozwoliły na zaprojektowanie łopatek o odpowiedniej wytrzymałości, co stanowi kluczowy element zapewniający niezawodność i trwałość łopatek, szczególnie w trudnych warunkach, w jakich działają turbiny wiatrowe.