Karta przedmiotu

Energetyka wód i atmosfery

Podstawowe informacje o zajęciach

Cykl kształcenia:

2015/2016

Nazwa jednostki prowadzącej studia:

Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa

Nazwa kierunku studiów:

Mechanika i budowa maszyn

Obszar kształcenia:

nauki techniczne

Profil studiów:

ogólnoakademicki

Poziom studiów:

pierwszego stopnia

Forma studiów:

stacjonarne

Specjalności na kierunku:

Alternatywne źródła i przetwarzanie energii, Komputerowo wspomagane wytwarzanie, Organizacja produkcji, Pojazdy samochodowe, Programowanie i automatyzacja obróbki

Tytuł otrzymywany po ukończeniu studiów:

inżynier

Nazwa jednostki prowadzącej zajęcia:

Zakład Termodynamiki

Kod zajęć:

697

Status zajęć:

obowiązkowy dla specjalności Alternatywne źródła i przetwarzanie energii

Układ zajęć w planie studiów:

sem: 7 / W30 L15 P15 / 6 ECTS / E

Język wykładowy:

polski

Imię i nazwisko koordynatora 1:

dr hab. inż. Tadeusz Knap

Terminy konsultacji koordynatora:

wg planu pracy jednostki organizacyjnej

Imię i nazwisko koordynatora 2:

dr hab. inż. prof. PRz Piotr Strzelczyk

Terminy konsultacji koordynatora:

wg planu pracy jednostki organizacyjnej

Cel kształcenia i wykaz literatury

Główny cel kształcenia:
Uzyskanie podstaw teoretycznych energetyki w zakresie energetyki wodnej i wiatrowej oraz umiejętności wyznaczania charakterystyk turbin, ich doboru i projektowania. Zrozumienie zjawisk fizycznych towarzyszących pracy elektrowni wodnych i wiatrowych.

Ogólne informacje o zajęciach:
Tematyka zajęć obejmuje zagadnienia aerodynamiki turbin wiatrowych i hydrodynamiki turbin wodnych niezbędne dla inżyniera zajmującego się odnawialnymi źródłami energii. Omawiane są zagadnienia konstrukcyjne turbin wiatrowych i wodnych. Wykład wprowadza również elementy fizyki atmosfery i hydrosfery. Zajęcia laboratoryjne dotyczą w głównej części eksperymentalnego aspektu zagadnień objętych wykładem.

Inne:
http://www.ecn.nl/nl/units/wind/projecten/field-rotor-aerodynamics-database/

Wykaz literatury, wymaganej do zaliczenia zajęć

Literatura wykorzystywana podczas zajęć wykładowych
1	J. V. Iribarne, H.-R. Cho	Fizyka Atmosfery	PWN Warszawa.	1988
2	St. Gumuła, T. Knap, P. Strzelczyk, Z. Szczerba	Energetyka Wiatrowa	Wyd. Naukowo Dydaktyczne AGH Kraków.	2006
3	Wł. Krzyżanowski	Turbiny wodne: konstrukcja i zasady regulacji	WN-T, Warszawa.	1971

Literatura wykorzystywana podczas zajęć ćwiczeniowych/laboratoryjnych/innych
1	St. Gumuła, T. Knap, P. Strzelczyk, Z. Szczerba	Energetyka Wiatrowa	Wyd. Naukowo Dydaktyczne AGH Kraków.	2006

Literatura do samodzielnego studiowania
1	J. V. Iribarne, H.-R. Cho	Fizyka Atmosfery	PWN Warszawa.	1988
2	St. Gumuła, T. Knap, P. Strzelczyk, Z. Szczerba	Energetyka Wiatrowa	Wyd. Naukowo Dydaktyczne AGH Kraków.	2006

Wymagania wstępne w kategorii wiedzy / umiejętności / kompetencji społecznych

Wymagania formalne:
Zaliczony kurs Mechaniki Płynów

Wymagania wstępne w kategorii Wiedzy:
Matematyka: Znajomość rachunku wektorowego, różniczkowego i całkowego. Mechanika płynów: zasady pędu i momentu pędu. Równanie Bernoulliego. Liczby kryterialne, Siły aero/hydrodynamiczne

Wymagania wstępne w kategorii Umiejętności:
Umiejętność prowadzenia prostych obliczeń rurociągów, stosowania kryteriów podobieństwa w mechanice płynów. Obliczanie sił aero/hydrodynamicznych na postawie charakterystyk bezwymiarowych

Wymagania wstępne w kategorii Kompetencji społecznych:
Umiejętność współpracy w grupie. Komunikatywność.

Efekty kształcenia dla zajęć

MEK	Student, który zaliczył zajęcia	Formy zajęć/metody dydaktyczne prowadzące do osiągnięcia danego efektu kształcenia	Metody weryfikacji każdego z wymienionych efektów kształcenia	Związki z KEK	Związki z OEK
MEK01	Podstawowa znajomość procesów zachodzących w atmosferze i w hydrosferze.	wykład, projekt indywidualny	raport pisemny	K-W002++ K-K002++	W01++ W03+++ W07++ K02++
MEK02	Podstawowa znajomość zjawisk zachodzących podczas pracy turbiny wiatrowej. Umiejętność stosowania prostych modeli teoretycznych do obliczania charakterystyk turbiny.	wykład, projekt indywidualny, laboratorium	raport pisemny	K-W002+ K-W008++ K-K002++	W01++ W03+++ W07++ K02++
MEK03	Znajomość podstaw aerodynamiki turbin wiatrowych. Umiejętność prowadzenia prostych pomiarów przepływowych związanych z energetyką wiatrową.	wykład, laboratorium	raport pisemny	K-W005+ K-W006++ K-U004++ K-U008++ K-K004++	W03++ W04+++ W07++ U01++ U02+ U03+ U08++ U09++ K03++ K04++
MEK04	Znajomość i umiejętność stosowania podstaw projektowania turbin wiatrowych	wykład, projekt indywidualny, projekt zespołowy	raport pisemny	K-W007+ K-U010+ K-U015++ K-U017++ K-K004++	W02++ W03+++ W04+++ U10++ U14++ U16++ K03++ K04++
MEK05	Znajomość zjawisk fizycznych towarzyszących pracy turbiny wodnej, Umiejętność przeprowadzenia podstawowych obliczeń projektowych dla turbiny wodnej.	wykład, laboratorium, projekt indywidualny, projekt zespołowy	raport pisemny	K-U004++ K-U010+ K-U015++ K-K004++	U01++ U02++ U03+ U10+++ U14++ K03++ K04+++

Treści kształcenia dla zajęć

Sem.	TK	Treści kształcenia	Realizowane na	MEK
7	TK01	1. Budowa atmosfery, statyka atmosfery, globalna cyrkulacja atmosferyczna, procesy fizykochemiczne w atmosferze, zmiany klimatyczne. 2. Charakterystyki przepływowe i energetyczne wiatru. Wiatr jako zjawisko fizyczne. źródła powstawania wiatru. Podstawowe charakterystyki wiatru. Rozkłady prędkości wiatru w funkcji wysokości nad powierzchnią gruntu oraz szorstkości terenu. Rozkład gęstości mocy strumienia powietrza w funkcji wysokości. Porywy wiatru, turbulencja atmosferyczna. Średnioroczna prędkość wiatru i jej rozkład. Rozkład Weibula i Rayleigh'a. Średnioroczny potencjał energetyczny wiatru.	-	MEK01
7	TK02	Układy konstrukcyjne turbin wiatrowych: o osi poziomej, i pionowej: Savoniusa i Darriusa. Turbiny otwarte i z otunelowaniem typu "wind-lens" Energetyczna wydajność elektrowni wiatrowej w funkcji prędkości średniorocznej wiatru i wysokości osi wirnika. Przybliżona ocena zasobów energii wiatru w Polsce oraz jej zmiany sezonowe. Wpływ parametrów atmosferycznych powietrza na wydajność energetyczną EW. Czynniki wpływające na możliwości wykorzystania energii wiatru. Pomiar podstawowych parametrów wiatru dla potrzeb energetyki wiatrowej. 4. Podstawowe parametry i charakterystyki turbin wiatrowych o osi poziomej i pionowej. Przegląd dotychczasowych konstrukcji. Stosowane rozwiązania podstawowych zespołów. Eksperymentalne metody badawcze w energetyce wiatrowej. Zarys teorii podobieństwa w badaniach modelowych. Tunele aerodynamiczne. Metody pomiaru prędkości z uwzględnieniem analizy dokładności pomiaru. Pomiary Badania modelowe turbiny wiatrowej . 6. Teoretyczne metody badawcze w energetyce wiatrowej. Przepływy potencjalne. Zarys teorii profilu. Charakterystyki profili lotniczych, siła nośna i oporu opływu. Warstwa przyścienna. Teoria strumieniowa turbiny wiatrowej. Granica Betza. Dyskusja nad twierdzeniem Betza. Modyfikowana metoda Witoszyńskiego dla turbiny z osią poziomą. Metoda Wilsona dla turbiny o pionowej osi obrotu.	-	MEK02 MEK03
7	TK03	Generatory energii elektrycznej stosowane w energetyce wiatrowej, układy regulacji, pomiary, akumulacja energii elektrycznej.	-	MEK03 MEK04
7	TK04	8. Projektowanie elektrowni wiatrowych: Adaptacja metody Larrabe'go do określenia podstawowych parametrów geometrycznych turbiny. Turbina o minimalnych stratach indukowanych. Liczba łopat, geometria i konstrukcja łopat turbiny. Wybór rozkładu współczynnika siły nośnej wzdłuż promienia łopaty. Ograniczenia geometryczne, aerodynamiczne i aeroakustyczne nakładane dla konstrukcji wirnika. Obciążenia łopat i wieży nośnej. Obliczenia rozkładu ciśnienia na profilu łopaty. Porównanie obliczeń z danymi doświadczalnymi. Farmy wiatrowe: interferencja turbin w farmie. Meandrowanie śladu aerodynamicznego.	-	MEK04
7	TK05	Zjawiska towarzyszące pracy elektrowni wodnych. Przepływy w kanałach otwartych: profil prędkości w kanale otwartym. Przelewy miernicze. Jednowymiarowy model ruchu równomiernego w kanale otwartym. Równanie Bernoulliego dla kanałów otwartych. Spadek niwelacyjny i hydrauliczny koryta. Promień hydrauliczny. Ruch podkrytyczny (spokojny) i nadkrytyczny (rwący). Głębokość krytyczna. Wydatek krytyczny. Krytyczna liczba Froude’a. Zjawisko odskoku hydraulicznego Bidone’a i jego zastosowania: (walka z erozją dna) Przepływy zewnętrzne i opływ łopat Uderzenie hydrauliczne w rurociągu: uderzenie prost i nieproste, wzór Żukowskiego. Kawitacja i pseudokawitacja: warunki powstawania, liczba kawitacyjna. kawitacja lokalna i superkawitacja wir z jądrem kawitacyjnym; szum kawitacyjny, mechanizm erozji kawitacyjnej.	-	MEK05
7	TK06	Elektrownie wodne: Typologia turbin wodnych, turbiny śmigłowe, Kaplana, Francisa, Deriaza, Banki-Michella-Stellera, Peltona, Gilkesa. Moc i wyróżnik szybkobieżności. Zakresy stosowalności poszczególnych rozwiązań. Sprawność turbiny wodnej. Równanie Eulera dla turbiny wodnej. Rury ssawne.Typy elektrowni wodnych: przyzaporowe, z derywacją kanałową i derywacją rurociągową, przepływowe. Elementy konstrukcyjne elektrowni. Obliczenia optymalnego wydatku i mocy dla zadanej konfiguracji elektrowni z rurociągiem ciśnieniowym. Obiczenia geometrii turbiny Kaplana. Ocena zagrożenia uderzeniem hydraulicznym w rurociągu ciśnieniowym. Obliczenia optymalnego wydatku i mocy dla zadanej konfiguracji elektrowni z rurociągiem ciśnieniowym. Ocena zagrożenia uderzeniem hydraulicznym. Prognozowanie powstawania kawitacji na profilu łopaty turbiny Kaplana	-	MEK05

Nakład pracy studenta

Forma zajęć	Praca przed zajęciami	Udział w zajęciach	Praca po zajęciach
Wykład (sem. 7)		Godziny kontaktowe: 30.00 godz./sem.	Uzupełnienie/studiowanie notatek: 15.00 godz./sem. Studiowanie zalecanej literatury: 15.00 godz./sem.
Laboratorium (sem. 7)	Przygotowanie do laboratorium: 8.00 godz./sem.	Godziny kontaktowe: 15.00 godz./sem.	Dokończenia/wykonanie sprawozdania: 7.00 godz./sem.
Projekt/Seminarium (sem. 7)	Przygotowanie do zajęć projektowych/seminaryjnych: 5.00 godz./sem.	Godziny kontaktowe: 15.00 godz./sem..	Wykonanie projektu/dokumentacji/raportu: 15.00 godz./sem.
Konsultacje (sem. 7)	Przygotowanie do konsultacji: 5.00 godz./sem.	Udział w konsultacjach: 5.00 godz./sem.
Egzamin (sem. 7)	Przygotowanie do egzaminu: 15.00 godz./sem.	Egzamin pisemny: 3.00 godz./sem.

Sposób wystawiania ocen składowych zajęć i oceny końcowej

Forma zajęć	Sposób wystawiania oceny podsumowującej
Wykład	Egzamin pisemny po uprzednim zaliczeniu zajęć laboratoryjnych i projektowych
Laboratorium	Zaliczenie wszystkich sprawozdań z laboratorium
Projekt/Seminarium	zaliczenie prac obliczeniowo-projektowych na zadany temat
Ocena końcowa

Przykładowe zadania

Wymagane podczas egzaminu/zaliczenia
(-)

Realizowane podczas zajęć ćwiczeniowych/laboratoryjnych/projektowych
(-)

Inne
(-)

Czy podczas egzaminu/zaliczenia student ma możliwość korzystania z materiałów pomocniczych : nie

Treści zajęć powiazane są z prowadzonymi badaniami naukowymi: nie