Eng Ru
Отправить письмо

В чем отличия многолопастных винтов и малолопастных. Лопасти ветрогенератора

$direct1

Выбираем ветрогенератор —

Дата публикации: 17 декабря 2014

Во многом эффективность выработки электроэнергии с использованием ветра зависит от вида ветрогенератора. Ветряные электроустановки бывают нескольких типов, различаясь по расположению оси (горизонтальные и вертикальные), по количеству лопастей (одно-, двух-, трехлопастные и многолопастные), по материалу, из которого изготовлены лопасти (жесткие и парусные), по шагу винта (фиксированный и изменяемый). Рассмотрим различные варианты.

Генераторы с фиксированным и изменяемым шагом винта

На первый взгляд изменяемый шаг винта ветрогенератора представляется наиболее предпочтительным, ведь подобная конструкция более эффективна за счет использования различных скоростей движения ветра. Если у ветрогенератора с фиксированным шагом винта эффективность снижается при изменении скорости ветра, то за счет изменяемого шага винта эффективность продолжает поддерживаться на максимальном уровне и при изменении скорости (фиксированный шаг обуславливает максимальную эффективность при определенных скоростях, а изменяемый – увеличивает диапазон таких скоростей).

Но тут подстерегает и существенный минус: использование системы с изменяемым шагом винта означает повышение стоимости как самого ветрогенератора, так и его эксплуатации, а главное – уменьшение надежности ветрогенератора за счет усложнения конструкции и увеличения веса ветроколеса. Поэтому изменяемый шаг винта применяется редко, а в основном используется фиксированный – надежность и простота обслуживания компенсируют потери в эффективности и делают эксплуатацию оборудования более удобной.

Материал и виды лопастей

Лопасти ветрогенератора могут быть как парусные, так и жесткие (крыльчатые). Парусные лопасти по внешнему виду напоминают мельничные крылья или корабельные паруса и работают по тому же принципу: за счет давления на их поверхность воздушных масс. К сожалению, подобный тип лопастей не использует энергию ветра максимально эффективным образом, так как в этом случае не используется аэродинамическая составляющая, а в результате используется около 10% от поступающей энергии.

Еще одним недостатком является довольно невысокая прочность лопастей. Высокая парусность и постоянное давление ветра приводит к быстрому выходу из строя лопастей – за счет постоянных нагрузок. Кроме того, обычно для парусных лопастей используются такие материалы, как фанера, пластик, жесть, реже – специальные ткани (например, баннерная ткань, представляющая собой смесь полиэстера и пластификатов, что придает ей большую прочность). Эти материалы общедоступны и достаточно недороги, но их устойчивость к тем нагрузкам, которым подвергаются лопасти ветрогенератора, недостаточно высока. Обычно парусные лопасти приходится заменять раз в год, а то и чаще, что существенно удорожает эксплуатацию оборудования. Поэтому парусные лопасти чаще всего используются в самодельных ветряных генераторах, как наиболее простые в изготовлении.

В ветрогенераторах промышленного производства применяются крыльчатые лопасти: такие лопасти максимально используют энергию ветра, а их форма и материалы, и которых они изготавливаются, позволяют с успехом противостоять разрушающим воздействиям окружающей среды.

Количество лопастей

Количество лопастей ветрогенератора может быть совершенно различным, в зависимости от области применения оборудования. Дело в том, что много-лопастные генераторы начинают вращение при минимальных скоростях ветра, однако они мало пригодны для выработки электроэнергии: небольшие скорости ветра и высокое сопротивление ветроколеса при большом количестве лопастей не обеспечивают нужных оборотов. В результате получается, что до достижения рабочих оборотов необходима высокая скорость ветра! Поэтому подобные конструкции используются в качестве подъемных устройств (например, для подъема воды из колодцев) – в этих случаях важны не обороты, а просто вращение ветрового колеса.

Для выработки электроэнергии используются одно-, двух- и трехлопастные ветрогенераторы. Что интересно: одно-лопастные ветрогенераторы способны работать даже при малых скоростях ветра, более низких, чем двух- и трехлопастные.

Расположение рабочей оси вращения

Ветрогенератор Савониуса

Расположение рабочей оси вращения ветрового генератора может быть как горизонтальным,так и вертикальным. У каждого из этих видов есть как свои плюсы, так и минусы, и, выбирая ветрогенератор, приходится учитывать и то, и другое.

Из вертикальных ветрогенераторов старейшим считается изобретение Савониуса, которому вот уже два столетия. Ветровой генератор Савониуса представляет собой несколько полу-цилиндров (от двух и более), закрепленных на вертикально расположенной оси. Основным преимуществом такого ветрогенератора перед горизонтальными является то, что он работает при любом направлении ветра. К сожалению, при этом наблюдаются низкие показатели использования энергии ветра – не более 25-30%. Ветрогенератор Савониуса нередко используется народными умельцами при самостоятельном изготовлении ветроэлектрической установки, для изготовления лопастей применяются металлические (иногда пластиковые) бочки.

Ротор Дарье

Ротор Дарье – еще один вариант вертикального расположения рабочей оси вращения. В этом случае используются плоские лопасти. Основной плюс ротора Дарье – простота изготовления и последующего монтажа. Эффективность его такая же, как и у ветрогенератора Савониуса, но имеется и дополнительный недостаток: ротор Дарье не может запускаться самостоятельно.

Наибольшую эффективность из вертикальных ветровых генераторов демонстрируют генераторы с много-лопастным ротором.

Реже всего используются вертикальные ветряки с геликоидным ротором. Закрутка лопастей обеспечивает равномерное вращение ветроколеса, но сложность изготовления приводит к слишком высокой цене, что ограничивает применение таких ветрогенераторов.

Ветровые генераторы с горизонтальной осью вращения используются чаще, чем вертикальные ветряки, так как их КПД существенно выше. К недостаткам горизонтальных ветрогенераторов относится необходимость установки флюгера, так как ветроколесо такого типа должно постоянно устанавливаться по ветру.

Подобного типа ветрогенераторы могут быть одно-лопастными, двух-, трех- и много-лопастными. Одно-лопастные генераторы имеют самые высокие обороты вращения, а масса и габариты всей установки невелики. Конструкционные особенности делают такие ветрогенераторы не только практически бесшумными, но и недорогими.

Двухлопастные ветрогенераторы близки по характеристикам к одно-лопастным (основное конструкционное различие их в том, что в одно-лопастных вместо второй лопасти используется противовес).

Из вертикальных ветряков наиболее часто для выработки электроэнергии используются трехлопастные. Особенно активно такой тип ветрогенераторов применяется в частных хозяйствах для обеспечения энергией загородных домов и коттеджей.

Для водяных насосов используются много-лопастные вертикальные ветрогенераторы. Вырабатываемая ими мощность недостаточна, чтобы применять их для производства электроэнергии, но среди устройств, служащих для подъема воды из скважин, такие устройства являются на данный момент наилучшими.

Использование магнитной левитации

Применение новейших технологий и известного даже школьникам закона электромагнитной индукции Лоренца-Ленца позволили создать ветрогенератор, который объединяет плюсы генераторов с вертикальным и горизонтальным ротором. В этом генераторе отсутствует механическое трение, нет щеток – это делает устройство чрезвычайно надежным, а обслуживание – чисто символическим (самые «больные» места стандартных генераторов – подшипники, которые довольно быстро изнашиваются из-за трения, также часто приходится заменять щетки).

Ветрогенераторы, использующие явление магнитной левитации, изготавливаются с вертикальным расположением ротора. Их срок эксплуатации гораздо больше, чем у стандартных ветряков, к тому же, они работают практически бесшумно.

Ветрогенераторы без лопастей

Современные технологии позволяют создать и такое чудо, как ветровой генератор, у которого полностью отсутствуют лопасти. Больше всего устройство похоже на антенну для спутникового ТВ – плоская тарелка. Ветрогенератор без лопастей работает почти без шума, эксплуатационные расходы ниже почти на 50% по сравнению с классическими устройствами, а КПД – значительно выше.

Также в мире начат серийный выпуск поплавковых электростанций, в которых вместо энергии ветра используют движение морских волн – за счет раскачивания волн приводятся в движение поршни гидравлических двигателей, ну а затем полученная механическая энергия преобразуется в электрическую.

Ветровые генераторы в домашнем хозяйстве

В настоящее время все больше владельцев частных домов и коттеджей задумываются об установке ветровых генераторов. При этом чаще всего их внимание обращено на вертикальные ветряки, если устройство покупается, и на горизонтальные – у тех, кто изготавливает устройство самостоятельно.

Следует заметить, что сроки окупаемости такого оборудования достаточно длительные, если учитывать стоимость аккумуляторных батарей. Но без аккумуляторов невозможно обеспечить бесперебойное снабжение дома и подворья электрической энергией с помощью такого генератора. Чаще всего бытовые генераторы используются в сочетании с другими источниками энергии, такими, как гелио-панели. Оптимально, если для выработки электроэнергии применяется тандем ветрогенератор/гелио-панели, а для снабжения дома теплом – тепловой насос. Как вариант – для отопления может быть использован биогаз, но нужное количество можно выработать только при наличии собственной животноводческой или растениеводческой фермы.

Таким образом можно добиться полной автономии дома и хозяйства от внешних «покупных» источников энергии и сделать энергоснабжение своего дома совершенно бесплатным.

С.Варган

Ротор Дарье:

altenergiya.ru

Лопасти для ветрогенератора. Расчет лопастей ветрогенератора.

Лопасти ветрогенератора являются наиболее важной частью ветроэлектрического агрегата. От формы лопастей зависят мощность и обороты ветродвигателя. Мы не будем останавливаться в этой брошюре на расчете новых лопастей ввиду сложности этой задачи, а воспользуемся готовыми крыльями, имеющими определенную форму и отличающимися высоким коэффициентом использования энергии ветра и большой быстроходностью. Нам необходимо лишь решить вопрос, как определить размеры новых лопастей на желаемую мощность, исходя из размеров известных крыльев при сохранении первоначальной их характеристики.Примем для маломощных ветроэлектрических агрегатов быстроходный двухлопастный ветряк со следующей известной из практики характеристикой:

Число лопастей..............2Коэффициент использования энергии ветра . 0,35 Быстроходность ветроколеса........7,0

Под быстроходностью ветрогенератора надо понимать отношение окружной скорости конца лопасти к скорости ветраПринимая одну и ту же быстроходность, равную 7, для ветроколес разных диаметров, мы будем получать разные обороты ветроколес при одной и той же скорости ветра. Наибольшие обороты будет развивать ветроколесо с наименьшим диаметром. Вообще обороты ветроколес с равными бы-строходностями будут относиться друр к другу обратно пропорционально их диаметрам, т. е.Это значит ветроколесо с диаметром D1 будет делать оборотов в минуту во столько раз больше, во сколько диаметр этого ветроколеса D1 меньше диаметра D2 другого ветроколеса. Например, если ветроколесо с диаметром 1,5 м делает 714 об/мин, то ветроколесо с диаметром 3 м будет делать 357 об/мин, т. е. в два раза меньше, хотя быстроходности их о

alternativenergy.ru

Количество лопастей для ветрогенератора сравнение эффективности и КИЭВ

Очень часто люди заблуждаются в том что многолопастные винты для слабого ветра, а трех-двух лопастные для сильного. И многие считают что для слабых ветров более эффективен именно многолопастной винт, ведь много лопастей, от этого тяга выше, больше ветра охватывают лопасти, крутящий момент выше, и следовательно мощность, но это не так. Из за большего количества лопастей выше стартовый момент, поэтому если генератор имеет сильное магнитное залипание, то приходится что-то делать чтобы увеличить стартовый момент, и обычно это добавление лопастей.

>

Давайте представим сначала одну лопасть и действующие на нее физические факторы. Лопасть имеет крутку, углы относительно потока ветра, и ветер налегая на нее, заставляет лопасть под давлением двигаться (выдавливаться вперед по оси вращения). Но лопасть двигаясь в своей плоскости преодолевает лобовое (фронтальное) сопротивление плотного воздушного потока. Этот поток и тормозит лопасть не давая ей набрать больше оборотов, и чем выше обороты, тем выше аэродинамическое сопротивление.

Если же лопастей больше чем одна, две-три, или 12 штук, то аэродинамическое сопротивление всех лопастей не остается равным одной, оно складывается, потери складываются в общие и обороты винта падают. Много энергии тратится просто на вращение. Плюс проходящие лопасти сильно возмущают поток закручивая его, от этого позади идущие лопасти получают еще большее лобовое сопротивление и снова тратится отнимаемая у ветра мощность и падают обороты. Именно на обороты тратится много мощности отбираемой у ветра.

Так же когда по кругу целый лес из лопастей, то ветру становится труднее проваливаться сквозь винт. Ветроколесо задерживает поток ветра, спереди винта образуется воздушная "шапка", и новые порции ветра натыкаясь на эту "шапку" рассеиваются в стороны. Знаете как ветер огибает препятствия, вот так и винт для ветра как сплошной щит.

>

Но многие подумают что чем больше лопастей тем больше энергии можно отнять у ветра за единицу времени, но это тоже не так, здесь важно не количество лопастей, а обороты и быстроходность винта. Например 6 лопастей скажем при 60об/м сделают один оборот пропустив куб ветра и отняв у него некую порцию энергии, а 3 лопасти сделают два оборота за это же время, и отнимут столько же энергии. Если поднять быстроходность еще, то отнимется больше энергии. Не важно сколько лопастей, одна или десять, так как одна лопасть вращаясь в десять раз быстрее отнимет столько же энергии, сколько и десять медленно вращающихся лопастей.

Быстроходность ветроколеса.

Быстроходность винта это отношение скорости движения кончика лопасти к скорости ветра в метрах в секунду. Так при одних и тех же оборотах быстроходность по длинне лопасти разная, то и углы установки лопасти по ее длинне разные. Кончик лопасти всегда движется в два раза быстрее чем середина лопасти, поэтому у кончика угол равен почти нулю, чтобы снизить лобовое сопротивление, чтобы лопасть прорезала воздух имея минимальное сопротивление.

Так же чем быстрее движется лопасть тем сильнее изменяется угол атаки ветра на лопасть. Давайте представим что вы сидите в машине и вам в боковое стекло бьет снег, но когда вы начнете ехать, то снег уже будет бить и в лобовое, а когда вы наберете скорость, то снег уже будет бить напрямую в лобовое стекло, хотя когда вы остановитесь снег снова будет бить сбоку. Так и лопасть когда наберет скорость, то ветер будет налегать на нее под другим углом. Поэтому кончик лопасти делают всего 2-5 градусов, так как разогнавшись она выйдет на оптимальный угол атаки ветра и будет отнимать максимум возможной энергии. В середине лопасти быстроходность в два раза меньше, поэтому и угол в два раза больше, 8-12градусов, а у корня еще больше, ведь там быстроходность в разы меньше.

Подробнее про расчет углов можно прочитать здесь Расчет лопастей ветрогенератора

>

Для быстроходных малолопастных винтов углы делаются меньше. Например для трехлопастных винтов обычная быстроходность около Z5, то-есть винт имеет максимальную мощность вращаясь со скоростью в пять раз выше скорости ветра. В этом случае кончик лопасти имеет около 4 градуса, середина 12 градусов, а у корня около 24 градуса.Если лопастей шесть, то быстроходность в два раза ниже, значит и углы в два раза больше. Ну и еще чем тоньше лопасть и меньше ее площадь, тем она быстроходнее, и меньше ее аэродинамическое сопротивление, поэтому и три лопасти если они широкие будут иметь низкую быстроходность, а шесть или двенадцать тонких, узких лопастей будут иметь большую быстроходность.

В итоге например трехлопастной и шестилопастной винт будут иметь равную мощность на малом ветру, потому что три лопасти быстроходностью Z5 сделают в два раза больше оборотов чем шесть лопастей быстроходностью Z2,5 за тоже время , а значит отнимут у ветра тоже количество энергии. Но на более сильном ветру шестилопастной винт проиграет и сильно трехлопастному, так как три лопасти имеют меньшее аэродинамическое сопротивление и смогут набрать большие обороты, и следовательно отработать за единицу времени с большим количеством ветра, ведь чем быстрее лопасть движется, тем больше мощности у ветра она отберет.

Единственный плюс что чем больше лопастей, тем лучше стартовый момент, и если генератор имеет магнитное залипание, то многолопастной винт будет стартовать раньше, но крутящий момент и мощность будут выше у малолопастных винтов.

Да, и крутящий момент, так как скоростной винт наберет обороты, углы лопасти станут оптимальны для реально набегающего на лопасть потока ветра, а мы знаем что реальный угол меняется в зависимости от скорости движения самой лопасти и крутящий момент будет выше, так как меньше потери энергии на лобовое сопротивление лопастей.

Так-же многолопастные винты более тяжелые, а значит работают как маховик. Если колесо набрало обороты, то сам винт запасает энергию и его труднее резко остановить, но и когда ветер подует сильнее этот маховик надо еще раскрутить, поэтому многолопастные винты хуже реагируют на изменение силы ветра, и кратковременные порывы ветра могут даже не заметь. А легкие винты могут дать энергию даже с короткого порыва ветра. Это хорошо заметно по амперметру когда наблюдаешь за силой тока. Шестилопастной работает более мягко, нет больших скачков по току. А трехлопастной отрабатывает каждый порыв и стрелка живо бегает туда сюда, а ведь это энергия, которая в итоге накапливается в аккумуляторе, и разница в отдаче может быть очень значима, особенно на порывистом ветре и если мачта установлена низко где поток ветра турбулентный.

Еще один фактор это обороты, многолопастной винт значит тихоходный, значит и генератор такой-же, значит генератор больше, магнитов больше, провода обмотки больше, вес железа больше, в итоге и цена значительно больше. А генератор это обычно самая дорогая часть ветрогенератора. И обороты имеют самую важную роль, ведь чем выше обороты винта при той-же скорости ветра тем генератор выдаст больше мощности, и тут если оборотов не хватает, то или генератор больше и мощнее, или мультипликатор придумывать.

Но везде есть свои но, конечно самые дешевые и эффективные винты однолопастные, но их нужно делать очень точно и отбалансированно, все рассчитывать, аэродинамика лопасти должна быть идеальной, иначе вибрации и биения винта, а потом и развалившийся ветряк вам гарантированы. В принципе по этому даже заводские однолопастные ветряки почти никто не выпускает. Более оптимальными оказались трехлопастные винты, они не такие скоростные, поэтому и некоторый дисбаланс винта не страшен, но и обороты высокие, а значит и генератор дешевле.

Но все таки скоростные лопасти требуют правильной аэродинамики, иначе вся эффективность может упасть в разы. Поэтому в домашних условиях часто проще, хоть и дороже делать грубый, большой, малоэффективный, но простой в изготовлении ветряк, без всяких расчетов и походу его улучшать, переделывать, и опять переделывать, и наконец или набраться знаний и довести все до ума, или бросить и сказать что все это фигня, купил у китайцев и не мучайся, все равно лучше чем на заводе не сделаешь, только деньги зря на ветер выкенеш.

e-veterok.ru

Конструкция винта ветрогенератора

На сегодняшний день существует множество конструкций винтов ветрогенераторов. Данная конструкция является усовершенствованной версией этого множества и обладает более высокими характеристиками в условиях использования при слабом и непостоянном ветре. Все существующее множество можно условно разделить на два типа. Первый тип использует подъемную силу ветра (ветряк с горизонтальной осью вращения), второй тип использует силу напора потока (ветряк с вертикальной осью вращения). Данная конструкция совмещает в себе обе возможности использования силы ветра. Давайте подробнее рассмотрим эту конструкцию.

На рисунке выше показана конструкция ветрогенератора с вертикальной осью вращения. Лопасти вращаются вокруг своей оси в обратную сторону вращения ветряка. Ветрогенератор необходимо строго ориентировать по направлению ветра. На рисунке ниже представлена конструкция ветрогенератора (вид сверху).

При работе ветрогенератора лопасти вращаются вокруг своей оси в обратную сторону вращения ветряка таким образом, что за время поворота ветряка на 360 градусов лопасть повернется на 180 градусов. Соблюдая такую пропорцию вращения, мы в итоге получим, что лопасть, двигающаяся по направлению движения ветра, перпендикулярна потоку движения ветра. (1) В момент обратного хода, когда лопасть движется против ветра, она повернута к потоку ребром и имеет наименьшее лобовое сопротивление. (3) В промежуточном состоянии лопасть расположена под углом к направлению движения ветра, и на неё действует подъемная сила, вектор которой совпадает с вектором вращения ветрогенератора. (2,4) Давайте более подробно рассмотрим силы, действующие на лопасти ветряка.

Считаем, что ветряк крутится со скоростью движения ветра или близкой к этому. Лопасть в положении 1 расположена перпендикулярно потоку ветра и движется со скоростью ветра, она не выполняет никакой работы, ее КПД равен нулю. В положении 2-3 лопасть, двигаясь по направлению движения ветра, начинает смещаться перпендикулярно потоку ветра и с учетом скорости вращения ветряка и скорости ветра набегающий поток попадает в ребро лопасти, обтекая ее, и создает подъемную силу, вектор которой направлен по направлению вращения ветряка. Показана стрелочками, размерами стрелок условно показал увеличение подъемной силы ветра. В положении 4 лопасть незначительно смещается по направлению ветра, основное ее движение перпендикулярно потоку, и с учетом скорости вращения ветряка и скорости ветра набегающий поток попадает в ребро лопасти, обтекая ее, и создает подъемную силу, вектор которой направлен по направлению вращения ветряка. В положении 5 лопасть движется перпендикулярно потоку, так как это происходит в ветряках с горизонтальной осью вращения, и на нее действуют такие же силы, как и на них. В положении 6-7-8 лопасть движется не только перпендикулярно потоку, но и начинает движение навстречу ему. Поэтому подъемная сила ветра растет, но вектор ее теперь постепенно отклоняется в сторону от направления вращения ветряка. Показано стрелочками. В положении 9 лопасть повернута к потоку ветра ребром и движется навстречу ему с такой же скоростью. Поэтому подъемная сила в 2 раза больше, но направлена перпендикулярно направлению движения ветряка. Перейдя через условный ноль, подъемная сила меняет свое направление на противоположное, сохранив величину. В положении 10-11-12 лопасть постепенно замедляет движение навстречу потоку и увеличивает движение перпендикулярно ему. Поэтому вектор подъемной силы уменьшается, но зато направление вектора постепенно выравнивается и начинает совпадать с направлением вращения ветряка. Я хочу отметить: положение лопасти остается оптимальным для набегающего потока, который обтекает ее и срыва потока не происходит. В положении 13 лопасть движется перпендикулярно потоку, так как это происходит в ветряках с горизонтальной осью вращения, и на нее действуют такие же силы, как и на классический ветряк с горизонтальной осью вращения. В положении 14-15-16 лопасть постепенно замедляет свое движение перпендикулярно потоку ветра и увеличивает движение по направлению ветра. Подъемная сила ветра постепенно уменьшается. Вектор подъемной силы теперь совпадает с направлением вращения ветряка. Так как скорость вращения ветряка равна или близка скорости движения ветра, мы не можем получить никакой пользы от силы напора потока. Но в статическом положении, когда ветряк остановлен, возможность конструкции использовать силу напора потока является огромным плюсом. Это дает конструкции высокий стартовый порог при малой скорости ветра, позволяет растолкать конструкцию до момента, пока лопасть сориентируется относительно набегающего потока и зацепится за подъемную силу ветра.

Для сравнения рассмотрим чашечный анемометр. Воздушный поток давит на левую и правую сторону анемометра одинаково, но за счет того что с одной стороны чашечка повернута к потоку выпуклой стороной, а с другой вогнутой, создается разница в давлении на левую и правую сторону. Конструкция поворачивается. Эта разница составляет 5-10%. В моей конструкции лопасть в положении 1 повернута плоскостью к потоку, а в положении 9 - ребром. При таком расположении лопастей разница давления на левую и правую половину будет гораздо больше, чем у чашечного анемометра. Отсюда вывод: стартовый порог конструкции выше стартового порога традиционных ветряков с вертикальной осью вращения, ну и конечно с горизонтальной тоже. У конструкции есть недостатки: в частности, по фронту и тылу ветряк наиболее полно использует подъемную силу ветра, но по флангам подъемная сила ветра или стремится к нулю или вектор подъемной силы ветра отклоняется от направления вращения ветряка.

Для сравнения рассмотрим классический ветряк с горизонтальной осью вращения. Давайте условно разделим обметаемую поверхность на три области: А, Б, С. В области А лопасть движется быстрее скорости ветра и никакой работы не выполняет, а только создает низкочастотный неприятный шум. В области Б лопасть движется со скоростью ветра и производит максимальную работу. В области С лопасть движется гораздо медленнее скорости ветра, вследствие чего производит меньше работы. В силу особенности конструкции имеет большой размер и вес в основании лопасти, что приводит к излишней парусности и инертности ветряка. Из рассмотренного выше видно, что лопасть ветряка с горизонтальной осью вращения работает фрагментарно. В моей конструкции лопасти работают всей своей поверхностью и, если вспомнить теорию, гораздо ближе к идеалу. Идеальный ветряк имеет бесконечно длинные и бесконечно тонкие лопасти. Давайте подробней рассмотрим устройство нашей конструкции. На первый взгляд кажется что конструкция ветряка довольно сложная, требует строгой ориентации по направлению ветра, выдвигает требования вращения лопастей с заданной пропорцией, но это не так. Рассмотрим один из вариантов реализации конструкции с заданными параметрами.

На рисунке выше представлена условная схема одного плеча ветрогенератора: 1. Лопасть ветрогенератора. 2. Зубчатый ремень (по типу ремня ГРМ) для передачи вращения от редуктора к лопасти. 3. Элемент ориентации по ветру (флюгер, хвостовое оперение). 4. Редуктор. 5. Шестеренка ориентации ветрогенератора по ветру. 6. Основание ветрогенератора. 7. Мачта на которой закреплен ветрогенератор. Ветрогенератор закреплен на мачте 7 через подвижное соединение (подшипник) и свободно вращается вокруг своей оси. Необходимое соотношение вращения и направления вращения ветрогенератора и лопастей реализуется с помощью редуктора 4 и передается на лопасть 1 с помощью ремня 2. При работе ветрогенератора лопасти вращаются вокруг своей оси, в обратную сторону вращения ветрогенератора, (ветрогенератор вращается по часовой стрелке, лопасть вращается против часовой стрелки) таким образом, что за время поворота ветрогенератора на 360 градусов лопасть повернется на 180 градусов. Направление ветрогенератора по отношению к ветру определяется положением лопастей, которое в свою очередь зависит от шестеренки ориентации ветрогенератора по ветру 5. Шестеренка 5 закреплена на мачте 7 через подвижное соединение (подшипник) и свободно вращается вокруг своей оси. Положение шестеренки 5 определяется флюгером 3 (хвостовое оперение) который жестко закреплен на шестеренке 5 и поворачивает её вокруг оси в зависимости от направления ветра. Таким образом мы видим что для организации нужного вращения лопастей достаточно несложного механизма редуктора 4 и ремня 2, которые являются довольно простыми деталями и не могут увеличить стоимость ветрогенератора. Для ориентации ветрогенератора по ветру нет необходимости поворачивать всю конструкцию, как ветрогенератор с горизонтальной осью вращения, достаточно повернуть шестеренку 5, с чем легко справится флюгер 3, без дополнительных затрат энергии. При небольших размерах ветрогенератора и малом количестве лопастей флюгер легко справляется с задачей ориентации ветрогенератора по направлению ветра, однако при увеличении размеров ветряка и количества лопастей на шестеренку 5 (шестеренка ориентации ветрогенератора по ветру) будет действовать значительный крутящий момент, который будет поворачивать шестеренку 5 по ходу вращения ветрогенератора. Флюгер будет противодействовать этой силе и возвращать шестеренку в исходное состояние, оптимальное для правильной ориентации ветрогенератора по направлению ветра. В результате взаимодействия этих противоположно направленных сил будет возникать раскачивания шестеренки 5, которое будет передаваться через редуктор 4, и ремень 2, на лопасть 1, что приведет к ненужной вибрации. Для того, чтобы исключить возможность возникновения ненужной нам вибрации, необходимо заменить флюгер на другую конструкцию.

На рисунке выше условно изображена конструкция ветрогенератора, у которой система ориентирования по ветру состоит из вращающейся крыльчатки 9, поворотного кожуха 10, и понижающего редуктора 11, который передает крутящий момент на шестеренку 5.

Рассмотрим принцип действия этой системы ориентирования. На рисунке выше слева схематично изображена крыльчатка и экран, который заслоняет крыльчатку от ветра. В таком положении крыльчатка находится в покое. Когда направление ветра меняется, экран уже не закрывает крыльчатку полностью и поток ветра давит на незакрытые экраном лопасти крыльчатки, приводя их в движение. Крыльчатка 9 вращается, передавая это вращение через понижающий редуктор 11 шестеренке 5, на которой закреплен экран 10. Экран вращается в ту же сторону, что и крыльчатка, но с заданным редуктором замедлением и закрывает крыльчатку от потока ветра. Вследствие чего крыльчатка останавливается. Когда направление ветра меняется в другую сторону, все происходит точно так же, только крыльчатка крутится в другую сторону и экран, поворачиваясь в сторону поворота крыльчатки, закрывает ее. Размер экрана влияет на чувствительность конструкции. Если размер экрана составляет четверть длины окружности, конструкция становится более чувствительной к смене направления ветра. Применение редуктора дает нам возможность более четко фиксировать положение шестеренки 5 и исключает возможное раскачивание и ненужные вибрации. С другой стороны меньшее противодействие на поворот крыльчатки делает конструкцию более чувствительной к малейшему изменению направления ветра. Чем больше понижающий коэффициент редуктора, тем большее поворотное усилие удерживает шестеренка 5 и выше чувствительность конструкции к изменению направления ветра. Но большой понижающий коэффициент увеличивает время отработки изменения направления ветра, что нежелательно в условиях частого изменения направления ветра. Компромисс между жесткостью положения шестеренки 5, размерами крыльчатки 9 и экрана 10, чувствительности конструкции к изменению направления ветра, и временем отработки поворота необходимо установить экспериментально с учетом особенностей эксплуатации в конкретных условиях.

Рассмотрим конструкцию редуктора подробно. На рисунке выше изображено: крыльчатка 9, редуктор в разрезе 11 и шестеренка 5 (шестеренка ориентации ветрогенератора по ветру). Крыльчатка 9 жестко закреплена на корпусе редуктора 11 и составляет с ним единое целое. Вся эта конструкция крепится на мачту 7 с помощью подшипника и свободно вращается вокруг мачты. Шестеренка А жестко закреплена на мачте 7 и не вращается относительно мачты. Четыре шестеренки Б крепятся к осям С через подшипники и свободно вращаются на этих осях. Оси С жестко закреплены в шестеренке 5. Шестеренка 5 крепится к мачте 7 через подшипник и свободно вращается вокруг мачты. Вращающаяся крыльчатка передает крутящий момент на корпус редуктора 11, который в свою очередь вращает шестеренки Б. Шестеренки Б движутся вокруг шестеренки А и передают это движение через оси С шестеренки 5, которая определяет положение лопастей ветрогенератора относительно ветра. Для увеличения понижающего коэффициента редуктора можно использовать несколько сегментов, как показано на рисунке ниже.

Для данной конструкции ветрогенератора можно применить электронную систему ориентирования по ветру. Для этого необходимо убрать экран и крыльчатку. На место крыльчатки устанавливается электродвигатель, который управляется электронной схемой ориентирования по направлению ветра. Такая схема ориентирования дает возможность дистанционно управлять положением лопастей. При необходимости отворачивать ветрогенератор от ветра, тем самым останавливая его для обслуживания, подключения и отключения оборудования и т. д. В отличие от ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения, где ведомое оборудование находится высоко над землей, данная конструкция ветрогенератора имеет неоспоримое преимущество. Конструкция ветрогенератора позволяет легко передавать крутящий момент вниз к основанию мачты с помощью вала 12. Это значительное преимущество, если ведомое оборудование имеет большой вес и габариты и не может быть поднято высоко над землей. Ветряк использует подъемную силу ветра как движущую силу, но реализует это посредством иной траектории движения лопастей, в сравнении с классическим ветряком с горизонтальной осью вращения. Воспользоваться силой напора потока конструкция может только в момент старта, что дает ей высокий стартовый порог. Конструкция не будет вращаться быстрее скорости ветра, и лопасти, расположенные перпендикулярно потоку, не будут тормозить вращение. Давайте подробнее рассмотрим, как работает ветряк. Если конструкция вращается со скоростью ветра, ее лопасти расположены к набегающему потоку строго параллельно, поток обтекает лопасть равномерно с обоих сторон и подъемная сила не возникает. Если вращение ветряка отстает от скорости ветра на какой-то угол, то набегающий поток давит на лопасть с положительным углом атаки и создает подъемную силу ветра. Ветряк будет стремится достигнуть скорость ветра, но чем ближе скорость вращения ветряка к скорости ветра, тем меньше будет угол атаки набегающего потока, а следовательно и подъемная сила. Если мы будем нагружать ветряк, пытаясь затормозить его, угол атаки будет расти, а следовательно будет расти подъемная сила ветра. Скорость вращения ветряка падать не будет, но крутящий момент многократно вырастет. Ветряк сам регулирует угол поворота лопастей в зависимости от скорости ветра и снимаемой мощности. Если проводить аналогии, то классический ветряк с горизонтальной осью вращения должен уметь менять угол поворота и заклинивания лопасти в зависимости от скорости ветра в каждый момент времени. Такие лопасти сделать очень трудно. Если сравнивать конструкцию с простым горизонтальным ветряком, то она конечно гораздо сложнее. Но это необходимое усложнение конструкции для того, чтобы адаптировать ее к нашим условиям эксплуатации. Я живу в Краснодаре. Среднегодовая ветровая нагрузка у нас - 6 м/с, перепад скоростей - от полного штиля до ураганных порывов при частых изменениях направления ветра. И такие условия почти на всей территории России. В таких условиях классический ветряк с горизонтальной осью вращения работать эффективно не будет. Необходимо усложнять конструкцию, делать поворотные лопасти, усовершенствовать систему ориентирования по ветру (во избежание раскачки). То есть мы вынуждены усложнять конструкцию, чтобы повысить ее эффективность. Если мой ветряк легко справится с задачей регулирования угла атаки в зависимости от снимаемой нагрузки и скорости ветра, то с классическим горизонтальным ветряком не все так просто. Делая поворотные лопасти, мы будем вынуждены отказаться от углов заклинивания лопасти, то есть придется сделать лопасть прямой, а это ухудшит аэродинамику винта. Поворачивать весь ветряк вместе с генератором гораздо сложнее, чем повернуть шестеренку 5 в моей конструкции (шестеренка ориентации ветрогенератора по ветру). Основное преимущество моей конструкции перед классическим горизонтальным ветряком - это большой крутящий момент при скорости движения лопастей со скоростью ветра. Высокий стартовый порог. Простота ориентирования по направлению ветра. Классический горизонтальный ветряк имеет очень высокую быстроходность (может доходить до 300 об. секунду), но стоит приложить к нему нагрузку, как скорость вращения резко падает. Как провести численные сравнения получаемой мощности, я не знаю, если можете - подскажите. Ветрогенератор надо рассматривать как комплекс: винт плюс полезная нагрузка, которую винт тянет. И согласование винта с нагрузкой - очень важный момент. Рассмотрим классический ветряк с горизонтальной осью вращения. При отборе мощности скорость вращения начинает падать, но мощность растет до какой-то величины. Мы продолжаем увеличивать отбор и тогда и мощность, и обороты падают. Задача контролера регулированием отбора мощности - держать постоянно максимальные значения, балансировать на пике. Если винт имеет поворотные лопасти, то в зависимости от скорости вращения лопасти меняют угол атаки, чтобы повысить эффективность работы ветрогенератора. Все эти регулировки приблизительные, мы точно не знаем, почему упали обороты. Изменилась скорость ветра, перегрузили ветряк отбором мощности или какие-то другие причины. Потом не надо забывать, что углы заклинивания лопасти рассчитываются под конкретную скорость ветра, и винт может выдать максимум, только если ветер соответствует параметрам винта. А делая лопасти поворотные, мы вообще вынуждены отказаться от углов заклинивания, что сильно ухудшает аэродинамику винта. Теоретический КИЭВ идеального винта с горизонтальной осью вращения Н.Е. Жуковский 0,593 Г.Х. Сабинин 0,683 при этом реальный винт, имеющий практический КИЭВ 0,4, считается отличным результатом. Грубо говоря, практический КИЭВ - это две трети от теории. Это не потому, что теория плохая, просто невозможно сделать лопасть, которая будет менять углы заклинивания и угол атаки в зависимости от скорости ветра. Непонятно как регулировать угол атаки лопасти в зависимости от снимаемой мощности (почему упала мощность, необходимо увеличить угол атаки или просто изменилась скорость потока). Поэтому все горизонтальные винты работают с усредненными параметрами, углы заклинивания рассчитываются по средней скорости ветра, углы атаки лопасти в зависимости от скорости вращения, без учета снимаемой нагрузки, и т д и т п. С моей конструкцией по-другому, ветряк сам регулирует угол поворота лопастей в зависимости от скорости ветра и снимаемой мощности. Если мы перегрузим ветряк, угол атаки станет слишком большим, произойдет срыв потока с лопасти и обороты ветряка упадут ниже скорости ветра. Это четкая граница, мы можем нагружать ветряк до тех пор, пока скорость его вращения равна скорости ветра. Ветряк сам регулирует угол поворота лопастей в зависимости от скорости ветра и снимаемой мощности и выдает максимум, пока его скорость вращения равна скорости ветра. Скорость вращения моего ветряка никогда не превысит скорость ветра в отличии от ветряков с горизонтальной осью вращения, но крутящий момент, который он способен выдать, многократно превышает крутящий момент ветряка с горизонтальной осью вращения. А вращение со скоростью ветра дает свои преимущества. Так при диаметре ветряка 2 м длина его окружности будет равна 6,28 м. То есть при скорости ветра 6м/с ветряк будет делать примерно один оборот в секунду. А при ураганном ветре 25 м/с будет делать всего 4 оборота в секунду. Это небольшая скорость вращения и никаких запредельных перегрузок конструкция испытывать не будет, хотя при таком ветре уже шифер с крыш улетает. Не надо сравнивать с ветряками, которые используют силу напора потока как движущую силу, так как они выполняют максимальную работу, когда их лопасть движется в три раза медленнее скорости ветра, а моя конструкция - когда лопасть движется со скоростью ветра. Следовательно моя конструкция в три раза эффективней. Насчет потерь на механизме синхронизации, поворота лопастей. Давайте рассмотрим подробнее. При полном отсутствии ветра мы руками раскручиваем конструкцию за плечо, на котором закреплена лопасть и механизм поворота лопасти. Мы затратим какую-то энергию на вращение конструкции, часть этой энергии потратится на вращение лопасти вокруг своей оси. Но при работе ветряка все происходит не так. Лопасть является движущей деталью конструкции, на лопасть действует подъемная сила ветра. Рассмотрим лопасть подробнее. Лопасть симметрична хорде, обе грани лопасти одинаково закруглены (так как лопасть поворачивается к потоку то одной гранью, то другой). При стекании с закругленного конца лопасти поток будет срываться, образуя область низкого давления что приведет к тому, что вектор подъемной силы ветра будет смещен немного назад относительно центра симметрии лопасти. Короче говоря, лопасть, расположенная под каким-то углом к набегающему потоку, будет стремится повернуться параллельно потоку. Будет возникать крутящий момент. Это если у чемодана ручку прикрепить не по центру а сместить в сторону, чемодан перекосит, чемодан тяжелее не станет, просто точка опоры не совпадает с центром тяжести. Когда лопасть движется по фронту, относительно набегающего потока, возникающий закручивающий эффект совпадает с направлением вращения лопасти. Когда по тылу возникающий закручивающей эффект противодействует вращению лопасти. Эти силы одинаковы, но противоположно направлены и должны уравновесить друг друга. Но на практике лопасть, движущаяся по фронту, будет получать больше энергии от потока, чем лопасть, движущаяся по тылу (она находится как бы в тени первой, часть энергии поток уже отдал, и его воздействие на лопасть более слабое). Поэтому в результате сложения этих противоположно направленных сил у нас останется положительный остаток, совпадающий с направлением вращения лопасти. Чем больше лопастей имеет конструкция, тем больше затеняющий эффект и тем сильнее будет проявляться крутящий момент лопасти. В настоящее время классический ветрогенератор с горизонтальной осью вращения применяется для промышленного производства электроэнергии. Это объясняется тем, что у него высокий КИЭВ, простотой конструкции. Но эти ветряки требовательны к месту размещения. Это должны быть площадки с сильным постоянным ветром. Таких мест немного, в основном побережье морей и океанов. Для работы в других условиях мы вынуждены усложнять конструкцию, придавая ей новые качества. Бесшумность (для возможности размещения рядом с местом проживания), простота ориентирования по ветру, высокий стартовый порог, устойчивость к ураганным порывам ветра. Моя конструкция обладает всеми этими качествами. Ее ниша на рынке - это небольшие ветрогенераторы, размещаемые на крышах или вблизи жилых построек. Основная идея этой конструкции - получить компактный недорогой ветряк, который способен устойчиво работать при слабых и умеренных ветрах. Такая ветровая нагрузка практически по всей территории России. Это открывает перед конструкцией широкую область применения и огромный рынок сбыта.

econet.ru

Углы заклинивания лопасти - расчет лопастей

расчет угла атаки ветра лопасти>

От правильного угла установки лопасти зависят все важнейшие показатели ветроколеса, такие как быстроходность, мощность, и обороты. Рассчитать угол установки лопасти ветрогенератора достаточно просто, но чтобы понять все это понадобится некоторое время, и так начну по порядку.

Когда лопасть неподвижна, то есть ветроколесо стоит, то ветер набегает на нее под тем углом, под которым к нему реально установлена лопасть, но как только лопасть начинает движение угол набегания потока ветра изменяется. К примеру, представьте что вы сидите в машине ветер вам дует точно в боковое стекло. Как только вы начнете движение, то по мере набора скорости ветер будет дуть уже наискосок под углом и в лобовое стекло, а если скорость очень большая, то ветер будет дуть уже прямо в лобовое стекло.

Так же и с лопастью, по мере роста скорости вращения изменяется и реальный угол атаки лопасти. Чтобы вычислить этот угол нужно знать скорость движения лопасти. Например у нас ветер 10м/с, быстроходность винта Z5, значит скорость движения кончика лопасти в пять раз больше чем скорость ветра 5*10=50м/с.

Теперь нужно построить прямоугольный треугольник с катетами 5 и 50. Далее нужно определить угол между гипотенузой и длинным катетом, для этого нужно разделить противолежащий катет на прилежащий и мы получим тангенс этого угла. 5:50=0,1. Чтобы из этого 0,1 вывести угол, мы должны взять функцию обратную тангенсу, то есть арктангенс.

Арктангенс числа можно высчитать в специальных калькуляторах, или воспользоваться онлайн сервисами, к примеру >>калькулятор онлайн . Арктангенс 0,1=5.7градусов. 5,7градусов это реальный угол набегания потока на плоскость вращения винта в зоне быстроходности Z5. Но так как лопасть имеет по своему радиусу разную быстроходность, то и реальный угол атаки будет отличатся, и будет свой на каждом участке. К примеру в середине лопасти быстроходность Z2,5, значит угол набегания потока ветра в два раза больше.

Теперь нужно узнать что такое истинный ветер.

Истинный ветер, это тот, который реально давит на лопасть и он отличается по силе от того, который на подлете к винту. Любое тело на которое давит ветер, ему сопротивляется, то есть останавливает ветер. Представьте снежинки бьющие по стеклу, на подлете они имеют свою изначальную скорость, но подлетая к стеклу они наталкиваются на подушку, созданную остановленным ветром. Натыкаясь на эту воздушную подушку снежинки теряют скорость и энергию. Так же и на подлете к винту, упираясь в него ветер теряет скорость и энергию. Конкретная величина потерь может быть разная, но если она не известна, ее усредненно можно брать равной около 33%.

Теперь вспомним угол набегания потока ветра, который мы получили выше, он равен 5,7 градусов. Соответствует ли он реально набегающему ветру на лопасть -Нет!, так как скорость ветра на 33% слабее. Тогда нужно брать ветер не 10м/с, а 6,6м/с и все встанет на свои места. 6,6м/с*Z5=33, 5:33=0,15, арктангенс 0,15=8,5градусов. Значит ветер реально набегает на плоскость лопасти в зоне быстроходности Z5 под углом 8,5 градусов.

Далее, если не известно аэродинамическое качество лопасти, поляры лопасти, и угол заклинивания, при котором проявляются ее максимальные качества, то угол заклинивания лопасти можно принять равным 5 градусов. Это значит лопасть нужно установить под углом 5 градусов к реально набегающему на плоскость вращения потоку ветра, тогда 8,5-5=3,5 градуса. Получается угол кончика лопасти должен быть установлен на 3,5 градуса, тогда при ветре 10м/с и быстроходности Z5 будет максимальная тяга, и мощность лопасти, то есть максимальный коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ).

Так же лопасть имеет и местную быстроходность, и угол нужно отдельно рассчитывать на каждом участке лопасти. Если кончик лопасти настроен на быстроходность Z5, то в середине лопасти будет Z2,5 .

При всех других условиях лопасть будет отбирать гораздо меньше энергии у ветра и следовательно ее КИЭВ и мощность на валу будут меньше. Например генератор слишком мощный и не даст лопастям выйти на свою быстроходность. Или скорость ветра не та, на которую устанавливались углы лопасти. Поэтому лопасть можно настроить и изготовить под определенный ветер, к примеру 5 м/с, тогда ее максимальная мощность будет только на этом ветру и оборотах, соответствующих ее быстроходности. Чтобы лопасть работала с максильным КПД в широком диапазоне ветров нужно иметь ветроколесо с регулируемым углом установки лопастей. Быстроходность лопастей и степень торможения зависят от кучи факторов, от толщины лопасти, ее ширины в различных участках, от количества лопастей, от коэффициента заполнения ометаетмой лопастями площади, поэтому реально сделанные самодельные лопасти с грубыми расчетами могут вести себя иначе. Если вы рассчитали углы под быстроходность Z5 , это не значит что максимальная мощность будет при этой быстроходности, например если лопасти будут широкие, то лобовое сопротивление будет очень большим на высоких оборотах и большая часть мощности будет теряться на этом сопротивлении.

Пример расчета лопастей под конкретный генератор.

Допустим у вас уже есть генератор, мощность которого вам известна. Мощность генератора на выходе, и мощность потребляемая генератором, то есть КПД. Если КПД не известно, то его можно брать равным 0,5-0,8 , то есть грубо говоря винт должен дать генератору в два раза больше мощности чем генератор вырабатывает.

К примеру генератор при 180об/м выдает 200ватт/ч мощности, и вы хотите получить эту мощность при ветре 6м/с. Значит винт должен отнять у ветра 400ватт и иметь 180об/м. Средний КИЭВ трехлопастного винта 0,4 и быстроходность Z5. Если например винт шести-лопастной, то КИЭВ его будет ниже и быстроходность тоже, примерно КИЭВ 0,3 и быстроходность Z3,5. Более точные данные возможно получить только из конкретных профилей, которые были продуты в аэродинамической трубе, а если данных продувки нет, то можно брать только такие примерные данные. Так.же хочу отметить что без нагрузки винт может разгоняться до больших значений быстроходности, но его мощность будет значительно меньше, и максимальная мощность будет только при расчетной мощности.

Чтобы винт забрал 400 ватт, ветер должен иметь энергию порядка 1000 ватт . При 6м/с ветер имеет мощность (смотрите в других статьях о расчете ветроколеса формулы) 0,6*1*6*6*6=129,6 ватт на квадратный метр. 129,6*8 квадратных метров равно 1036,8 ватт, ометаемая лопастями площадь должна быть 8 кв.метров. Винт диаметром 3,2 метра имеет ометаемую площадь 8м. квадратных. Теперь мы знаем диаметр ветроколеса.

Далее нужно узнать обороты ветроколеса. Длинна окружности винта 3,2м равна 10м, значит за один оборот лопасти пройдут путь 10метров. Теперь нужно узнать скорость кончиков лопастей при ветре 6м/с и быстроходности Z5, 6*5=30м/с, то есть за секунду лопасти сделают 30:10=3об/м, что равно 3*60=180об/м. Из расчетов стало понятно что ветроколесо диаметром 3,2м быстроходностью Z5, при ветре 6м/с будет иметь 180об/м и мощность на валу 400 ватт. Если КПД генератора 0,5 то на выходе будет 200ватт/ч электрических, если же КПД вашего генератора при этих оборотах 0,8 , то на выходе будет 320ватт. Так же если ростом быстроходности КИЭВ значительно не просядет, то возможно мощности за счет оборотов еще чуть чуть прибавится.

Как известно при увеличении скорости ветра в два раза его мощность увеличивается в 8 раз, поэтому и мощность винта тоже увеличится примерно в 8 раз, следовательно зависимость отдаваемой мощности от оборотов должна быть тоже квадратичная. При 6м/с у нас будет около 250 ватт с генератора, а при 10м/с генератор должен выдавать уже до 2кВт и соответственно нагружать ветроколесо. Если генератор окажется слабый, то ветроколесо пойдет в разнос на сильном ветру и будет раскручиваться до больших быстроходностей, отсюда сильный шум, вибрации и возможное разрушение ветрогенератора. Поэтому генератор должен иметь мощность синхронную с мощностью ветроколеса.

Все эти данные конечно обращённые и имеют достаточно грубый расчет, более точный расчет можно произвести самостоятельно зная все нужные параметры генератора и зная аэродинамические свойства применяемого профиля лопастей. Но для домашнего ветряка достаточно и простого расчета углов установки лопастей и ветроколеса в целом. Если у вас возникли вопросы, или вы заметили грубые неточности в моем изложении расчета, то пишите в комментариях ниже об этом всем и я отвечу на все вопросы. Другие материалы по расчету лопастей смотрите в разделе "Расчеты ВГ".

e-veterok.ru

Аэродинамика лопастей ветрогенератора

Лопасти ветрогенератора имеют форму, позволяющую получить максимальный эффект от силы ветра при минимальных затратах. В первую очередь, конструкция обусловлена аэродинамическими требованиями. Но экономика означает, что форма лезвия является компромиссом, удерживающим стоимость создания в разумных пределах. В частности, лопасти, как правило, толще оптимального аэродинамического размера у ротора, где напряжение из-за изгиба является максимальным.

Процесс проектирования лопастей начинается с "лучшего предположения" компромисса между аэродинамической и структурной эффективностью. Выбор материалов также влияет на допустимую толщину (близкую к аэродинамически идеальной), которую можно создать. Например, препреги из углеродного волокна жестче и сильнее переплетаются с волокнами стекла. Выбранная аэродинамическая форма приводит к нагрузкам, которые подаются в конструкции. Проблемы, выявленные на данном этапе, могут использоваться для изменения формы, если необходимо, с пересчетом аэродинамических показателей.

Ветер

Это может показаться очевидным, но понимание физики ветра имеет фундаментальное значение для конструкции ветрогенератора. Доступная производительность изменяется пропорционально скорости ветра в кубической степени, т.е. удвоенная скорость ветра означает увеличение производительности в восемь раз. Вот почему место установки должно выбираться особенно тщательно: скорость ветра 5 м/с мало полезна. Наоборот, сильные порывы обеспечат чрезвычайно высокий уровень мощности. Но экономически не выгодно строить машины, рассчитанные на пиковую скорость, поскольку их потенциал будет тратиться впустую большую часть времени. Отсюда вытекает, что идеальным вариантом является местность с устойчивым ветром и машина, способная работать большую часть времени при легком ветре, а также выдерживать сильнейшие порывы.

Ежедневно ветер меняется каждую секунду из-за турбулентности, вызванной особенностями рельефа, сменой температур и погоды. Его сила также меняется в зависимости от высоты, чем выше над землей – тем больше скорость ветра. Все эти эффекты приводят к различным нагрузкам на лопасти генератора, характер вращения. Конструкция должна справляться со всеми возможными условиями, которые редко бывают оптимальными.

Извлекая энергию, ветрогенератор и сам оказывает влияние на ветер: с подветренной стороны воздух движется медленнее, чем против ветра. Ветер начинает замедляться даже прежде, чем достигнет лопастей, уменьшая скорость при прохождении через "диск" (воображаемый круг, образованный лопастями, называемый также областью охвата) и, следовательно, снижает свою мощность. Таким образом, существует оптимальное количество энергии, которую можно извлечь из определенного диаметра диска: слишком большой диаметр сильно замедлит ветер. На самом деле, золотой серединой является снижение скорости ветра примерно на две трети с подветренной стороны ветряка, хотя даже тогда ветер перед ним потеряет около трети своей скорости. Это позволяет вывести теоретический максимум возможного захвата энергии - 59% от мощности ветра (так называемый, предел Беца). На практике, нынешние конструкции позволяют достичь лишь 40-50%.

Количество лопастей

Ограничение доступной мощности ветра означает, что чем больше лопастей, тем меньшую мощность можно извлечь. А это значит, что каждая лопасть должна быть как можно более узкой, чтобы поддерживать аэродинамическую эффективность.

Отсюда также вытекает оптимальная плотность: чем выше число лопастей, тем меньшей каждая из них должна быть. На практике оптимальная плотность является очень низкой (всего несколько процентов). Это означает, что даже если имеется всего три лопасти, каждая из них должна быть максимально узкой. Для легкого скольжения по воздуху лезвия должны быть также тонкими по ширине.

Это усложняет создание, поскольку трудно сделать достаточно крепкие лезвия, если они слишком тонкие, или стоимость значительно увеличится, при использовании дорогих материалов. По этой причине, самые большие ветряки имеют не более трех лопастей.

Другой фактор, влияющий на количество лопастей – эстетический. Как правило, принято считать, что трехлопастные ветрогенераторы визуально выглядят менее угрожающе, чем одно- или двухлопастные конструкции.

Видео: красивые пейзажи из "леса" ветряков.

vetrogeneratorsvoimirukami.ru

Изготовление лопастей Ветрогенератора в домашних условиях.

Изготовление лопастей Ветрогенератора в домашних условиях.

Некоторые домашние умельцы уже сделавшие ветрогенератор задают мне один и тот же вопрос: возможно ли изготовление лопастей ветрогенератора из композитных материалов, например эпоксидной или полиэфирной смолы и стеклоткани? Со всеми необходимыми крутками лопасти и его профиля. Уже на профессиональном уровне для получения максимального КПД лопасти и снижения ее веса при этом, не применяя ни одного легкосплавного или дефицитного материала, вполне возможно. Все материалы, которые применяются для изготовления ветроколеса, можно без труда приобрести потратив копейки в сравнении с готовым ветроколесом заводского исполнения. Самым ответственным и трудоемким элементом является матрица для снятия формы ветроколеса. Именно снимаемая форма в точности повторяет матрицу на 100% и от этого зависит правильность форм нашей лопасти и всего ветроколеса. Вполне возможно изготовить матрицу из дерева, для этого вам будет необходимо изготовить не менее пяти шаблонов таких или примерно таких, как показано на рисунке. Сама работа по изготовлению матрицы или фактически двух лопастного ветроколеса длинной 2 метра занимает около месяца. Технология изготовления матрицы (для снятия форм) которую я предлагаю для повторения, по времени занимает не более двух дней обычному мастеру, без подготовки, специальных знаний и навыков. Для мелкосерийного производства лопастей, изготовление матрицы займет не более трех дней, так как она должна обладать нужной прочностью для снятия приличного количества форм. Так же технология позволяет изготавливать матрицы любых круток, профилей и длин лопастей с математической точностью. Снимать форму мы будем по частям, сначала с одной стороны затем с другой. Перед нанесением слоев матрицу необходимо тщательно натереть куском воска или стеарина. Для больших лопастей необходимо дополнительно применять гелькаут – специальный гель для снятия форм. На фото вы видите нанесение слоев со стороны профиля. Сначала наносится слой смолы, затем укладывается слой стеклоткани. Не дожидаясь полимеризации или проще сказать застывания, пропитывается слой стеклоткани смолой. То есть еще раз: слой смолы. стеклоткань и еще раз слой смолы. Ожидается примерно от 6 часов до суток. Затем процедура повторяется и наносится следующий слой. Укладывается 3-4 слоя в зависимости от толщины стеклоткани при длине лопасти до 2-х метров. Если необходимо состыковать слой из кусков стеклоткани, не следует делать нахлестов, во избежание нарушения формы. Делая совмещение в стык шов незаметен, но на прочность это не повлияет. Из инструментов применяемых для укладки слоев вам здесь все знакомы, кисточка ножницы и пинцет, которые вы видите на фото. Но на одном стоит заострить ваше внимание. Это валик для укладки стеклоткани на матрицу. Принцип работы с ним такой же как и при поклейке обоев для разглаживания стеклоткани по поверхности матрицы, с той лишь разницей, что разглаживать нам необходимо от середины к краям как вы видите на видео. Для его изготовления потребуется резьбовая часть болта или трубы 16-24мм с уваренными на торцах гайками 4-6мм. Для ручки используется проволока черного металла 4-5мм. Таким же способом наносятся и снимаются формы со стороны крутки лопасти. После этого их необходимо соединить с помощью тех же материалов смолы и стеклоткани. Применяя этот метод, вы можете по вашему желанию сделать ветроколесо с любым количеством лопастей. Есть еще элементы армирования для получения необходимых характеристик прочности ветроколеса без значительного увеличения веса, что позволяет работать на малых скоростях ветра и не разрушаться при расчетных и штормовых ветрах. Получение материала в полном объеме для изготовления матрицы, лопастей и элементов армирования ветроколеса возможно только в одном случае обладателю курса « Ветрогенератор Своими Руками» (http://energi.ucoz.ru/ конструкция 850 ватт) или « Ветрогенератор 1,5 кВт Своими Руками». Сам метод изготовления теперь доступен каждому домашнему мастеру.

svoy-vetrogenerator.ru


© ЗАО Институт «Севзапэнергомонтажпроект»
Разработка сайта