Расчет лопастей ветрогенератора: Расчет лопастей ветряка — примеры расчета

Содержание

Расчет лопастей ветряка — примеры расчета




Для удобства расчета лопастей из ПВХ труб создана замечательная программа в формате эксель. Данная программа создана специально для расчета лопастей из обычных канализационных труб, которые часто для этого используются в виду доступности и дешевизны. Программа взята с форума windpower-russia.ru, на момент написания статьи это последняя версия программы, так же там есть и предыдущие версии.

Скачать — Расчет лопастей ветрогенератора




В программе есть все данные и характеристики будущего винта. В желтые поля нужно вводить свои данные, такие как диаметр винта, количество лопастей, нужную быстроходность, расчетную скорость ветра и прочее. В итоге в зеленых ячейках таблицы произойдет расчет всех показателей будущего винта, таких как стартовый момент, обороты, мощность в ваттах, крутящий момент, КИЭВ и прочие. Владельцы компьютеров на windows я думаю знакомы с эксель и легко разберутся, а владельцам устройств на андройд можно скачать приложение для работы с эксель из маркета, например Kingsoft Offoce и воспользоваться встроенным офисным пакетом. Ниже скриншот.

>

Сама лопасть рассчитывается вводя данные в желтые ячейки с красными цифрами. Вводятся размеры кончика лопасти фронт и тыл, так же середины, и на радиусе 0,2R. От корня до 0,2R желтые поля, которые можно подогнать вручную под форму получившейся лопасти. Ниже скриншот ввода координат лопасти фронт и тыл.

>

Процесс работы программы таков. Сначала вводите диаметр трубы, вес трубы п/м, диаметр будущего винта, быстроходность и нужную скорость ветра, количество лопастей. А далее ниже изменяете фронт и тыл лопасти смотря на КИЭВ, мощность и обороты. В общем подгоняете винт под свой генератор. В результате ниже у вас появятся готовые координаты для нанесения на трубу. Ниже скриншот где в удобном виде все данные лопасти, его можно увидеть перейдя в таблице на вкладку «геометрия лопасти».

>

Из трубы лопасти вырезаются так, вдоль трубы чертится ровная линия, чтобы не ошибиться можно чертить литию по надписи вдоль трубы. Или трубу поставить вертикально по строительному уровню и им же отчертить вертикальную линию. Далее на этой линии сделать отметки радиуса лопасти, 20-ть точек. А далее уже координаты фронтальной части лопасти и тыльной. Фронт это та часть лопасти, которой она вращается вперед, а тыл задняя часть. Ну а дальше соединить точки и вырезать заготовку из трубы. Вырезать можно полотном по металлу вручную, или лобзиком, а некоторые даже болгаркой умудряются вырезать.


После останется вырезанные заготовки обработать, закруглить края фронтальной части лопасти, и заострить тыльную часть. Это делать нужно обязательно так как программа считает уже с учетом заостренной тыльной кромки лопастей, Заострять можно как болгаркой на шлифовальном круге, так и на наждачном станке. Ниже картинка как обрабатывать кромки лопасти.

>

Подгоняя винт под генератор особое внимание обращайте на быстроходность. Понятно что трехлопастные винты с быстроходностью Z5-6 имеют большие обороты, но пока они не выйдут на эту быстроходность, не раскрутятся, мощность очень маленькая. А если генератор слишком рано дает зарядку, то он не даст винту раскрутится и будет большой недобор мощности. Тут надо максимально соотнести мощность генератора и винта, чтобы их мощности совпадали на всем протяжении оборотов, тогда эффективность всей системы будет максимальной. Тоже касается и много-лопастных винтов, у них обычно выше стартовый момент что хорошо для генераторов с существенным залипанием, будут хорошо стартовать Но обороты небольшие из за быстроходности Z3-4, поэтому рост оборотов не такой большой и требует более тихоходного генератора.

Пример расчета лопастей ветрогенератора из ПВХ труб в таблице эксель





Многие спрашивают как пользоваться программкой по расчету лопастей, но в двух словах не объяснить, по-этому попробую показать на конкретном примере. И так чтобы рассчитать винт и геометрию лопастей для вырезания из трубы нужно сначала узнать параметры генератора. Для этого его можно покрутить на аккумулятор мерия силу тока при разных оборотах, или покрутить в холостую (без нагрузки) и записать напряжение генератора, а потом по формуле высчитать мощность генератора, думаю как вычислить мощность генератора вы определитесь.


К примеру у нас получился генератор с такой мощностью при заряде аккумулятора на 12 вольт. Эти данные получены при вращении реального генератора в станке, а показания считал ваттметр, генератор выдает:

50об/м — 0 Ампер

100об/м- 2 Ампер 30 Вт

150об/м — 8 Ампер 120 Вт

200об/м -14 Ампер 270 Вт

250об/м- 20 Ампер — 350 Вт

300об/м — 26 Ампер 450 Вт

Теперь зная мощность генератора прикинем винт. Для этого воспользуемся табличкой для расчета лопастей. Скачиваем архив Расчет лопастей из ПВХ труб, данная табличка взята с форума windpower-russia.ru. Распаковываем архив и у вас появится таблица эксель 2d4z10t315.xls, открываете ее, если не открывается то скачайте дополнительную программу для работы с файлами xls, это Офисный пакет для windows, и аналогичные программы для андроид устройств.


После открытия таблички у вас должно появится на экране вот такая таблица с разными параметрами и данными винта. Я открываю программу с планшета андроид и у меня таблица выглядит так (см. ниже скриншот). По умолчанию в ней уже рассчитан двух-лопастной винт с быстроходностью Z10 диаметром 4 метра из 315-й ПВХ трубы. Расчет на вкладке «Расчет», а геометрия лопасти на вкладке «Геометрия лопасти».

>

В желтые поля нужно вводить свои данные, такие как диаметр трубы, ее вес (в левом верхнем углу таблицы в столбцах А и В указан диаметр труб и масса). Диаметр труб стандартный, 110, 160, 250, 315мм, вес погонного метра трубы указан в таблице в верхнем левом угле в столбце «В». Далее вводим диаметр винта, быстроходность винта, количество лопастей, нужную скорость ветра. При этом в зеленых полях таблицы должны изменится данные о винте, если данные не отображаются и вместо них вот такое, как на скриншоте ниже:

>

Значит вы ввели недопустимые цифры и таблица такое не может высчитать. Так к примеру если винт двухлопастной, то его быстроходность не может быть 2 -3, она должна быть как минимум 6 и выше, так-же если вы хотите 6-9 лопастей, то не ставьте быстроходность 6-7, для тихоходных винтов быстроходность 3-4 или ниже это норма. Далее при маленьком диаметре труб не ставьте большой диаметр винта, так-как тонкие лопасти не смогут работать в реальных условиях. Диаметр винта для каждого диаметра трубы должен быть разумным, так к примеру из 110-й трубы не более 1,2м, для 160-й не более 1,7м, так-как
тонкие лопасти будут прогибаться на ветру и ловить флаттер.


Кроме того смотрите в нижнюю часть таблицы где зеленые столбцы «фронт» и «тыл», в которых отображаются координаты лопасти. Если рядом появились красные цифры, это значит что углы лопасти запредельные и при таких углах лопасть работать не будет. Нужно изменить или размеры лопасти, или быстроходность, количество лопастей или диаметр, пока не исчезнут красные цифры. Координаты лопасти задаются в желтых полях где красные цифры в столбцах (фронт 0,1R тыл 0,1R и другие). Остальные параметры такте как «Степень торможения», «Жуковский/Сабинин 0/1» и прочее лучше не меняйте если не знаете зачем это.

>

После ввода основных координат лопасти 0,1R 0,5R и 0,2R внизу в зеленых полях «фронт» и «тыл» изменятся цифры и все другие параметры лопасти, если рядом появятся красные цифры значит вы ввели недопустимые данные. Не торопитесь и все станет понятно, в таблице выводятся все необходимые данные включая стартовый момент на определенном ветре, по этому если генератор имеет залипание, то можно вычислить при каком ветре сторонится винт.

Пример расчета лопастей из 160-й трубы для данного генератора





К примеру нам нужен винт под мощность нашего генератора, данные которого в самом начало статьи. Нам нужно чтобы ветряк начал давать зарядку уже при 3м/с, а это около 70-80об/м генератора и его мощность при этом около 20 ватт. Труба у нас к примеру 160мм, пробуем ее и смотрим на мощность винта и обороты изменяя диаметр, быстроходность, количество лопастей и координаты лопасти пока нас не устроит мощность винта и его обороты. Нужно чтобы мощность винта и обороты совпадали с мощностью и оборотами генератора, или были чуть больше. Если мощность винта будет ниже чем генератора, то винт будет «задыхаться» и не разовьет всю мощность, так-как генератор не даст ему раскрутится и выйти на свои обороты.


Самый лучший результат я получил из 160-й трубы при диаметре 2,2м и быстроходности Z3,4 — лопастей 6шт, но такой диаметр винта из трубы 160мм лучше не делать, слишком тонкие и хлипкие лопасти получатся. При 3м/с номинальные обороты винта составили 84об/м и мощность винта 25ватт, то-есть примерно подходит. Надо конечно с запасом на КПД генератора, но 160-я труба и так тонкая и скорее всего уже при 7м/с будет наблюдаться флаттер. Но для примера пойдет. Теперь если изменять скорость ветра в таблице, то видно что мощность винта и его обороты будут примерно совпадать с параметрами винта, что нам и требуется, так-как важно чтобы винт был не перегружен и не недогружен — иначе пойдет вразнос на большом ветре.

>

Так при разном ветре я получил такие данные винта. Ниже на скриншоте данные винта при 3м/с, максимальная мощность винта (КИЭВ) при быстроходности Z3,4 Обороты и мощность при этом примерно совпадают с мощностью генератора при этих оборотах. Обороты генератора 100об/м- 2 Ампер 30 ватт

>

Далее вводим скорость 5м/с, это как видно на скриншоте 141об/м винта и мощность на валу винта 124 ватта, тоже примерно совпадает с генератором. Обороты генератора 150об/м — 8 Ампер 120 ватт

>

При 7м/с винт начинает по мощности обходить генератор и естественно недогруженный набирает большие обороты, по этому быстроходность я поднял до Z4 , получилось тоже примерное совпадение по мощности и оборотам с генератором. Обороты генератора 200об/м -14 Ампер 270 ватт

>

При 10м/с винт стал гораздо мощнее генератора при номинальной быстроходности так-как мало-оборотистый и не может раскрутить генератор быстрее. Так при Z4 мощность винта 991ватт, а обороты всего 332об/м. Обороты генератора 300об/м — 26 Ампер 450 ватт. Но недогруженный генератор позволяет раскрутится винту до быстроходности Z5 и выше, при этом КИЭВ винта падает, а следовательно и мощность, но при этом возрастают обороты, по этому получилось так что винт раскрутит генератор немного больше, но сам при этом потеряет в мощности и где то наступит баланс. Данные при этом примерно совпадут с генератором, но винт явно по мощности обгоняет генератор, по-этому при этом ветре пора делать защиту уводом винта из под ветра.

>

Так мы подогнали винт из ПВХ трубы диаметром 160мм под генератор. Сразу скажу что именно шести-лопастной винт такой быстроходности оказался самым подходящим. А так можно считать винт любого диаметра и количества лопастей. Просто трех-лопастной винт диаметром 2,3м для этого генератора оказался слишком скоростным и он не набрал бы обороты для своего максимального КИЭВ, так-как генератор сразу бы его начал тормозить.


По этому увеличением количества лопастей я понизил обороты винта и сохранил его мощность. Так винт получился подходящим под генератор, но 160-я труба внесла свои ограничения, в частности и так диаметр слишком большой и на ветру от 7м/с винт с хлипкими и тонкими лопастями скорее всего получит флаттер, и будет рокотать как взлетающий вертолет. Да и этим винтом мы снимаем с генератора грубо говоря при ветре 10м/с всего ватт 600-700, а можно в два раза больше, если поднять быстроходность винта и немного увеличить его диаметр.


Ниже скриншот с вкладки «Геометрия лопасти». Это размеры для вырезания лопасти из трубы

>

Второй пример расчета винта для этого генератора



В первом варианте расчета мы подогнали тихоходный винт из 160-й трубы. Ветрогенратор с таким винтом получился всего 600-700 ватт при ветре 10м/с, 160-я труба не позволяет нам увеличить еще диаметр так-как слишком слабая, но можно взять более подходящую трубу и сделать ветряк гораздо мощнее применив быстроходный винт. К примеру возьмем трубу 250мм и винт диаметром 2,7м и начнем с 3м/с, нам же хочется чтобы зарядка начиналась как можно раньше. Вводим данные винта пока все показатели не подойдут под наш генератор. У меня получилось так:

>

Скорость ветра 3м/с, обороты винта и мощность примерно совпадают с параметрами генератора, осталось проверить как будут совпадать данные при увеличении скорости ветра. При 6м/с снова винт примерно совпадает с генератором и немного мощнее что и надо чтобы компенсировать потери на КПД генератора и другие.

>

Дальше на скриншоте ниже видно что винт при быстроходности Z5 далеко ушол от генератора по мощности, по-этому надо подминать быстроходность, так-как недогруженный винт пойдет набирать обороты дальше пока его КИЭВ не упадет, следовательно и мощность. Быстроходность я поднял до Z7,7, в результате КИЭВ упал, но возрасти обороты, так как в реале недогруженный винт пойдет раскручиваться до большей быстроходности. В результате обороты около 550 и мощность 1,2кВт, что как раз и будет у генератора при таких оборотах.

>

Получается в сравнении с предыдущим винтом при использовании одного и того же генератора мощность составила 600 ватт примерно, максимум 700. А во втором случае увеличением диаметра винта и его быстроходности удалось поднять максимальную мощность до 1200 ватт. Если бы мы оставили 6 лопастей, то не получили бы таких оборотов и винт был бы с огромным перебором по мощности но с маленькими оборотами, а генератор давал бы меньше энергии так-как обороты генератора были бы меньше.


Весь смысл подгона винта под генератор заключается в подгонке по мощности и оборотам, чтобы винт был под нагрузкой, но при этом смог тянуть генератор и раскручиваться до номинальных оборотов в соответствии с быстроходностью, иначе мощность винта (КИЭВ) будет маленькая. И чтобы винт не-был с перебором по мощности, иначе он с шумом лопастей будет набирать бешеные обороты, и уйдет вразнос что может быть очень опасно если винт плохо сбалансирован и мачта слабая, от вибраций много чего может не выдержать, тут обязательно защита нужна уводом винта из под ветра. Если винт с перебором по мощности, то электро тормозом его не остановишь, генератор ведь слабее будет.

Как вырезать лопасти


>

После того как винт подогнали под генератор, то можно вырезать лопасти, для этого на вкладке «геометрия лопасти» в табличке есть все параметры. На трубе чертится ровная линия вдоль трубы. Чтобы начертить линию ровно поставьте трубу вертикально, прислоните например к дверному косяку, который должен быть строго вертикальным (проверьте строительным уровнем). А далее грузик на ниточке к верху трубы и делаете две засечки, вверху и внизу, соединяете линию и у вас получится ровная линия вдоль трубы.


Далее по линии начиняя с корня лопасти отмечаете размеры радиуса лопасти — в столбце «Радиус лопасти» в зеленых колонках. По этим размерам на линии ставите точки в лево и в право от корня лопасти. Влево если смотреть от корня лопасти к кончику будут координаты лекала Тыл мм, а справа от линии координаты лекала Фронт мм. После соединяете точки и у вас образуется лопасть, которую обычно вырезают с помощью полотна от ножовки по металлу, или электролобзиком.


Отверстия для крепления лопасти на хаб делаются строго по центральной линии лопасти, которую чертили на трубе в самом начале, если сместить отверстия, то лопасть встанет под другим углом к ветру и потеряет все свои качества. Кромки лопасти нужно обязательно обработать, фронтальную часть лопасти закруглить, тыльную часть заострить’ и закруглить кончики лопастей чтобы ничего не свистело и не шумело. Таблица эксель уже учитывает при расчете обработку кромок таким образом как на картинке ниже.

>

Надеюсь вам стало понятнее как пользоваться табличкой и как подбирать винт под генератор. Для примера я конечно выбрал генератор с неподходящими параметрами так-как слишком рано начинается зарядка 12в АКБ, для 24в и 48 вольт результаты были бы другие и мощность еще выше, но все примеры не опишешь.


Самое главное понять принципы, например подбирая винт если он имеет хорошую мощность при одних оборотах, это не значит что он будет ее иметь на практике, если генератор слишком рано нагрузит винт, то он не выйдет на свои обороты и не разовьет ту мощность, которая должна быть при меньших оборотах, хоть и ветер будет расчетный или даже выше. Лопасти настроены на определенную быстроходность и будут брать максимум мощности от ветра при своей быстроходности.


Быстроходность винта это отношение скорости кончика лопасти к скорости ветра и не не связана с оборотами винта. При одной и той-же быстроходности винты разных диаметров будут иметь разные обороты. Так например винт диаметром 2м с быстроходностью Z5 сделает при ветре 5м/с примерно ( 2*3,14=6,28) 1,3об/с. А винт диаметром 1м с быстроходностью Z5 сделает (1*314=3,14) 1,8об/с. Дополнительные материалы по расчету лопастей смотрите в разделе «Расчет ветрогенераторов». Вопросы можете оставить в комментариях ниже.

Лопасти из ПВХ труб — расчет лопастей ветрогенератора




В мире самодельных горизонтальных винтов ПВХ трубы обрели большую популярность так-как доступны и есть в любом строительном магазине, прочные, и с ними легко работать. Можно сказать что практически все самодельные и не только ветрогенераторы с диаметром винта менее 2 м сделаны именно из ПВХ труб различного диаметра, ну а самый доступный диаметр это конечно 160-я труба, которая отлично подходит для винтов диаметром до 1,8м.


Расчеты самодельных лопастей из канализационных труб, ниже на фото показано как правильно обрабатывать кромки лопастей.

>


>


Ниже даны таблицы по которым можно рассчитать винт под свой генератор.

Метод расчета лопастей, фото и таблица взяты с замечательного форума

windpower-russia

Последняя версия таблицы расчетов лопастей из ПВХ трубы.



Скачать — Расчет параметров ветроколеса.

Все рассчитанные лопасти ниже на скриншотах имеют свой идентификатор в виде 3D1500Z5T160

где первая цифра отображает количество лопастей винта,

вторая — диаметр винта в мм,

третья — быстроходность винта ,

четвертая — диаметр трубы в мм,

D — диаметр винта

Z — быстроходность

T — диаметр трубы

Данная подборка винтов сделана для более быстрого поиска и выбора подходящего винта под свой ветрогенератор





Лопасть 2D1000Z7T110.

>




Такой винт хорошо подойдет например для маломощных генераторов аксиального типа, которые собираются на маленьких магнитах типа 20*5мм, и их мощность не превышает 50 ватт. Для работы таких генераторов требуются высокие обороты, что как раз обеспечит такой винт.


Лопасть 2D1200Z8T110.

>


Немного увеличенный винт, так-же подойдет для маломощных генераторов, которым требуются большие обороты. Минус правда такой быстроходности это небольшой стартовый момент, поэтому генераторы с ощутимым залипанием не подойдут к этому винту, такие как шаговые крупные моторчики и прочее. Для аксиальных ветрогенераторов этот винт хорошо подойдет.


Лопасть 3D1200Z5T110.

>



Трех-лопастной винт имеет более низкие обороты, но более высокий стартовый момент страгивания. Этот винт подходит для высокооборотистых генераторов мощностью до 100ватт. К этому винту хорошо подойдут шаговые моторчики, аксиальные генераторы небольшой мощности, низковольтные двигатели малой мощности, авто-генераторы на слабых магнитах или перемотанные слишком толстым проводом, для зарядки с 200-300об/м.


Лопасть 3D1200Z5.5T16.

>



Быстроходный винт с увеличенной разгонной зоной для быстрого набора оборотов и момента страгивания. Высокооборотистый винт специально для генераторов, которым для начала зарядки требуются высокие обороты. Хрошо подойдет для маломощных аксиальных генераторов, автогенераторов, и других высокооборотистых генераторов не большой мощности до 100 ватт на 12 вольт и 170ватт на 24 вольт систему.


Лопасть 3D1500Z5T160.

>


>


Оптимальный винт для генератора мощностью до 150 ватт на 12 вольт систему и до 300 ватт на 24 вольта. Винт сопровождается графиком зависимости мощности от оборотов и скорости ветра. Я на своем ветрогенераторе испольную именно этот винт, он быстроходный и имеет хороший стартовый момент.


Лопасть 3D1500Z6.5T160.

>


Этот винт рассчитан на очень высокую быстроходность, чем предыдущие трех-лопастные винты. Хорошо подходит без мультипликатора к низковольтовым двигателям постоянного тока небольшой мощности, ну и конечно для аксиальных генераторов, которые для начала зарядки требуют больших оборотов.


Лопасть 6D1500Z3.5T160.

>



Шести-лопастной винт с уменьшенной разгонной зоной, зато все шесть лопастей помешаются на трубе.


Лопасть 3D1700Z4T200.

>



Винт из 200-й трубы, стартовый момент 0,226Нм при скорости ветра 4,4м/с КИЭВ 0,39 на 5м/с.


Лопасть 5D1700Z4T160.

>


стартовый момент 0,210Нм при скорости ветра 4,0м/с КИЭВ 0,41 на 5м/с



Лопасть 6D1700Z3T160.

>


стартовый момент 0,225Нм при скорости ветра 3,1м/с КИЭВ 0,39 на 5м/с


Лопасть 3D1700Z5T200.

>

>



Лопасть 3D2000Z5T200.

>




Лопасть 3D2300Z5T250.

>




Лопасть 3D3000Z5T315.

>



Лопасть 3D3200Z5T400.

>





Расчет лопастей для ветряков – … народные ветряки!

Лопасти ротора ветротурбины получают мощность от ветра, замедляя его. Они оказывают сопротивление ветру, и ветер налегает на них с той же силой.

Тела в воздушном потоке создают силу, напрвленную против вектора скорости, называемую лобовым сопротивлением.

Сила напора использовалась в самых ранних ветряках. Легко представить себе, как эта сила заставляет двигаться щиты, но такие ветряки очень тихоходны и лопасти, которые перемещаются против ветра, противодействуют вращению. В аэродинамике сила напора правильно называется силой по скорости полета. Силу напора часто называют силой лобового сопротивления. Пользуясь этим термином, не надо забывать, что сила лобового сопротивления на самом деле направлена в другую сторону, против ветра.

Напор – сила ветра, направленная по направлению потока. Но есть и другая сила, называемая ‘подъемной силой’ которая всегда направлена под прямым углом к направлению ветра.

Лопасти ветряка с горизонтальной осью не могут двигаться по направлению ветра, таким образом они не могут получить никакой пользы от силы напора. Вместо этого они используют подъемную силу.

При расчете лопасти необходимо определить ширину хорды и угол установки лопасти β в нескольких сеченях по длине лопасти. В каждом сечении необходимо определить правлиьную форму лопасти, чтобы получить лучшее усилие (подъемную силу) от каждой порции ветра, с которой это сечение будет иметь дело.

Процесс вычисления наилучшей нагрузки и соответствующей ей наилучшего профиля, известный как метод конечных элементов. рассматривает лопасть, как совокупность отдельных элементов.

Элекент лопасти находящийся на расстоянии r от центра работает в узком кольце из всей ометаемой области и производит работу по замедлению своей порции воздуха с максимумом эффективности в соответствии с критерием Бетца.

Площадь кольца ометамемая ветром

2πrΔr

Его окружная скорость будет (r/R)ZV, где Z – выбранная нами быстроходность.

Скорость набегания потока, которую лопасть ‘ощущает’, будем называть истинным ветром. Она определяется скоростью (величиной и направлением) встречи лопасти с молекулами воздуха.

Окружную скорость лопасти необходимо прибавить к скорости ветра, чтобы получить скорость набегания потока, истинный ветер, создающей подъемную силу.Окружная скорость обуславливает силу действую на лопасть в плоскости вращения.

Сила напора направлена против движения лопасти.

Подъемная сила помогает движению лопасти.

Обе силы воздействуют на лопасть и, в свою очредь, сами замедляют ветер.

>

Вычисление подъемной силы и силы напора

Подъемная сила

Сила напора

Где:

ρ – плотность воздуха 1,29кг/м3 При 0oC на уровне моря.

S – площадь лопасти м2,

V – скорость набегания потока м/с.

Подъемная сила и сила лобового сопротивления зависят от коэффициентов подъемной силы сy и коэффициента лобового сопротивления cx, которые в свою очередь зависят от примененного в лопасти профиля и угла атаки α, под которым поток ударяет в лопасть.

Мы больше привыкли к графикам воздушных сил, которые здесь повсюду.

Линия хорды самая длинная линия в сечении профиля, соединяющая носок и заднюю кромку.

Угол атаки α – это угол между вектором набегания потока и хордой лопасти.

Вы не можете вычислить коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления. Они измерены экспериментально в аэродинамических трубах и занесены в атласы профилей.

Вот типичный график коэффициента подъемной силы сy , в зависимости от угла атаки α.

При увеличении угла атаки подъемная сила тоже увеличивается, пока не достигнет точки срыва потока.

Поток воздуха отрывается от поверхности профиля в задней части крыла.

Подъемная сила падает, а сила лобового сопротивления быстро увеличивается.

Большинство плоских тел дадут подобный вид графика сy(α). Но изогнутые профили дадут большее отношение сy/cx.

При проектировании ротора воздушной турбины угол α будет зависеть от угла истинного ветра ψ, и, следовательно, угла установки лопасти β.

Таким образом при изменении α, мы управляем подъемной силой и силой лобового сопротивления лопасти.

Мы должны оптимизировать подъемную силу, но лопасть не будет работать хорошо, если сила лобового сопротивления не минимизирована.

Для каждого профиля необходимо определить такой угол атаки для которого отношение Cy/Cx, называемое в аэродинамике аэродинамическим качеством, наивысшее.

Нахождение точного значения оптимального угла α может быть запутанным процессом, потому что подъемная сила и сила лобового сопротивления зависят от сечения и от числа Рейнольдса (зависящего в свою очередь от размера хорды и скорости лопасти).

ЧИСЛО РЕЙНОЛЬДСА = 68 500 х ДЛИНА ХОРДЫ (м) х ИСТИННАЯ СКОРОСТЬ (м/с)

Если b = 0,07 м и Z = 5 и V = 5 м/ c, то истинная скорость равна 25 м/с и Re = 120  000

Слева два графика профиля NACA 4412 снятых для разных чисел Рейнольдса.

Левый график показывает зависимость Cy(α).

Правый график показывает зависимость Cy( Cx).

Тангенс угла наклона прямой, проведенной через начало координат равен аэродинамическому качеству (отношению Cy/Cx).

Если провести касательную к кривой, соответствующей какому-либо числу Рейнольдса, то эта касательная покажет максимально возможное аэродинамическое качество для данного Re.

Для NACA 4412 эта точка касания соответствует Cy приблизительно равным 1 и α равным 6.

Заметьте, что низкие числа Re приводят к малым значениям Cy и низкому аэродинамическому качеству, что объясняет проблемы для пропеллеров с узкими лопастями при слабых ветрах.

Существуют другие профили ( ClarkY и K2), которые лучше работают при низких числах рейнольдса.

Практически все профили имеют наивысшее аэродинамическое качество при угле атаки равном 5 градусам. Если характеристики профиля неизвестны мы можем полагать, что угол установки можно вычислить как

β = ψ – 5

ПОЛЯРЫ ПОЛУЧЕННЫЕ В АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ

Для вычисления угла установки В мы должны знать угол набегания потока, под которым истинный ветер набегает на плоскость ветроколеса.

ВЫЧИСЛЕНИЕ УТОЧНЕННОГО УГЛА УСТАНОВКИ ЛОПАСТИ β

поскольку

Итак угол установки

Где α равно примерно 5

Следующуя страница будет еще богаче на полезные формулы.

Закончив с вычислениями β, мы должны вычислить ширину лопасти. Будем рассуждать так:

Каждый элемент лопасти взаимодействует с определенным кольцом ветра.

Поскольку радиус у центра становится меньше, то и площадь кольца становится меньше. Поэтому внешние части лопасти производят больше энергии. Центральные части лопасти менее важны и отличаются по форме от концевых частей лопасти.

Скорость ветра после ветроколеса замедляется до 1/3 по сравнению с первоначальной. Это замедление происходит от воздействия осевой силы, которая тесно связана с подъемной силой.

ПРЕНЕБРЕГАЯ СИЛОЙ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ (ввиду малости ошибки)

ОСЕВАЯ СИЛА = ПОДЪЕМНАЯ СИЛА cos(ψ)

ПО БЕТЦУ ОСЕВАЯ СИЛА

=

КАК МЫ ЗНАЕМ, ПОДЪЕМНАЯ СИЛА

=Cy(ρ/2)ibΔr(ИСТИННАЯ СКОРОСТЬ)2

=Cy(ρ/2)ibΔr(ZV(r/R)/cos(ψ))2

Это дает грубую формулу для ширины хорды b , которая создаст осевую силу, соответствующую условию Бетца.

Если i – число лопастей, Cy – коэффициент подъемной силы, b – ширина хорды в сечении r и V – скорость ветра, то произведение ibΔr равно суммарной площади лопасти производящую подъемную силу в этом кольце.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

ДЛЯ ПРОСТОТЫ МЫ ПРЕДПОЛОЖИЛИ, ЧТО Cy И COS(ψ) ОБА ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО = 1

ЭТО УРАВНЕНИЕ РАБОТАЕТ ЛУШЕ ВСЕГО ДЛЯ ВНЕШНИХ ЧАСТЕЙ ЛОПАСТИ

ВЫВОДЫ:

РАЗМЕР b УВЕЛИЧИВАЕТСЯ ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО РАДИУСУ r

т.е. форма лопасти должна быть треугольной в плане

b ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ЧИСЛУ ЛОПАСТЕЙ i

т.е. малолопастной пропеллер будет иметь широкие лопасти

b ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО КВАДРАТУ БЫСТРОХОДНОСТИ

т.е. удвоение скорости вызывает уменьшение ширины лопастей в 4 раза

Возвратимся к расчету лопастей.

1. Выберем диаметр ротора, для получения необходимой мощности

Диаметр (м) Мощность (Вт)
1 50 – 100
2 250 – 500
3 500 – 1000
4 1000 – 2000
5 2000 – 3000

2. Выбираем быстроходность Z. Вы вольны идти по пути проб и ошибок. Я предлагаю, чтобы Вы выбрали быстроходность между 5 и 8.

Быстроходность определяет обороты ветряка. ОБОРОТЫ = 60 ZV/πD об/мин

3. Решаем, какое количество лопастей будет на ветряке. i = 3 является наилучшим вариантом.

Или попытайтесь вычислить i = 80/Z2

4. Ширина хорды на конце лопасти будет: b = 4 D/ Z2i

Например, если D = 2м, Z = 7 и i = 2, тогда b = 4х2/49х2 = 0,08 м (или 8 см). Концевая часть является самой важной, но внутренняя часть должна быть сделана шире, чтобы создавать большой стартовый вращающий момент.

5. Чтобы найти лучший угол установки лопастей пользуйтесь этим графиком.

ЭТО ИДЕАЛЬНЫЙ УГОЛ ДЛЯ ТОЧКИ А, ЛЕЖАЩЕЙ БЛИЗКО К КОНЧИКУ ЛОПАСТИ

НА ПРАКТИКЕ МНОГО ВЕТРЯКОВ ПОСТРОЕНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕКРУЧЕНЫХ ЛОПАСТЕЙ С НЕИЗМЕННОЙ ШИРИНОЙ ПО РАДИУСУ И ПОСТОЯННЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ. КАК НИ УДИВИТЕЛЬНО, НО ТАКОЕ УПРОЩЕНИЕ МАЛО СКАЗЫВАЕТСЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРЯКА

ОДНАКО ЕСТЬ СЕРЪЕЗНЫЕ ОСНОВАНИЯ, ЧТОБЫ ДЕЛАТЬ ЛОПАСТЬ СУЖАЮЩЕЙСЯ К КОНЧИКУ И ДЕЛАТЬ КРУТКУ ЛОПАСТИ:

1. ЛУЧШЕ СТАРТ

2. МАССИВНЕЕ И КРЕПЧЕ СТУПИЦА

Факторы, влияющие на КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра)

(Куда теряется энергия?)

1 причина – поток, который огибает ветряк. Бетц выяснил, что максимальный КИЭВ, который мы можем получить, 0,593 из мощности ветрового потока. Чтобы получить такую мощность мы должны затормозить поток до 1/3 первоначальной скорости.

3 причина – вследствии того, что мы не можем везде поспеть. В ветряках с небольшим количеством лопастей выше нагрузки, и ветер предпочитает пройти мимо кончиков лопастей. Это известно, как концевые потери.

2 причина – потеря мощности во вращающемся цилиндре отходящего воздуха. Глауэрт выяснил, что потери на вращение отходящего воздуха будут наибольшими у тихоходных ветряков.

ДВИЖУЩАЯ ОКРУЖНАЯ СИЛА= Ysin(ф)(1 – (3 r/2 R) Z/ K) где K = Y/ X – аэродинмическое качество

ТАКИМ ОБРАЗОМ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО ДОЛЖНО БЫТЬ БОЛЬШЕ, ЕСЛИ НУЖНО ПОЛУЧИТЬ БОЛЬШУЮ БЫСТРОХОДНОСТЬ. СИЛА ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНЯ БЕРЕТ БОЛЬШУЮ ПОШЛИНУ

4 причина – падение движущей окружной силы, которая зависит от аэродинамического качества. Это сильнее сказывается для быстроходных пропеллеров, где вектор подъемной силы отклоняется больше всего от направления движения лопасти.

Какой же вариант ветряка наилучший?

По графику видно, что быстроходность около 5 является оптимальной, а количество лопастей должно быть максимально возможно.

Трудность с большим количеством лопастей в том, что они должны быть очень узкие или быть очень тихоходными (или оба условия вместе), чтобы удовлетворить условию Бетца.

Совершенный ротор ветротурбины имеет бесконечное количество бесконечно узких лопастей.

Клаус Ниброе из Windmission создал ротор типа «windflower», следуя этой логике.

Из-за низкого числа Рейнольдса применяемые профиля должны быть тщательно выбраны и быть очень узкими. Чтобы достичь прочности и жесткости на кручение, для этого требуются первоклассные композитные материалы и большое профессиональное мастерство.

Здесь показан 12-лопастной ветряк « WINDFLOWER » спроектированный с быстроходностью 3,6. Возможно это наиболее эффективная форма ротора.

На практике этот подход редко используется, потому что такой ветряк слишком тихоходен. 3-х лопастной ветряк, работающий на большей быстроходности, работает лучше, несмотря на потери.

Вот менее честолюбивая форма лопасти.

ЕСЛИ ШИРИНА КОНЧИКА b = (7/100)R, ТО

i = 80/Z2

ЭТО ПРАВИЛО ГОДИТСЯ ТОЛЬКО ДЛЯ ИЗОБРАЖЕННОЙ ЛОПАСТИ С ХОРДОЙ НА КОНЧИКЕ РАВНОЙ 3,5% ОТ ДИАМЕТРА ПРОПЕЛЛЕРА.

Как только Вы выбрали форму лопасти в плане, количество лопастей будут продиктованы быстроходностью Z.

Высокоскоростные ветряки (за и против)

График справа показывает скорости и мощности воздушных винтов с быстроходностью 5 при ветре в 5 м/с

На этом графике мощность рассчитана из условия КИЭВ 0,25 и потерь в целом равным 40%, которые являются достижимыми для маленьких ветряков.

(Потери складываются из потерь на трение, потерь в железе, меди, в выпрямителе)

Выбор размера ветряка (диаметра) в зависимости от требуемой мощности.

СТАРТОВЫЙ ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ МОЖЕТ БЫТЬ ОЦЕНЕН ПО ФОРМУЛЕ

НАПРИМЕР ВЕТРЯК 2 М ДИАМЕТРОМ С БЫСТРОХОДНОСТЬЮ Z = 5 БУДЕТ ИМЕТЬ ПРИ 4 М/С СТАРТОВЫЙ ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ

N. B. ЭТО ОЧЕНЬ ПРИБЛИЖЕННАЯ ФОРМУЛА

Выбо быстроходности Z зависит от многих факторов.

Высокая быстроходность приводит к высокой частоте вращения вала, необходимой для эффективного производства электроэнергии и перевешиват эти неудобства:

1. Шум лопастей выше

2. Вибрация в случае 2-лопастного или 1-лопастного ветряка.

3. Кромки лопастей при высоких скоростях эррозируют.

4. Снижение эффективности ротора из-за роста лобового сопротивления и концевых потерь.

5. Трудности при старте

КОНЧИКИ ЛОПАСТЕЙ, ДВИЖУЩИХСЯ СО СКОРОСТЬЮ СВЫШЕ 80 М/С СИЛЬНО ПОДВЕРЖЕНЫ ЭРРОЗИИ, ВЫЗВАННОЙ МЕЛКИМИ ЧАСТИЦАМИ ДВИЖУЩИМСЯ С ВЕТРОМ. ЭТИ ПОВРЕЖДЕНИЯ МОЖНО СУЩЕСТВЕННО УМЕНЬШИТЬ ИСПОЛЬЗУЯ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ.

РОТОР 5 М В ДИАМЕТРЕ С БЫСТРОХОДНОСТЬЮ 7 НА 12 М/С БУДЕТ ДЕЛАТЬ 350 ОБ/МИН И БУДЕТ ПОДВЕРЖЕН ЭРРОЗИИ.

ЭФФЕКТ СУЩЕСТВЕННО УВЕЛИЧИВАЕТСЯ С УВЕЛИЧЕНИЕМ СКОРОСТИ

Hugh Piggott http://www.scoraigwind.co.uk/

Перевод Розин М.Н.

11 марта 2007г.

Поделиться ссылкой:

Похожее

Лопасти для ветрогенератора. расчет лопастей ветрогенератора

Расчёт инвертора под домашний ветряк

Сразу следует оговориться: если конструкция домашней энергетической ветроустановки содержит один аккумулятор на 12 вольт, смысл ставить инвертор на такую систему полностью исключается.

В среднем потребляемая мощность бытового хозяйства составляет не менее 4 кВт на пиковых нагрузках. Отсюда вывод: количество аккумуляторных батарей для такой мощности должно составлять не менее 10 штук и желательно под напряжение 24 вольта. На такое количество АКБ уже есть смысл устанавливать инвертор.

Инвертор небольшой мощности (600 Вт), который может быть использован для домашней малой энергетической установки. Запитать от такой техники напряжением 220 вольт можно телевизор или небольшой холодильник. На лампы в люстре тока уже не хватит

Однако чтобы обеспечить полностью энергией 10 аккумуляторов с напряжением по 24 Вт на каждый и стабильно поддерживать их заряд, потребуется ветряк мощностью не менее 2-3 кВт. Очевидно, для бытовых простеньких конструкций такую мощность не потянуть.

Тем не менее, рассчитать мощность инвертора можно следующим образом:

  1. Суммировать мощность всех потребителей.
  2. Определить время потребления.
  3. Определить пиковую нагрузку.

На конкретном примере это будет выглядеть так.

Пусть в качестве нагрузки есть бытовые электроприборы: лампы освещения – 3 шт. по 40 Вт, телевизионный приёмник – 120 Вт, компактный холодильник 200 Вт. Суммируем мощность: 3*40+120+200 и получаем на выходе 440 Вт.

Определим мощность потребителей для среднего периода времени в 4 часа: 440*4=1760 Вт. Исходя из полученного значения мощности по времени потребления, логичным видится подбор инвертора из числа таких приборов с выходной мощностью от 2 кВт.

Опираясь на это значение, рассчитывается вольт-амперная характеристика требуемого прибора: 2000*0,6=1200 В/А.

Классическая схема воспроизводства и распределения энергии, полученной от ветряного генератора бытового типа. Однако чтобы обеспечить долговременной энергией такое количество приборов, нужна достаточно мощная установка (+)

Реально нагрузка от домашнего хозяйства на семью в три человека, где имеется полноценное оснащение бытовой техникой, будет выше рассчитанной в

реальная мощность самодельного ветряка и ветроколеса

Важный нюанс при покупке ветряка

Прежде чем приобрести или изготовить ветрогенератор, необходимо определиться с его мощностью, собственной потребностью в энергии и прочих параметрах устройства. Это принципиально важно при покупке ветряка, так как цены настолько велики, что приходится покупать устройство, которое пользователь сможет осилить по финансам. В некоторых случаях возможности оказываются настолько низкими, что приобретение уже не имеет смысла.

Расчет мощности ветрогенератора

Самостоятельное изготовление ветряка также нуждается в предварительном расчете. Никому не хочется потратить время и материалы на изготовление неведомо чего, хочется иметь представление о возможностях и предполагаемой мощности установки заранее. Практика показывает, что ожидания и реальность между собой соотносятся слабо, установки, созданные на основе приблизительных прикидок или предположений, не подкрепленных точным расчетами, выдают слабые результаты.

Произвести точный расчет с учетом всех факторов, воздействующих на ветряк, достаточно сложно. Для неподготовленных в теоретическом отношении мастеров такой расчет слишком сложен, он требует обладания множеством данных, недоступных без специальных измерений или расчетов.

Поэтому обычно используются упрощенные способы расчетов, дающие достаточно близкие к истине результаты и не требующие использования большого количества данных.

Правильный расчет ветрогенератора: что нужно учитывать при подсчете мощности ветроколеса?

Правильный расчет ветрогенератора: что нужно учитывать при подсчете мощности ветроколеса?

Как произвести?

Для расчета ветрогенератора надо произвести следующие действия:

  • определить потребность дома в электроэнергии. Для этого необходимо подсчитать суммарную мощность всех приборов, аппаратуры, освещения и прочих потребителей. Полученная сумма покажет величину энергии, необходимой для питания дома
  • полученное значение необходимо увеличить на 15-20 %, чтобы иметь некоторый запас мощности на всякий случай. В том, что этот запас нужен, сомневаться не следует. Наоборот, он может оказаться недостаточным, хотя, чаще всего, энергия будет использоваться не полностью
  • зная необходимую мощность, можно прикинуть, какой генератор может быть использован или изготовлен для решения поставленных задач.  От возможностей генератора зависит конечный результат использования ветряка, если они не удовлетворяют потребностям дома, то придется либо менять устройство, либо строить дополнительный комплект
  • расчет ветроколеса. Собственно, этот момент и является самым сложным и спорным во всей процедуре. Используются формулы определения мощности потока

Для примера рассмотрим расчет простого варианта. Формула выглядит следующим образом:

P=k·R·V³·S/2

Где P — мощность потока.

K — коэффициент использования энергии ветра (величина, по своей сути близкая к КПД) принимается в пределах 0,2-0,5.

R — плотность воздуха. Имеет разные значения, для простоты примем равную 1,2 кг/м3.

V — скорость ветра.

S — площадь покрытия ветроколеса (покрываемая вращающимися лопастями).

Считаем: при радиусе ветроколеса 1 м и скорости ветра 4 м/с

P = 0,3 × 1,2 × 64 × 1,57= 36,2 Вт

Результат показывает, что мощность потока равняется 36 Вт. Этого очень мало, но и метровая крыльчатка слишком мала. На практике используются ветроколеса с размахом лопастей от 3-4 метров, иначе производительность будет слишком низкой.

Что нужно учитывать?

При расчете ветряка следует учитывать особенности конструкции ротора. Существуют крыльчатки с вертикальным и горизонтальным типом вращения, имеющие разную эффективность и производительность. Наиболее эффективными считаются горизонтальные конструкции, но они имеют потребности в высоких точках установки.

Сооружение мачты может обойтись в большую сумму денег и значительные вложения труда. Кроме того, обслуживание ветряка, расположенного на высоте около 10 м над поверхностью земли чрезвычайно сложно и опасно.

Не менее важным будет обеспечение достаточной мощности крыльчатки для вращения ротора генератора. Устройства с тугими роторами, позволяющие получать хороший выход энергии, требуют немалой мощности на валу, что может обеспечить только крыльчатка с большой площадью и диаметром лопастей.

Не менее важным моментом являются параметры источника вращения — ветра. Перед производством расчетов следует как можно подробнее узнать о силе и преобладающих направлениях ветра в данной местности. Учесть возможность ураганов или шквалистых порывов, узнать, с какой частотой они могут возникать. Неожиданное возрастание скорости потока опасно разрушением ветряка и выводом из строя преобразующей электроники.

Реальная мощность самодельного ветрогенератора

Особенностью самодельных устройств является использование подручных материалов и устройств. В таких условиях обеспечить полноценное соответствие проектным данным не всегда удается. При этом, разница в расчетных и реальных показателях может оказаться как отрицательной, так и положительной.

Величины, определяющие возможности комплекта, это мощность ветроколеса и генератора. Насколько они будут соответствовать друг другу, такая и общая мощность ветрогенератора будет получена в результате.

Например, если генератору для номинальной производительности требуется скорость вращения в 2000 об/мин, то никакое ветроколесо не сможет обеспечить нужные значения.

Поэтому прежде всего следует подбирать тихоходные образцы генераторов, способные на выработку больших количеств энергии при низких скоростях вращения. Для этого модернизируются готовые устройства (например, устанавливаются неодимовые магниты на ротор автомобильных генераторов), изготавливаются собственные конструкции на базе тех же неодимовых магнитов с заранее подсчитанной мощностью и производительностью.

Правильный расчет ветрогенератора: что нужно учитывать при подсчете мощности ветроколеса?

Правильный расчет ветрогенератора: что нужно учитывать при подсчете мощности ветроколеса?

Расчет параметров ветроколеса

Расчет ветроколеса имеет важное значение при создании ветрогенератора. Именно крыльчатка принимает на себя поток ветра, передает его энергию в виде вращательного движения на ротор генератора. Для расчета потребуется, прежде всего, знание параметров генератора — мощность, номинальная скорость вращения ротора и т.д.

Следует учитывать, что увеличение количества лопастей снижает скорость вращения, но увеличивает мощность вращательного движения. Соответственно, малое число лопастей надо применять на быстроходных генераторах, а большое количество —торах, нуждающихся в большом усилии вращения.

Формула быстроходности ветроколеса выглядит следующим образом:

Z = L × W / 60 / V,

Где Z — искомая величина (быстроходность),

L — длина окружности, описываемой лопастями.

W — частота (скорость) вращения крыльчатки.

V — скорость ветра.

Специалисты рекомендуют для самостоятельного изготовления выбирать многолопастные образцы с количеством лопастей от 5 штук. Они не требовательны к балансировке, имеют более стабильную аэродинамику и более активно принимают на себя энергию воздушного потока.

Сколько экономии энергии дает ветряк?

Величина экономии, полученной от использования ветрогенератора, рассчитывается по собственным данным. Она складывается, с одной стороны из расходов на приобретение и сборку ветряка или его деталей, расходов на обслуживание комплекта. С другой стороны, учитывается стоимость сетевой электроэнергии в данном регионе, либо цена подключения и прочие расходы, связанные с этим.

Разница полученных величин и будет являться величиной экономии. Необходимо учесть также отсутствие возможности для подключения в некоторых районах, когда ветрогенератор становится единственным доступным вариантом. В таких случаях разговор об экономии становится неуместным.

Сколько электроэнергии вырабатывает?

Количество вырабатываемой энергии зависит от параметров крыльчатки и собственно генератора. Максимально возможным количеством следует считать номинальные данные генератора, уменьшенные на величину КИЭВ крыльчатки. На практике показатели намного ниже, так как в получении результата большое значение имеет скорость ветра, которую невозможно заранее предсказать.

Кроме того, имеются различные тонкие эффекты, в сумме оказывающие заметное влияние на конечную производительность ветряка. Принципиально важными значениями являются диаметр крыльчатки и скорость ветра, от них напрямую зависит количество полученной энергии.

Минимальная скорость ветра для ветряка

Минимальная скорость ветра — в данном случае это величина, при которой лопасти ветряка начинают вращаться. Это значение показывает степень чувствительности крыльчатки, но на конечный результат влияет слабо. Генератор имеет собственные потребности, для него само по себе вращение еще не решает все вопросы.

Требуется определенная скорость и стабильность движения, отсутствие резких рывков. Рассматривать минимальную скорость вращения следует только с позиций общей эффективности рабочего колеса, позволяющей оценивать его способность обеспечить выработку энергии на слабых потоках.

Рекомендуемые товары

Расчет вертикального ветряка для начинающих




Расчет вертикального ветряка по сути ни чем не отличается от расчета обычного горизонтального. Но в расчете есть свои особенности так-как вертикальные ветряки типа «Бочка» работают не за счет подъемной силы, а за счет давления ветра на лопасти. Далее я приведу пример расчета ветряка в общих чертах. Расчет хоть и довольно точный, но он дает общее представление о мощности ветрогенератора, но не учитываются многие факторы, которые могут значительно влиять на реальный результат.

Самодельный вертикальный ветрогенератор

Для примера фото вертикального ветряка типа «Бочка»


К примеру мы хотим сделать ветрогенератор типа «Бочка» размером по ширине 2 метра, и высотой 3 метра. Количество лопастей не имеет особого значения, и скажем у нас 4 полукруглых лопасти. Для начала нам нужно узнать сколько энергии мы вообще можем получить с этого ротора.


Для расчета есть простая формула:

P=0.6*S*V^3

где

P— мощность Ватт

S— площадь ометания лопастей кв.м.

V^3— Скорость ветра в кубе м/с

0.6 — это скорость ветра. Ветер движущийся в пространстве принимается за единицу, но ветер при подходе к любому препятствию теряет свою скорость и мощность. Так-как потери в скорости нам не известны, то будем брать 0.6, это с учетом того что ветер потеряет скорость на 33%.

Дополнительно формула расчета площади круга S=πr2, где

π— 3,14

r— радиус окружности в квадрате

Вообще вертикальные ветряки подобно рекламным щитам ветер тормозят очень сильно, и перед препятствием образуется воздушная подушка, натыкаясь на которую новые порции ветра расходятся по сторонам и 30-40% энергии ветра уходит не принимая участия в давлении на лопасти. По-этому общий КПД, или по правильному КИЭВ ветроколеса у вертикальных ветряков достаточно низкий и составляет всего 10-20% от энергии ветра.


Из анализа самодельных вертикальных ветряков КИЭВ в основном 10% всего, но мы-же оптимисты, по-этому я буду брать КИЭВ 0.2, хотя здесь еще не учитывается КПД генератора и трансмиссии.

Далее по формуле подставляя данные для этого ветроколеса получается что:

0.6*6*2*2*2*0.2=5,76 ватт при 2м/с

0.6*6*3*3*3*0.2=19,44 ватт при 3м/с

0.6*6*4*4*4*0.2=46,08 ватт при 4м/с

0.6*6*5*5*5*0.2=90 ватт при 5м/с

0.6*6*7*7*7*0.2=246 ватт при 7м/с

0.6*6*10*10*10*0.2=720 ватт при 10м/с

Теперь понятно на что способен данный ротор. Далее нам нужно подогнать генератор к этому ротору чтобы генератор смог вырабатывать максимально возможную мощность, которая имеется на роторе, и при этом не перегружать ротор — чтобы он мог вращаться и его обороты сильно не падали. Иначе толку не будет, выработка энергии сильно упадет. Чтобы подогнать генератор нам нужно узнать обороты ветроколеса на каждой скорости ветра.


В отличие от горизонтальных ветряков, где скорость вращения кончиков лопастей обычно в 5 раз быстрее скорости ветра, вертикальный ветрогенератор не может вращаться быстрее скорости ветра. Это связано с тем что тут ветер просто толкает лопасть, и она начинает двигаться с потоком проходящего ветра. А горизонтальный винт работает за счет подъемной силы, которая образуется у тыльной части лопасти, и она выдавливает лопасть вперед, и тут обороты ограничиваются только аэродинамическими свойствами лопасти и подъемной силой.


Вдаваться в подробности не будем, и вернемся к нашему ветроколесу. Чтобы высчитать обороты ротора размером 2*3 метра, где ширина ротора 2 метра, нужно узнать длину окружности ротора. 2*3,14=6.28 метра, то-есть за один оборот кончик лопасти проходит путь в 6.28 метра. Это значит что в идеале полный оборот ротор сделает за проходящий поток ветра длинной 6.28 метра. Но так-как энергия тратится на вращение, на трансмиссию, да еще и на вращение генератора — который нагружен аккумулятором, то обороты упадут в среднем в два раза. И того полный оборот ротор сделает за 12 метров потока ветра.


Тогда получается так, если ветер 3м/с, то при этом ветре за секунду ротор сделает 0,4 оборота, а за 4 секунды полный оборот. А за минуту при ветре 3м/с будет 60:4=15об/м.

При 3м/с 12:3=4, 60:4=15об/м

При 4м/с будет 12:4=3, 60:3=20об/м.

При ветре 5м/с 12:5=2.4, 60:2.4=25об/м.

При 7м/с 12:7=1.71, 60:1,71=35об/м

При 10м/с 12:10=1.2, 60:1.2=50об/м

С оборотами ветроколеса я думаю теперь понятно, и они известны. Чем больше в диаметре ветроколесо, тем меньше его обороты относительно скорости ветра. Так к примеру ветроколесо диаметром 1 метр будет крутится в два раза быстрее чем ветроколесо 2м в диаметре.


Теперь нужен генератор, который на этих оборотах должен вырабатывать мощность не более чем может выдать ветроколесо. А если генератор будет мощнее, то он перегрузит ротор, и тот не сможет раскрутится до своих оборотов, и в итоге обороты будут низкие и общая мощность. При ветре 3м/с у нас 15 об/м, и мощность ветроколеса 19 ватт, вот нужно чтобы генератор нагружал ротор не более 19ватт. Это с учетом КПД редуктора (если он имеется) и КПД самого генератора. КПД редуктора и генератора обычно не известны, но на них тоже значительные потери, и в общем на этом теряется 20-50% энергии, и на выходе на аккумулятор уже поступает всего 50%, это в нашем случае 10ватт примерно.


Если генератор перегрузит ветроколесо, то его обороты не выйдут на номинальные, и будут значительно ниже скорости ветра. От этого упадут обороты генератора и его мощность. Плюс еще значительно медленные по скорости лопасти относительно ветра, будут его сильно тормозить и ветер будет разбегаться в стороны, в итоге мощность ветроколеса упадет еще больше. Так со слишком мощным генератором энергии на аккумулятор будет в разы меньше чем могло бы быть. Или наоборот, когда генератор слишком слабый и при 15об/м ветроколеса не может на полную нагрузить ветроколесо, то то-же получается что мы берем гораздо меньше энергии от возможной.


В итоге генератор должен соответствовать по мощности ветроколесу, только так мы можем снять максимально возможную мощность ветроколеса. Это можно сказать самая сложная задача так-как генератор может абсолютно разных характеристик напряжения и тока к оборотам. Чтобы подобрать генератор его нужно покрутить на аккумулятор и измерить отдаваемую энергию, или просчитать по формулам. А далее уже пробовать подгонять к ветроколесу.


К примеру у вашего генератора при 300об/м 1Ампет на АКБ 14вольт, это примерно 14ватт, а ветроколесо выдает 19ватт при 15об/м. Значит мультипликатор нужен 1:20 чтобы генератор крутился при этом на 300об/м. При 5м/с обороты ветроколеса 25об/м, а генератор значит будет вращаться со скоростью 500об/м. Мощность ветроколеса у нас при этом всего 90ватт, а генератор превышает по мощности и дает 200ватт. Так не пойдет ветроколесо просто будет медленно вращаться и свои 90ватт не выдаст — а 200ватт тем-более. Выход — или жертвовать началом зарядки и делать редуктор 1:15, или увеличивать по высоте ветроколесо в два раза чтобы ветроколесо потянуло генератор.


Так нужно чтобы генератор соответствовал по мощности и оборотам на всем диапазоне вращения ветроколеса. А если генератор не-дотягивает по мощности, то нужно или увеличивать передаточное число мультипликатора, или уменьшать ротор чтобы добиться баланса между оборотами и мощностью ветроколеса и генератора. Часто люди вообще без всяких расчетов ставят генераторы от чего найдут, и строят ветроколесо насмотревшись видео с ютюба, а в итоге получается что ветрогенератор не работает на малом ветру и по мощности просто мизер совсем.


Программа для расчета лопастей ветряных турбин

Программа для расчета лопастей ветряных турбин

Аннотация

Эффективная конструкция лопастей ветряных турбин требует решения нескольких уравнений, включающих коэффициент подъемной силы и угол атаки для интересующего аэродинамического профиля. Это программное обеспечение позволяет вам указать количество лопастей, требуемое TSR, приблизительную эффективность лопастей, радиус лопастей и скорость ветра. Будет разработан набор лезвий, соответствующих вашим требованиям.Программное обеспечение предоставит рассчитанную выходную мощность, крутящий момент и скорость вращения, которые должны соответствовать вашему генератору. Благодарность Клаусу Ниброу за формулу

Ключевые слова: энергия ветра, вычислитель лопастей ветряной турбины, конструкция профиля крыла ветряной турбины

4.

«Калькулятор лопастей ветряной турбины 2012»

Обновлено до 24.01.2014

5.

«Калькулятор лопастей ветряных турбин»

9 января 2006 г.

7.

«Калькулятор лопастей ветряных турбин»

Оригинал — Ретро 2003 Версия

31 марта 2011 г.

«Интерактивный калькулятор лопастей ветряных турбин 2011»

8.

«Калькулятор лопастей ветряных турбин»

20 марта 2009 г.

6.

Разработайте индивидуальные лопасти для своего генератора и рассчитайте выходную мощность при каждой скорости ветра.

Бесплатные образцы хорды секций могут быть созданы для лопаток от 0,70 м до 0,80 м (550 Вт — 710 Вт).


Preview of bonus material included with every purchase

Бесплатные тарифные планы для блейд-серверов мощностью 500 Вт при каждой покупке.

Blade Calculator

Blade Calculator

Blade Calculator

Blade Calculator

Часто задаваемые вопросы о плановых заказах, конструкции лопастей, электромонтажных работах и ​​согласовании генераторов можно найти на наших страницах вопросов и ответов.

3.

«Калькулятор лопастей ветряных турбин»

Текущий HAWT — обновлено 23.10.2015

1.

Текущий VAWT — 15.09.2019

«Конструктор H-образных лопастей ветряных турбин, имитатор и генератор аэродинамического профиля (STL)»

«Калькулятор лопастей для ветряных турбин с вертикальной осью (VAWT) DIY (непроверенная версия)»

Бета-версия

, 2016

2.

Blade Calculator

[mobile6]

,

% PDF-1.3
%
2 0 obj
>
endobj

8 0 объект
[
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 778 778
250 333 408 500 500 833 778 180 333 333 500 564 250 333250 278
500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 278 278 564 564 564 444
921 722 667 667 722 611 556 722 722 333 389 722 611 889 722 722
556 722 667 556 611 722 722 944 722 722 611 333 278 333 469 500
333 444 500 444 500 444 333 500 500 278 278 500 278 778 500 500
500500 333 389 278 500 500 722 500 500 444 480 200 480 541 778
500 778 333 500 444 1000 500 500 333 1000 556 333 889 778 611 778
778 333 333 444 444 350 500 1000 333 980 389 333 722 778 444 722
250 333 500 500 500 500 200 500 33 3760 276 500 564 333 760 500
400 549 300 300 333 576 453250 333 300 310 500 750 750 750 444
722 722 722 722 722 722 889 667 611 611 611 611 333 333 333 333
722 722 722 722 722 722 722 564 722 722 722 722 722 722 556 500
444 444 444 444 444 444 667 444 444 444 444 444 278 278 278 278
500 500 500 500 500 500 500 549 500 500 500 500 500 500 500 500
]
endobj

11 0 объект
[
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0750750
250 278 371 606 500 840 778 208 333 333 389 606250 333250 606
500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 250 250 606 606 606 444
747 778 611 709 774 611 556 763 832 337 333 726611 946 831 786
604 786 668 525 613 778722 1000 667 667 667 333 606 333 606 500
333 500 553 444 611 479 333 556 582 291 234 556 291 883 582 546
601 560 395 424 326 603 565 834 516 556 500 333 606 333 606 750
500 750 278 500 500 1000 500 500 333 1144 525 331 998 750 667 750
750 278 278 500 500 606 500 1000 333 979 424 331 827 750 500 667
250 278 500 500 606 500 606 500 333 747 333 500 606 333 747 500
400 549 310 310 333 576 628 333 333 310 333 500 787787 787 444
778 778 778 778 778 778 944 709 611 611 611 611 337 337 337 337
774 831 786 786 786 786 786 606 833 778 778 778 778 667 604 556
500 500 500 500 500 500 758 444 479 479 479 479 287 287 287 287
546 582 546 546 546 546 546 549 556 603 603 603 603 556 601 556
]
endobj

14 0 объект
[
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 778 778
250 333 555 500 500 1000 833 278 333 333 500 570 250 333250 278
500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 333 333 570 570 570 500
930 722 667 722 722 667 611 778 778 389 500 778 667 944 722 778
611 778 722 556 667 722 722 1000 722 722 667 333 278 333 581 500
333 500 556 444 556 444 333 500 556 278 333 556 278 833 556 500
556 556 444 389 333 556 500 722 500 500 444 394 220 394 520 778
500 778 333 500 500 1000 500 500 333 1000 556 333 1000 778 667 778
778 333 333 500 500 350 500 1000 333 1000 389 333 722 778 444 722
250 333 500 500 500 500 220 500 33 37 47 300 500 570 33 37 47 500
400 549 300 300 333 576 540 250 333 300 330 500 750 750 750 500
722 722 722 722 722 722 1000 722 667 667 667 667 389 389 389 389
722 722 778 778 778 778 778 570 778 722 722 722 722 722 611 556
500 500 500 500 500 500 722 444 444 444 444 444 278 278 278 278
500 556 500 500 500 500 500 549 500 556 556 556 556 500 556 500
]
endobj

17 0 объект
[
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 778 778
250 389 555 500 500 833 778 278 333 333 500 570 250 333250 278
500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 333 333 570 570 570 500
832 667 667 667 722 667 667 722 778 389 500 667 611 889 722 722
611 722 667 556 611 722 667 889 667 611 611 333 278 333 570 500
333 500 500 444 500 444 333 500 556 278 278 500 278 778 556 500
500 500 389 389 278 556 444 667 500 444 389 348 220 348 570 778
500 778 333 500 500 1000 500 500 333 1000 556 333 944 778 611 778
778 333 333 500 500 350 500 1000 333 1000 389 333 722 778 389 611
250 389 500 500 500 500 220 500 33 37 47 266 500 606 33 37 47 500
400 549 300 300 333 576 500 250 333 300 300 500 750 750 750 500
667 667 667 667 667 667 944 667 667 667 667 667 389 389 389 389
722 722 722 722 722 722 722 570 722 722 722 722 722 611 611 500
500 500 500 500 500 500 722 444 444 444 444 444 278 278 278 278
500 556 500 500 500 500 500 549 500 556 556 556 556 444 500 444
]
endobj

19 0 объект
>
поток

.

Калькулятор мощности ветряных турбин

Ветряная турбина: Мощность | Номинальная мощность | Доходность | Вращение | величина

Anzeige

Позволяет рассчитать мощность ветряной турбины по размеру, скорости ветра и плотности воздуха. Радиус — это длина лопасти ротора. Скорость ветра относится к одному моменту времени, а не к средней скорости. Плотность воздуха, которая представляет собой массу воздуха в помещении, зависит от давления, температуры и влажности воздуха. 1,2 — хорошее среднее значение на уровне моря (калькулятор плотности воздуха на немецком языке: Luftdichte).Коэффициент полезного действия показывает, какая часть ветра, проходящего через область, охватываемую лопастями ротора, преобразуется в электрическую энергию. Теоретический максимум КПД составляет 16/27, соответственно 59,26%.
Введите четыре значения и выберите нужные единицы. Будет рассчитано пятое значение. Формула для расчета электрической мощности: P = π / 2 * r² * v³ * ρ * η, один ватт рассчитывается как 1 Вт = 1 кг * м² / с³.

Пример: морская ветряная турбина радиусом 80 метров при скорости ветра 15 метров в секунду имеет мощность 16.3 мегаватта, если плотность воздуха и КПД имеют указанные значения.

Самым важным фактором для высокой мощности является скорость ветра, которая учитывается при вычислении мощности до трех. Радиус, соответственно длина лопасти ротора, входит в расчет в квадрате, потому что учитывается площадь, через которую дует ветер. Плотность воздуха тем выше, чем выше давление воздуха (чем ниже положение над уровнем моря), тем холоднее и суше воздух. Форма, количество и ориентация лопастей ротора влияют на коэффициент полезного действия.

Anzeige

Трехлопастный ветряк радиусом 58 метров.

Калькулятор энергии ветра © jumk.de Веб-проекты | Выходные данные и конфиденциальность | Немецкий: Windkraft-Rechner

Калькуляторы для возобновляемых источников энергии: Фотогальваника | Ветроэнергетика | Гидроэнергетика

Инвестиции в возобновляемые источники энергии: устойчивые акции или акции

Anzeige

.

Научная причина, почему ветровые турбины имеют 3 лопасти

Люди веками использовали энергию ветра. Ветер был важным источником энергии на протяжении всей истории человечества — от парусных лодок до ветряных мельниц.

В последние годы энергия ветра приобрела большую популярность как эффективная и экологически безопасная альтернатива ископаемым видам топлива. Ветряные фермы начали усеивать береговые линии и горные вершины по всему миру, и теперь вы, вероятно, заметили их особый дизайн.

Так почему же у ветряных турбин три лопасти, а не меньше или больше? Ответ кроется в технике, лежащей в основе ветроэнергетики, и в том, как максимально увеличить выход энергии.Чтобы эффективно производить как можно больше электроэнергии, нужно учесть многое.

The Scientific Reason Why Wind Turbines Have 3 Blades Источник: Jeanne Menjoulet / Flickr

Как работают ветряные турбины?: История ветроэнергетики и наука, лежащая в основе этого

Ветровые турбины, вырабатывающие электричество, старше, чем некоторые могут подумать. Первая такая турбина была изобретена в 1888 году Чарльзом Ф. Брашем. Он имел замечательные 144 деревянных лопасти и мог генерировать мощность 12 киловатт.

Вплоть до середины 1930-х годов многие сельские дома в Америке зависели от энергии ветра как единственного источника электричества.Турбины были доступным и экономичным способом питания удаленных мест, которые иначе не обслуживались основными линиями электропередачи.

После расширения линий электропередачи по всей территории Соединенных Штатов Америки ветряные турбины в сельской местности практически прекратили свое существование, и энергия ветра ушла в прошлое. Лишь в последние десятилетия наблюдается возрождение интереса к энергии ветра как к дешевой альтернативе другим формам производства энергии.

Принципы производства энергии ветра сегодня так же просты, как и в 19 веке.Ветер — это просто движущийся воздух, а там, где есть движение, есть кинетическая энергия.

Ветровые турбины предназначены для создания препятствия для этой кинетической энергии, замедления ее и преобразования в электрическую энергию. Это препятствие представляет собой лопасти турбин, которые специально разработаны для выработки максимального количества энергии.

Тем не менее, конструкция и использование лопаток турбины — это тонкая наука, которая зависит от ряда факторов, таких как аэродинамика и сопротивление воздуха.

The Scientific Reason Why Wind Turbines Have 3 Blades Источник: Андрес Франки Угарт / Wikimedia Commons

Проектирование лопастей турбины: скорость, аэродинамика и скорость звука

При проектировании лопастей ветряной турбины учитывается ряд факторов. Пожалуй, самый важный фактор — это аэродинамика.

Аэродинамика относится к свойствам твердого объекта и воздуха вокруг него, взаимодействующего с ним. С учетом этого, лопасти ветряной турбины похожи на крылья самолета.

Задняя часть лопасти изогнута больше, чем передняя, ​​так же, как крыло самолета изгибается вверх на конце.Эта разнообразная форма вызывает перепад давления, когда воздух движется по лопасти, что и заставляет лопасти двигаться.

Из-за того, что лезвие заблокировано, воздух движется за лезвием с большей скоростью, чем перед ним. Это то, что приводит в движение вращение лопастей и запускает процесс выработки электроэнергии.

Однако, чтобы лопасти двигались ветром, этого недостаточно. Инженеры должны учитывать скорость и сопротивление при проектировании лопастей, чтобы обеспечить высочайший уровень эффективности.

Например, если слишком большое сопротивление создается препятствием лопастей, выходная мощность будет намного ниже. Если создается недостаточное сопротивление, лопасти могут двигаться слишком быстро, в результате чего они преодолевают звуковой барьер.

Одно из самых больших преимуществ ветряных турбин — их бесшумность. Если они преодолеют звуковой барьер, это может привести к тому, что жители вблизи предлагаемых ветряных электростанций с большей вероятностью будут противиться установке турбин.

The Scientific Reason Why Wind Turbines Have 3 Blades Источник: Ad-liftra / Wikimedia Commons

Выбор идеального количества лопастей

В целом большинство ветряных турбин стандартно работают с тремя лопастями.Решение сконструировать турбины с тремя лопастями на самом деле было чем-то вроде компромисса.

Из-за меньшего сопротивления одна лопасть была бы оптимальным числом, когда дело доходит до выхода энергии. Однако одна лопасть может вызвать разбалансировку турбины, и это не практический выбор для обеспечения устойчивости турбины.

Точно так же два лезвия обеспечат больший выход энергии, чем три, но будут иметь свои проблемы. Двухлопастные ветряные турбины более подвержены явлению, известному как гироскопическая прецессия, что приводит к колебаниям.Естественно, это колебание создаст дополнительные проблемы со стабильностью турбины в целом. Это также вызовет нагрузку на составные части турбины, что приведет к ее износу со временем и постепенному снижению эффективности.

Любое количество лопастей, большее трех, создаст большее сопротивление ветру, замедлит выработку электричества и, таким образом, станет менее эффективным, чем трехлопастная турбина.

По этим причинам турбины, спроектированные с тремя лопастями, являются идеальным компромиссом между высоким выходом энергии и большей стабильностью и долговечностью самой турбины.

The Scientific Reason Why Wind Turbines Have 3 Blades Источник: Ionna22 / Wikimedia Commons

Будущее ветряных турбин: не может быть лопастей лучше трех?

Несмотря на то, что трехлопастные турбины стали стандартной моделью производства чистой энергии в последние годы, это не означает, что они всегда будут ими. Инженеры все еще работают над более совершенными и эффективными конструкциями для будущего производства энергии.

Одна из наиболее популярных предлагаемых конструкций — безлопастная турбина. Хотя это может показаться противоречащим сопротивлению, необходимому для преобразования энергии ветра в электричество, на самом деле создание турбины без лопастей дает ряд преимуществ.

Одно из преимуществ — стоимость и обслуживание. Современные турбины в своей работе подвергаются большим нагрузкам. Они могут совершать до двадцати вращений в минуту и ​​развивать скорость 180 миль в час (289 км / ч), что приводит к огромной силе. Помимо эрозии, которой они подвергаются в неблагоприятных погодных условиях на море, легко понять, почему качество лопаток турбины со временем значительно ухудшается.

The Scientific Reason Why Wind Turbines Have 3 Blades

Такие компании, как Vortex Bladeless, создали прототип безлопастных турбин, которые фактически используют гироскопическое движение для выработки энергии ветра.Производство их конструкции потенциально может стоить до 50% меньше, чем у традиционных турбин, и не будет так сильно ухудшаться со временем.

Хотя трехлопастные турбины, безусловно, являются наиболее эффективным решением на данный момент, это может быть не всегда. До тех пор, пока безлопастные турбины не станут нормой, мы должны благодарить эффективность трехлопастных турбин за подавляющее большинство нашего производства энергии ветра.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *