Розрахунок вітроколеса

Основною частиною вітроустановки, є вітроколесо. За допомогою його перетворюється кінетична енергія вітру, в енергію механічну.

Діляться вітроколеса на дві групи:
1 - з горизонтальною віссю обертання-
2 - з вертикальною віссю обертання.

Ми поки будемо розглядати ветроколесо з горизонтальною віссю обертання. Воно може мати одну або багато лопатей, які встановлюються під деяким кутом до площини обертання вітроколеса. Вітроколесо може бути швидкохідним або тихохідним. Залежно від діаметра і кількості лопатей обертів вітроколеса при одній і тій же швидкості вітру будуть різні. Цей показник називається швидкохідністю вітроколеса і визначається відношенням окружної швидкості кінця лопаті до швидкості вітру.

Z = L * W / 60 / V

Відео: Вітрогенератор Лексс 2кВт. Вітряк високоефективний

де:
W-частота обертання вітроколеса (об / хв.)
V - швидкість вітру (м / с.)
L - довжина кола (м.)
Z - швидкохідні конструкції вітроколеса.

Але так як спочатку ми не знаємо частоту оборотів вітроколеса, які залежать від його виконання. При проходженні повітря через лопаті, залишається обурений слід який гальмує обертання вітроколеса. І тому чим лопатей більше, тим швидкохідні стає менше. Тому, щоб орієнтовно розрахувати обороти вітроколеса, візьмемо за основу швидкохідні (Z), встановлену практичним шляхом для ветроколес з різною кількістю лопатей

1 лопатеве вітроколесо Z = 9,0
2 лопатеве вітроколесо Z = 7,0
3 лопатеве вітроколесо Z = 5,0
6 лопатеве вітроколесо Z = 3,0
12 лопатеве вітроколесо Z = 1,2

І за наведеною нижче формулою розрахуємо обертів вітроколеса.

W = V / L * Z * 60

Від виконання вітроколеса залежать: результати роботи всієї конструкції і безпечна експлуатація установки.

Як видно з таблиці багатолопатеву конструкції, низькообертовим, і отже відцентрові і гіроскопічні сили значно менше ніж у високошвидкісних. З огляду на те, що технології виготовлення ветроколес в аматорських умовах залишають бажати кращого, і не тому, що умільці нездатні виготовити шедеври, а тому, що дотримуючись всі критерії в домашніх умовах дані конструкції будуть золотими. Візьму на себе сміливість рекомендувати багатолопатеву вітроколеса з кількістю лопатей не менше 5. Такі конструкції не так критичні до погрішностей балансування. Вони не вимогливі до аеродинамічному виконання профілю лопаті і з успіхом можуть застосовуватися увігнуті лопатки.

Але як встановити ці лопатки? Давайте розглянемо це питання.

Якщо наприклад розмістити простий лист фанери під кутом до набігаючого потоку повітря то максимальна підйомна сила при однаковій швидкості повітря буде при куті установки рівною 45 градусам. У міру зменшення або збільшення установки кута, буде зменшаться і підйомна сила, а опір потоку буде зменшуватися або збільшуватися відповідно. Тому візьмемо за відправну точку - кут в 45 градусів. Але чим далі від осі обертання знаходиться елемент лопаті, тим менше кут установки фізично повинен бути для цього елементу встановлено. Це видно на малюнку. Обсяг повітря обмежений по довжині повинен пройти через площу вітроколеса.

За рахунок кутової швидкості, перетину, на різних радіусах лопаті, що б пройти свій шлях з однаковою ефективністю, в обсязі повітря, і не створювати гальмування повинні мати різний кут установки. І чим далі від осі обертання, тим кут стає менше.

Натисніть на картинку для її збільшення

Одним з показників для розрахунку лопаті є крок гвинта. На малюнку показаний крок для одного з поперечних перерізів лопаті, віддалених від осі гвинта на відстань R.

Іншими словами можна сказати, що крок даного перетину є відстань, на яку переміститься маса повітря за один оборот, якщо уявити цю масу повітря в вигляді гайки діаметр якої дорівнює 2R, а кут підйому різьби дорівнює куту між хордою взятого перетину і площиною обертання гвинта. Крок гвинта визначається за формулою:

H = 2ПR * tg a

де:
H = крок виділеного перетину (м.) -
R = радіус перетину (м.) -
a = кут установки перетину (град.)

Кут установки перетину лопатей вітроколеса визначимо за перетвореною формулою:

a (кут установки) = Arctg (H / 2ПR)

Приклад розрахунку крутки лопаті:
крок лопаті = 1 метр,
діаметр вітроколеса = 3.1 метра

При даних установках, в ідеалі без урахування опору вітроколеса, при швидкості вітру 3 м / с вітроколесо має зробити 3 обороту в секунду або 3 * 60 = 180 об / хв.

Але це в ідеалі. Насправді, на швидкість обертання вітроколеса впливають турбулентність потоку від попередньої лопаті, тертя створюються самими лопатами, реакція генератора в залежності від прикладеної електричного навантаження. І в реальності обертів вітроколеса будуть прагне до розрахункових показників, але фактично виявляться значно нижче.

Наступний показник при розрахунку вітроколеса, це потужність вітрового потоку що проходить через площу ометанія вітроколеса. Обчислюють її досить точно за загально прийнятою методикою:

Відео: Генератор

P = 0,5 * Q * S * V³

P - потужність (Вт) -
Q - щільність повітря (1,23 кг / м³) -
S - площа ометанія ротора (м² ) -
V - швидкість вітру (м / с);

Але так як сто відсоткового перетворення одного виду енергії в іншу не можливо, то почнемо віднімати втрати. Вітроколесо має певний коефіцієнт використання (перетворення) енергії вітру. Максимальне значення теоретичного використання енергії вітру у ідеальних швидкохідних крильчатих ветроколес одно 0,593. Для кращих зразків швидкохідних вітроколіс з аеродинамічним профілем цей показник становить від 0,42 до 0,46. Для вбагатолопатеву тихохідних вітроколіс цей показник коливається від 0,27 до 0,35 в залежності від якості виконання і в розрахунках позначається символом Cp. Для узгодження оборотів тихохідного вітроколеса і генератора необхідно використовувати підвищувальний редуктор і його КПДколеблется від 0,7 до 0,9 в залежності від коефіцієнта передачі і виконання.

Перетворюючи механічну енергію в електричну, також зазнаємо втрат. Тому відображаємо їх в ККД генератора Ng від 0,6 (для автотракторних генераторів з обмоткою збудження) до 0,8 (для генераторів з порушенням від постійних магнітів).

P = 0,5 * Q * S * V³ * Cp * Ng * Nb -

P - потужність (Вт) -
Q - щільність повітря (1,23 кг / м³) -
S - площа ометанія ротора (м² ) -
V - швидкість вітру, (м / с) -
CP - коефіцієнт використання енергії вітру (0,35 хороший конструктив) -
Ng - ККД генератора (автомобільного 0,6, на постійних магнітах 0,8) -
Nb - ККД редуктора (0,7 - 0,9).

Підставами дані для 6-ти лопастного 3 метрового вітроколеса і дізнаємося, яку потужність можна отримати на вітроустановці з генератором на постійних магнітах і редуктором мають ККД = 0.9 при середній швидкості 5 м / с .:

P = 0,5 * 1,23 * (3,14 * (1,5 * 1,5)) * (5 * 5 * 5) * 0,35 * 0,8 * 0,9 = 136 Вт.

При цьому обороти вітроколеса складуть:

W = V / L * Z * 60 = 5 / 9,42 * 3 * 60 = 95,5 об / хв.

Відео: Генератор для вітряка з тракторного генератора

Залишається підібрати передавальне число редуктора в залежності від оборотів генератора.

Завантажити розрахунок вітроколеса можна тут: розрахунок ветроустановкі.xls

Підставте в поля жовтого кольору змінні відповідні даним критеріям. І в першому наближенні побачите можливий результат. Остаточний розрахунок виводиться з урахуванням реактивного опору вітроколеса під навантаженням.

Електрика з вітру. Зміст.