Простой грубый расчет ветрогенератора для домашнего мастера
Заголовок не совсем точен - эта статья, скорее, введение в понимание работы ветряка и на что следует обратить внимание в первую очередь при желании самостоятельно его изготовить.
Статья взята с сайта http://e-veterok.ru
Там достаточно много интересной информации, но она сильно "разбросана". Попытаюсь здесь собрать наиболее интересные заметки оттуда.
--------------------
Часто приходится видеть в интернете готовые самодельные ветрогенераторы, которые совсем не оправдали надежды своих создателей. А все потому что при их создании люди руководствовались лишь внешним сходством понравившегося типа ветрогенератора, не применяли никаких расчетов и делали все на глазок, так, как им казалось правильно. В этой статье я не буду приводить формул, я попытаюсь донести общую картину принципов работы ветрогенератора для начинающих, а далее на возникшие вопросы есть ответы в других моих статьях.
Между тем, ветрогенераторы давно и полностью изучены, выведены все формулы, расчеты и программы для проектирования ветроустановки от и до. Многие люди пытаясь что-то понять натыкаются на кучу формул и естественно сначала ничего не понимают, поэтому пренебрегают изучением теории и сразу переходят к практике, и только потом начинают разбираться, почему так мало мощности и т.д. А многие и не пытаются что-то изучать, так-как насмотрятся роликов в интернете и думают что все легко и просто.
Но ветрогенератор, не важно какого типа и размеров, это целый комплекс элементов, от параметров которых зависят характеристики законченного ветрогенератора. Конечно самая важная часть ветрогенератора это генератор, от его параметров зависят размеры всех остальных элементов.
Дляя горизонтальных ветрогенераторов расчеты правильнее проводить под имеющийся генератор. То-есть, под уже имеющийся генератор подгоняется ветроколесо, рама и все остальные элементы. Но и сам генератор нужен более-менее подходящий для ветрогенератора.
Для вертикальных ветрогенераторов проще наоборот, сначала рассчитать размеры ротора, и уже после подбирать подходящий генератор по оборотам и мощности.
О лопастях горизонтального ветряка
Для горизонтальных винтов ветрогенераторов есть такое понятие как быстроходность винта. Быстроходность это отношение скорости кончика лопасти к скорости ветра. Обычно трехлопастные винты имеют быстроходность Z5. Чем больше лопастей, тем меньше быстроходность так-как лопасти при вращении попадают в турбулентный поток, созданный впереди идущими лопастями, и тормозятся теряя обороты и мощность.
Еще один значимый фактор - это заполнение ометаемой площади винта лопастями - чем больше лопастей и чем они шире, тем меньше за единицу времени они пропускают через себя ветра. Ветер просто не успевает проваливаться сквозь лопасти и образуется воздушная подушка перед винтом, о которую тормозятся новые порции ветра, из-за этого винт получает уже приостановленный ветер потерявший часть энергии, который частично отражается от воздушной подушки и уходил в сторону. Поэтому КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) многолопастных ветрогенераторов значительно меньше чем у двух-трехлопастных. Так-же на быстроходность влияет и ширина лопастей, чем они уже, тем меньше их сопротивление потоку воздуха по ходу вращения.
Так-же хочу отметить что на мощность абсолютно не влияет количество лопастей. Когда обороты ветроколеса маленькие, то лопасти за единицу времени успевают отнять энергию у меньшего количества ветра и тут мощность можно поднять количеством лопастей, но обороты при этом не поднимутся, а наоборот, чем больше лопастей тем меньше будут обороты. Когда лопастей всего две-три, то им ничто не мешает раскручиваться до больших оборотов, и они за единицу времени проходят больший путь и отнимают энергию у большего количества ветра. То-есть, например, мощность будет одинаковая если три лопасти за секунду сделают 1 оборот, или 1лопасть сделает три оборота за секунду. Мощность одинаковая на валу, но обороты в три раза выше у одной лопасти в сравнении с тремя лопастями. Так-же если сравнить например классические 3 лопасти и 6 лопастей, или 12.
Так-же на быстроходность влияет и угол установки лопастей относительно набегающего потока ветра. Если говорить попросту, то максимальная тяга лопасти будет при установке лопасти под углом 45градусов. Но это справедливо если лопасть стоит и не вращается. Когда лопасть начинает вращаться, то реальный угол набегания ветра изменяется. Представьте что вы сидите в машине, а на улице идет снег или дождь, ветер дует вам в бок и снежинки бьют в боковое стекло, но как только вы начнете движение ветер будет дуть уже не в бок и снег бивший вам в боковое стекло бьет под углом уже и в лобовое стекло, а если скорость еще увеличить, то снег будет бить уже прямо в лобовое стекло.
Так и с лопастью, когда она вращается, то реальный угол набегания ветра на нее изменяется, и тот угол 45 градусов, под которым установлена лопасть, при движении лопасти изменяется. Если изменяется угол, то изменятся и тяга лопасти, падает мощность, и когда угол между набегающим ветром и углом установки лопасти сравняются, то лопасть больше не сможет набирать обороты и ее мощность упадет до нуля.
Также понятно, что лопасть по своей длине имеет разную быстроходность, например, если скорость кончика лопасти Z5, то-есть он вращается со скоростью в 5 раз больше скорости ветра, то середина лопасти вращается с в два раза меньшей скоростью, значит быстроходность в середине лопасти равна Z2,5. Это значит что поток ветра набегает на лопасть под разными углами, и чтобы лопасть имела максимальную тягу по всей свей длине, ей нужна правильная крутка.
Если проанализировать крутку лопастей заводских ветрогенераторов с быстроходностью Z5, то можно увидеть некоторую закономерность, так например кончик лопастей имеет угол около 3-4 градуса, середина лопасти около 12 градусов, а у корня угол около 24 градуса. Эти углы можно применять для создания самодельных лопастей с хорошим КИЭВ. Но правильнее рассчитывать лопасти конкретно под генератор, чтобы генератор был оптимально нагружен в большом диапазоне оборотов винта.
Как известно, зависимость мощности ветра от его скорости кубическая, это значит что при увеличении скорости ветра в два раза, мощность ветра увеличится в 8 раз. Поэтому и генератор должен быть с такой-же кривой роста мощности что и винт, чтобы от ветра забирать максимум и при этом не перегрузить винт и не давать винту пойти в разнос при сильном ветре.
Ротор вертикального ветряка
Ротор вертикальных ветрогенераторов типа "Бочка", в отличие от пропеллеров, не может иметь быстроходность выше скорости ветра, и быстроходность концов лопастей может быть максимум Z1. Это связано с тем, что лопасти здесь проваливаются под давлением, а не выдавливаются ветром как в пропеллере, и следовательно, чем быстрей ветер, тем быстрей лопасть поворачивает ветром. Но когда ротор имеет максимальную скорость вращения, мощность вся уходит на это вращение. Максимальная мощность будет на валу ротора примерно при вдвое меньшей скорости вращения концов ротора относительно скорости ветра.
Так-же, так-как площадь ротора большая, то на нем сразу-же образуется воздушная подушка набегающим ветром, и новые порции ветра набегая тормозятся о нее теряя часть энергии и частично отражаясь от нее в стороны. Именно этот фактор и снижает КИЭВ вертикального ветрогенератора, так-как из-за образования этой воздушной подушки набегающий ветер теряет на ней до трети мощности, особенно на высоких скоростях, плюс сопротивление возвращающихся лопастей добавляет сопротивление и общая мощность очень низкая для вертикальных ветрогенераторов типа "Бочка". Реальный КИЭВ обычно равен 10-20% использования энергии ветра.
Для примера вот небольшой расчет ротора вертикального ветряка.
Например, диаметр ротора 1м, значит длинна окружности ротора равна 3.14м, это значит что при скорости 3.14м/с ротор сделает 1оборот. То-есть при ветре 3.14м/с скорость вращения ротора будет 60об/м, но мощность на валу будет близка к нулю. Стоит чуть нагрузить ротор как тут-же присядут обороты. Максимальная мощность будет при примерно вдвое меньшей скорости вращения. Значит на ветре 3.14м/с максимальная мощность ротора будет при 30об/м. Если диаметр ротора 2 метра сделать, то максимальная мощность будет при 15об/м на этом ветре. С оборотами я думаю понятно.
Теперь посчитаем, какую мощность можно снять при этих оборотах. У нас, к примеру, ротор диаметром 1м и высотой 1м. Площадь ротора, значит, равна 1м^2. Так-как на роторе образуется воздушная подушка, то не все 100% энергии ветра приходятся на ротор. Этот коэффициент принято брать 0,6. Тогда по известной формуле 0,6*1*3,14*3,14*3,14=18,5 ватт. Ротор получит на ветре 3.14м/с 18.5 ватт, но еще нужно учесть КПД мультипликатора и генератора, другие потери в подшипниках и провалах, тогда смело можно делить мощность на 2 и реально можно увидеть только около 9Вт. Но, так-как зависимость мощности ветра от скорости кубическая, то при 6,28м/с мощность будет уже не 9Вт, а примерно72 Вт.С ветроколесами я думаю понятно, для понимания расчета ветроколес можно прочитать другие статьи в разделе "Расчеты ВГ".
Теперь немного про генераторы.
Понятно что кривая мощности генератора должна хотя-бы примерно совпадать с кривой мощности винта. Но генераторов очень много видов и типов и что лучше тут спорный вопрос.
Первое что попадается в интернете это дисковый генератор на постоянных магнитах. Его преимущество в том, что он легко делается в домашних условиях, не имеет магнитного залипания и лопасти стартуют гораздо раньше чем на традиционные ветрогенераторы с генераторами из ЭТС. Но есть и минусы, первое это то, что магнитов надо на генератор в два раза больше, так-как катушки не имеют сердечников. И второе, это точный расчет, из-за ошибок в расчете генератор будет мизерной мощности или не тех характеристик, что от него требуется.
Но все типы описывать не буду, я уже описал эти моменты в других статьях, поэтому пока все.
Источник:
http://e-veterok.ru/osnovy_izgotovleniya_vetrogeneratora.php