Расчет ветроколеса. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Основной частью ветроустановки, является ветроколесо. Посредством его кинетическая энергия ветра преобразовывается в энергию механическую.

Напомним ветроколеса делятся на две группы - с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Мы будем рассматривать ветроколесо с горизонтальной осью вращения. Оно может иметь одну или несколько лопастей, которые устанавливаются под некоторым углом к плоскости вращения.

Ветроколесо может быть быстроходным или тихоходным. В зависимости от диаметра и количества лопастей обороты ветроколеса при одной и той же скорости ветра будут разные. Этот показатель называется быстроходностью ветроколеса и определяется отношением окружной скорости конца лопасти к скорости ветра:

Z = L * W / 60 / V,

где: W - частота вращения ветроколеса (об/мин.); V - скорость ветра (м/с); L - длина окружности (м).

Но первоначально мы не знаем частоту оборотов ветроколеса, которые зависят от его исполнения. При прохождении воздуха через лопасти, остается "возмущенный" след, который тормозит вращение ветроколеса. И поэтому, чем лопастей больше, тем быстроходность становится меньше. Для того, чтобы ориентировочно рассчитать обороты ветроколеса, возьмем за основу быстроходность (Z). установленную практическим путем для ветроколес с разным количеством лопастей:

• 1 - лопастное ветроколесо Z = 9,0;
• 2 - лопастное ветроколесо Z = 7,0;
• 3 - лопастное ветроколесо Z = 5,0;
• 6 -лопастное ветроколесо Z = 3,0;
• 12 -лопастное ветроколесо Z = 1,2.

По приведенной ниже формуле рассчитаем обороты ветроколеса:

W = V / L * Z * 60.

От исполнения ветроколеса зависят результаты работы всей конструкции и безопасная эксплуатация установки.

Многолопастные конструкции - низкооборотитые и, следовательно, центробежные и гироскопические силы значительно меньше, чем у высокоскоростных. Учитывая то, что технологии изготовления ветроколес в любительских условиях оставляют желать лучшего, рекомендуют многолопастные ветроколеса с количеством лопастей не менее пяти - такие конструкции не так критичны к погрешностям балансировки, не требовательны к аэродинамическому исполнению профиля лопасти и с успехом могут применятся вогнутые лопатки.

Установка лопаток

Если разместить лист фанеры под углом к набегающему потоку воздуха, то максимальная подъемная сила при одинаковой скорости воздуха будет при угле установки равной 45°. По мере уменьшения или увеличения угла, будет уменьшаться и подъемная сила, а сопротивление потоку будет, соответственно, уменьшаться или увеличиваться. Поэтому возьмем за отправную точку угол в 45°. Но дня того, чтобы ветроколесо максимально эффективно использовало энергию ветра и не имело зон торможения - колесо должно иметь изогнутую форму: чем дальше от оси вращения находится элемент лопасти, тем меньший угол установки требуется

Шаг винта

Одним из показателей для расчета лопасти является шаг винта - расстояние, на которое переместится масса воздуха за один оборот, если представить эту массу воздуха в виде гайки диаметр которой равон 2R, а угол подъема резьбы равен углу между хордой взятого сечения и плоскостью вращения винта. Шаг винта определяется по формуле:

H = 2πR*tgα,

где: Н = шаг выделенного сечения (м.); R = радиус сечения (м.); α = угол установки сечения (град.).

Угол установки сечения лопастей ветроколеса определим по преобразованной формуле:

α (угол установки) = Arctg (H/2πR).

Пример расчета крутки лопасти

Шаг лопасти = 1 метр, диаметр ветроколеса = 3 метра.

При данных установках в идеале, без учета сопротивления ветроколеса, при скорости ветра 3 м/с ветроколесо должно сделать 3 оборота в секунду или 3*60 = 180 об/мин.

Но это в идеале. На самом деле, на скорость врашения ветроколеса влияют турбулентность потока от предыдущей лопасти, трение, создаваемое самими лопастями, реакция генератора в зависимости от приложенной электрической нагрузки. И в реальности обороты ветроколеса будут стремится к расчетным показателям, но фактически окажутся значительно ниже.

Мощность ветрового потока

Следующий показатель при расчете ветроколеса, это мощность ветрового потока, проходящего через площадь ометания ветроколеса. Вычисляют ее достаточно точно по общепринятой методике:

Р = 0,5 * Q * S * V³,

где Р - мощность (Вт); Q - плотность воздуха (1,23 кг/ м3); S - площадь ометания ротора (м:);  V - скорость ветра (м/с).

Так как стопроцентного преобразования одного вида энергии в другую невозможно, то начнем вычитать потери. Ветроколесо имеет определенный коэффициент использования (преобразования) энергии ветра. Максимальное значение теоретического использования энергии ветра у идеальных быстроходных крыльчатых ветроколес равно 0,593. Для лучших образцов быстроходных ветроколес с аэродинамическим профилем этот показатель составляет от 0,42 до 0,46. Для многолопастных тихоходных ветроколес этот показатель колеблется от 0,27 до 0,35 в зависимости от качества исполнения и в расчетах обозначается символом Ср. Для согласования оборотов тихоходного ветроколеса и генератора необходимо использовать повышающий редуктор и его КПД колеблется от 0,7 до 0,9 в зависимости от коэффициента передачи и исполнения.

Преобразовывая механическую энергию в электрическую, также несем потери. Поэтому отражаем их в КПД генератора Ng от 0,6 (для автотракторных генераторов с обмоткой возбуждения) до 0,8 (для генераторов с возбуждением от постоянных магнитов).

Р = 0,5 * Q * S * V3 * Ср * Ng * Nb,

где Р - мощность (Вт); Q - плотность воздуха (1,23 кг/ м3); S - площадь ометания ротора (м2); V - скорость ветра, (м/с); CP - коэффициент использования энергии ветра (0,35 хороший конструктив); Ng - КПД генератора (автомобильного 0,6, на постоянных магнитах 0,8); Nb - КПД повышающего редуктора (0,7-0,9).

Подставим данные для 6-лопастного 3-метрового ветроколеса и узнаем, какую мощность можно получить на ветроустановке с генератором на постоянных магнитах и редуктором, имеющим КПД = 0.9 при средней скорости 5 м/с:

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

При этом обороты ветроколеса составят.

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

Остается подобрать передаточное число редуктора в зависимости от оборотов генератора.

Автор: Евгений Бойко

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Хорошо управляемые луга могут компенсировать выбросы от скота 15.02.2026

Животноводство, особенно разведение крупного рогатого скота, часто обвиняют в значительном вкладе в глобальное потепление из-за мощного парникового газа - метана, который выделяется при пищеварении у жвачных животных. Это вызывает острые политические споры и призывы к сокращению потребления мяса. Однако ученые напоминают, что полная картина климатического воздействия отрасли не ограничивается только выбросами от животных: огромную роль играет окружающая экосистема - пастбища, почва и растительность, которые способны активно поглощать углекислый газ из атмосферы. Исследователи из Университета Небраски-Линкольна решили глубже изучить этот баланс. Группа под руководством профессора Галена Эриксона сосредоточилась на том, как правильно организованные пастбища накапливают углерод в растениях и грунте благодаря естественным процессам, стимулируемым выпасом скота. Ученые подчеркивают, что при достаточном уровне осадков и грамотном управлении такие луга превращаются в мощные природные погло ...>>

NASA тестирует инновационную технологию крыла 15.02.2026

Коммерческая авиация ежегодно расходует колоссальные объемы керосина, что сказывается не только на бюджете авиакомпаний, но и на состоянии окружающей среды. В 2024 году глобальные затраты на авиационное топливо достигли 291 миллиарда долларов, и эта сумма продолжает расти. Чтобы справиться с этими вызовами, NASA активно работает над технологиями, способными заметно повысить аэродинамическую эффективность самолетов. Одним из самых перспективных направлений стало создание специальной конструкции крыла, которая максимизирует естественный ламинарный поток воздуха и минимизирует сопротивление. В январе 2026 года специалисты NASA Armstrong Flight Research Center успешно провели важный этап наземных испытаний концепции Crossflow Attenuated Natural Laminar Flow (CATNLF). Для эксперимента под фюзеляж исследовательского самолета F-15B закрепили вертикально ориентированную масштабную модель высотой около 0,9 м (3 фута), напоминающую узкий киль. Такая компоновка позволила подвергнуть прототип р ...>>

Забота о внуках очень полезна для здоровья мозга 14.02.2026

Общение между поколениями приносит радость всей семье, но мало кто задумывается, насколько активно бабушки и дедушки, заботящиеся о внуках, поддерживают свою умственную форму. Регулярное взаимодействие с детьми стимулирует мозг пожилых людей, помогая сохранять память, скорость мышления и общую когнитивную активность. Новые научные данные подтверждают, что такая добровольная помощь не только важна для общества, но и может замедлять возрастные изменения в мозге. Исследователи из Тилбургского университета в Нидерландах провели анализ, чтобы понять, приносит ли уход за внуками реальную пользу здоровью пожилых людей. Ведущий автор работы Флавия Черечес отметила, что многие бабушки и дедушки регулярно присматривают за детьми, и оставался открытым вопрос, насколько это положительно сказывается на их собственном благополучии, особенно в плане когнитивных функций. Ученые поставили цель выяснить, способен ли регулярный уход за внуками замедлить снижение памяти и других умственных способ ...>>

Случайная новость из Архива Игровой монитор ViewSonic VX25G26 25.06.2025 Компания ViewSonic провела презентацию своего нового игрового монитора VX25G26. Модель оснащена 24,5-дюймовой IPS-матрицей с разрешением 2560 х 1440 пикселей. Это обеспечивает плотность изображения на уровне 120 точек на дюйм, что делает картинку более четкой и насыщенной. Время отклика составляет всего 1 миллисекунду (GTG), что особенно важно в динамичных играх, где задержка даже на долю секунды может повлиять на результат. Монитор поддерживает технологию HDR с максимальной яркостью 450 нит, что позволяет добиться хорошей контрастности даже при ярком внешнем освещении. Цветовой охват охватывает 100% пространства sRGB и 90% DCI-P3, делая его подходящим и для работы с цветом. Разработчики особое внимание уделили зрительному комфорту. Аппаратное снижение уровня синего света помогает защитить зрение, снижая нагрузку на глаза, особенно при длительных игровых сессиях. При этом цветопередача остается естественной. Кроме того, используется технология DC Dimming, устраняющая мерцание подсветки, что снижает утомляемость при длительном использовании. С точки зрения подключения, ViewSonic VX25G26 оборудован двумя HDMI 2.1 и двумя DisplayPort 1.4. Через HDMI доступно обновление экрана до 144 Гц, а при подключении через DisplayPort частота может достигать впечатляющих 250 Гц в режиме разгона, что оценят поклонники шутеров и киберспортивных дисциплин. Встроенный блок питания избавляет от лишних проводов и делает рабочее пространство более аккуратным. Дизайн модели также продуман: тонкие рамки с трех сторон делают изображение визуально более широким и подходят для мультиэкранных конфигураций. Металлическая подставка устойчива и не занимает много места на столе. Навигация по экранному меню осуществляется с помощью удобного джойстика, расположенного сзади. Там же находится декоративная RGB-подсветка в форме литеры "G", придающая устройству характерный геймерский акцент. Стоимость новинки - $153.

Другие интересные новости:

▪ Названа новая высота Эвереста

▪ Бактерии тоже курят

▪ Печать еды из сверчков и моркови

▪ Стекло из углекислого газа

▪ Дожди приходят из космоса

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электрические счетчики. Подборка статей

▪ статья Райнер Мария Рильке. Знаменитые афоризмы

▪ статья Когда был снят первый 3D-фильм? Подробный ответ

▪ статья Капитальный и текущий ремонт скважин. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Тепловые насосы для теплоснабжения индивидуальных домов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Разрезанная косынка. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026