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:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Многофункциональная платформа Intrinsyc Open-Q 660 16.10.2017 Компания Intrinsyc Technologies представила платформу Open-Q 660 для разработчиков, проектирующих смартфоны и фаблеты на процессорах Qualcomm. Анонсированное решение выполнено в формате Mini-ITX: размеры составляют 170 х 170 мм. Основой платы является процессор Snapdragon 660, который содержит восемь вычислительных ядер Kryo 260 - квартеты с тактовой частотой до 1,8 и 2,2 ГГц. За обработку графики отвечает встроенный контроллер Adreno 512. Заявлена поддержка камер с разрешением до 24 млн пикселей; кроме того, может применяться сдвоенная камера с разрешением до 16 млн пикселей. В состав платформы Open-Q 660 входят 6 Гбайт оперативной памяти LPDDR4x и флеш-модуль eMMC 5.1 вместимостью 64 Гбайт. Дополнительно можно установить карту формата microSD. Решение обеспечивает поддержку беспроводной связи Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac (2,4 / 5 ГГц) и Bluetooth 5.x + BLE, спутниковой навигации GPS/ГЛОНАСС, интерфейсов USB Type-C, USB 2.0, Micor-USB, I2S, SPI, GPIO и пр. Опционально плата может комплектоваться сенсорным дисплеем AMOLED размером 5,7 дюйма по диагонали. Разрешение этой панели равно 1920 х 1080 точек (формат Full HD). Кроме того, заказчикам будет доступен дополнительный модуль со сдвоенной основой камерой на базе 13-мегапиксельных сенсоров Samsung S5K3M2 и фронтальной камерой с 8-мегапиксельным сенсором OmniVision OV8856. Платформа совместима с операционной системой Andriod 7 Nougat. Пробные поставки Open-Q 660 начнутся в конце октября; цена - от 999 долларов США.

Другие интересные новости:

▪ Откуда слух

▪ Автомобиль поймет, что водитель разговаривает по мобильному телефону

▪ Прочитан геном тополя

▪ MSP-EXP430FR6989 - расширенная отладочная плата для MSP430 с FRAM

▪ Микрофлора кишечника влияет на наше здоровье и настроение

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Радио - начинающим. Подборка статей

▪ статья Разве я лежу на розах? Крылатое выражение

▪ статья Почему королева Виктория дала одной из коров на ферме при дворе имя своей дочери? Подробный ответ

▪ статья Лавровишня аптечная. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Таблица быстрого перевода dBm в вольты и ватты на нагрузке 50 Ом. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Зависимое включение электроприборов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025