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:

Вкусовые пристрастия формируются еще в утробе 30.05.2026

Предпочтения человека к еде закладываются задолго до первого прикорма. Современная наука подтверждает, что ребенок начинает знакомиться с ароматами и вкусами пищи еще до рождения, через околоплодные воды. Новое международное исследование показало, что регулярное потребление определенных продуктов беременной женщиной может формировать долгосрочные пищевые предпочтения у ребенка, сохраняющиеся даже спустя годы после появления на свет. Ученые из университетов Великобритании, Франции и Нидерландов провели эксперимент с участием беременных женщин. Одной группе будущих мам давали капсулы с порошком капусты кейл, другой - с порошком моркови. Реакцию детей на эти запахи проверяли в три этапа: сначала в утробе матери с помощью 4D-УЗИ на поздних сроках беременности, затем в возрасте трех месяцев и, наконец, когда детям исполнилось три года. Результаты оказались весьма убедительными. Дети женщин, принимавших порошок кейла, положительно реагировали на запах этой капусты, но негативно - на ар ...>>

Монитор Philips 24B2D5300 с двумя экранами 120 Гц 30.05.2026

Компания Philips разработала интересное устройство, которое решает эту задачу элегантно и технологично. Новый монитор 24B2D5300 оснащен сразу двумя полноценными экранами - один спереди, другой сзади. Такая конструкция особенно востребована в банках, на рецепциях, в медицинских центрах и коворкингах, где важна прозрачность взаимодействия. Обе панели монитора представляют собой IPS-матрицы с диагональю 23,8 дюйма и разрешением Full HD (1920x1080 пикселей). Каждая из них поддерживает частоту обновления 120 Гц, что пока остается редкостью для бизнес-ориентированных моделей. Высокая частота обновления обеспечивает плавное изображение даже при динамичном контенте, делая работу за монитором более комфортной и презентации - более качественными. Пользователи могут выбирать между двумя основными режимами работы: дублирование одного и того же изображения на оба экрана или использование дисплеев как полностью независимых. Благодаря этому сотрудник может видеть на своей стороне рабочую информ ...>>

Цыплята из искусственного яйца, напечатанного на 3D-принтере 29.05.2026

Компания Colossal Biosciences, известная своими амбициозными инициативами по "воскрешению" вымерших животных, достигла важного прорыва. Специалистам удалось вырастить цыплят из полностью искусственного яйца, созданного с помощью 3D-печати. Эта технология рассматривается как значительный шаг на пути к возможному возрождению одного из самых впечатляющих представителей исчезнувшей фауны - гигантского моа. Южноостровной гигантский моа (Dinornis robustus) был одной из самых высоких птиц в истории Земли. Самки этого нелетающего родственника страусов могли вырастать выше двух метров и дотягиваться до пищи на высоте до 3,6 метра. Эти гиганты обитали в Новой Зеландии, однако полностью исчезли примерно в XV веке после активной охоты со стороны первых поселенцев-маори. Теперь Colossal Biosciences пытается вернуть подобных птиц в современный мир с помощью передовых биоинженерных решений. Искусственное яйцо, разработанное компанией, состоит из титановой решетчатой оболочки, изготовленной на 3 ...>>

Случайная новость из Архива Портативная стыковочная станция Iogear GUD3C02 04.05.2017 Ассортимент компании Iogear пополнила портативная стыковочная станция USB-C Ultra-Slim Dual Display Docking Station with Power Delivery (GUD3C02), рассчитанная на подключение к порту USB-C. По подсчетам производителя, док Iogear GUD3C02 позволяет подключить к ноутбуку до десяти периферийных устройств, таких как клавиатура, мышь, монитор, внешний накопитель или принтер. Для этого есть три порта USB 3.0 Type-A, один из которых поддерживает быструю зарядку; слоты для карт SD, MMC и microSD; порт Gigabit Ethernet; видеовыходы HDMI (с поддержкой 4K), mini-DisplayPort (тоже с поддержкой 4K) и VGA, а также вход и выход аналогового звукового сигнала. Порт USB-C, используемый для подключения ноутбука, можно использовать для его зарядки. Максимальная потребляемая мощность - 60 Вт. Цена GUD3C02 примерно равна $130. Продажи уже начались.

Другие интересные новости:

▪ Твердотельный накопитель PNY CS900 960 Гбайт

▪ Развитие резистентности к антибиотикам

▪ Атомы платины окисляют угарный газ при комнатной температуре

▪ Кардиопринтер

▪ Искусственный чернозем

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Домашняя мастерская. Подборка статей

▪ статья Марк Твен. Знаменитые афоризмы

▪ статья Во время какой войны США были единственной дружественной России державой? Подробный ответ

▪ статья Инженер-технолог. Должностная инструкция

▪ статья Электротехническое оборудование микро гидроэлектростанций. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Сверхрегенеративный приемник на 144 МГц. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

[an error occurred while processing this directive] Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026