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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Фотокамера Pentax Q 23.08.2011 Фотоподразделение Pentax, приобретенное недавно компанией Ricoh, выпустило самую маленькую компактную камеру со сменными объективами Pentax Q. По габаритам устройство не отличается от "цифромыльниц", при этом обладает металлическим корпусом, выдвижной вспышкой, 12,4-мегапиксельным CMOS-сенсором с диагональю 1/2,3" и 3-дюймовым ЖК-дисплеем с разрешением 460 тыс. пикселей. Вес аппарата всего 200 грамм. Pentax 0 способен записывать видео 1080р с частотой 30 кадров/с, снимать в формате RAW и режиме HDR, а также оснащен системой стабилизации изображения. Ожидаемая цена Pentax Q около $800.

Другие интересные новости:

▪ ISL43640 - мультиплексор-демультиплексор 4:1

▪ Квантовый компьютер для бедных

▪ Мобильный телефон для навигационных систем

▪ Из воздуха в камень

▪ Очистка воды ржавчиной

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Альтернативные источники энергии. Подборка статей

▪ статья Основы социальной работы. Шпаргалка

▪ статья Как Зевс наказал людей за кражу Прометеем огня? Подробный ответ

▪ статья Хедхантер. Должностная инструкция

▪ статья Техника разводки печатных плат. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Способ восстановления постоянных магнитов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026