4.  Преобразование энергии ветра в электричество.


    4.3.1  Ветрогенератор «с нуля».


  Любая лопасть ветряка будет работать. Был бы угол атаки. Работать будет все: деревянные лопасти, пластиковые, пустотелые, пластинчатые, флюгирующие, с изменяемым шагом и без него,  и так далее. Вопрос стоит только в эффективности.

  Для турбин с горизонтальным ротором, ветряное колесо с эффективностью меньше 10%  сделать так же тяжело, как с эффективностью более 30%. В обоих случаях придется прибегнуть к серьезным расчетам.

 

  Не знаю как Вы, а я делаю ветро генераторы, точнее их модели или прототипы. Не так что бы это было «по работе» или хобби. Это интересно. Они разные, и как правило, не самые эффективные. Но они работают, и некоторые из них – годами.  Единственное, чего я не делаю, это ветроустановки с вертикальным ротором. Будучи в 8-м классе, я сделал модель такого ротора из картона, чертежной бумаги и клея ПВА, повесил на нитках в проеме окна, устроил сквозняк и ...  Нет. Не так что бы он вообще не вращался. Но старый вентилятор, (были такие, с резиновыми лопастями), вращался значительно бодрее.
  Я не против установок с вертикальным ротором. Даже с учетом того, что работает только половина ротора, а оставшаяся вносит двойные потери от трения о воздух. Но что бы применять такую конструкцию нужно иметь очень веские причины и много. Поэтому – только с горизонтальным ротором.

    «Прикидываем» размеры ветроколеса.


    Сделать ветрогенератор – не проблема. Схема такая.
 1.  Измеряем, с помощью анемометра скорость ветра (в течении недели) и, параллельно ищем какой–нибудь генератор ( генератор от автомобиля, двигатель постоянного тока от плеера, видеомагнитофона, из компрессора для подкачки шин, шаговый двигатель от флоппи диска и так далее).
 2.  Крутим предполагаемый генератор с помощью электродрели, или чего ни будь еще, и выясняем какую мощность от него можно получить и при каких оборотах. Допустим это 50 Ватт, при 2000 об/мин (33 об/сек).
 3.  Ветроколесо делает около 5 оборотов в секунду. Поэтому придется позаботится о редукторе 5/33 или 1 : 6,6 .
 4.  Мощность и скорость ветра дадут нам диаметр ветроколеса. Допустим, средний ветер 10 м/с. Он переносит 615 Ватт на метр квадратный, на 10% из которых, мы можем рассчитывать (61,5 Ватт на метр площади ветроколеса).
 5.  Мощность, которую мы можем получить с генератора  – 50 Ватт. Значит потребуется ветроколесо с площадью 50 Ватт / 61,5 Ватт/м.кв. =  0,81 м.кв. (около 1-го метра в диаметре).

  Это была «стартовая идея». Дальше начинаем пересчитывать на меньшую / большую мощность,  на большую / меньшую площадь  ротора, или для более слабого ветра, который бывает чаше. К примеру, для 5 м/с (76,9 Ватт на метр квадратный потока) площадь ветроколеса должна быть уже 6,5 метров квадратных (2,9 метра в диаметре).


  Упрощаем. Используем аксиому: Мощность ветрового потока, которую можно конвертировать в электроэнергию – около 10 процентов. Средняя угловая скорость ветроколеса, нагруженного генератором – 3-5 оборотов в секунду.


    Делаем экспериментальный ветрогенератор.


  Теория – это всегда хорошо. Но практика, в данном случае, значительно важнее. Поэтому придется сделать простой ветрогенератор.

  На фото – простейший ветрогенератор для экспериментов, в котором утилизирован хлам, валяющийся по дому. От него, уже сейчас, можно заряжать мобильный телефон, но посмотрим из чего он состоит.

  1.Генератор (шаговый двигатель от дисковода 5,25).
  2.Воздушный винт диаметром 0,8 м. (см. фото ниже)
  3.Деревянная планка 1*1см.
  4.Узел поворота (двигатель от дисковода 3,5).
  5.Выпрямитель из 4 диодов и конденсатора.
  6.Штатив для фотоаппарата.
  7.Задний стабилизатор.

  Не надо делать все «очень надежно», собирать на болтах, и рассчитывать на скорости ветра до 100 км/час. Вся эта конструкция ДОЛЖНА развалится на части, раз 10, за время экспериментов. Причины самые разные, но результат именно таков. Но мы отвлеклись.
  Время изготовить простой воздушный винт. В данном случае, в качестве материалов выбраны планка от воздушного змея и кусок пластикового жалюзи, которое обычно на окнах. Склеив это вместе, с помощью термоклея,  должно получиться что то подобное.


  Угол наклона лопасти к плоскости вращения от 30 до 45 градусов. Он одинаков по всей длине лопасти. И самое главное. Вес этого винта – 30 грамм. (при диаметре 0,8 метра!). То есть, тщательной балансировкой можете не заниматься.


    Что дальше?

  Дальше проще. Необходимо сделать лопасть, соединить все вместе и наблюдать за тем, как это работает, в реальных условиях. Вы будете удивлены, но это работает не так как Вы думаете.


    Прежде всего лопасти.

  Крепление на термоклее имеет огромное преимущество. После 90 градусов Цельсия этот клей размягчается и Вы можете легко поменять угол наклона лопасти. При желании можно сделать лопасть с переменным углом атаки. В этом случае, ближе к центру он будет больше (20 – 60 град), а на окончании лопасти меньше (около 5 град.). Лопасти с переменным углом (от радиуса) предпочтительнее. Они меньше шумят и скорее крутятся.

    Возможно, Вы сделаете следующие выводы.
 *Первый вывод, который Вы сделаете. Скорость вращения ветроколеса мало засвистит от качества изготовления лопастей. В большей степени она зависит от скорости ветра и диаметра ветроколеса («ометаемой» площади).
 *Второй вывод. Лопасти с переменным углом атаки работают лучше.
 *Третий вывод. Объемные лопасти (с сечением «типа» самолетного крыла), работают лучше, чем тонкие (плоские или выгнутые).
 *Четвертый вывод – центральная часть ветроколеса (0,1 – 0.2 м от центра) вообще не работает. Ни при каких режимах. Она практически не участвует в пусковом моменте.

    Кориолисов(о) ускорение или гироскопический эффект.

  Понаблюдав за ветроколесом, Вы сделаете неожиданный вывод. Когда хвостовой стабилизатор поворачивает ветрогенератор на новое направление ветра, с воздушным винтом начинают происходить непонятные вещи. Он изгибается в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения. При чем, если верхняя часть винта отклоняется в сторону откуда дует ветер, то нижняя – в противоположную сторону (в сторону мачты). И наоборот. Зависит от направления, в котором поворачивается ось ветроколеса и от направления вращения самого ветроколеса.

  С этим эффектом у меня связана одна старая история. Очень давно, мы сделали флюгирующий ветряк с двумя соосными колесами, вращающимися в разные стороны. Не так, что бы это было сильно необходимо или выгодно с точки зрения аэродинамики. Просто решили поэкспериментировать. Положительная сторона заключалась в том, что вал генератора можно раскрутить до скорости в 1,2 раза большей, чем с одним колесом. Два ветроколеса диаметром около метра с расстоянии около 30 см, продули в аэродинамической щели, регулярно возникающей в промежутке между двумя учебными корпусами и поехали устанавливать. В общем, при реальном ветре, все это проработало не больше минуты. Я еще не успел спуститься, а сверху что то сделало «чмяк» и лопасти, как кусочки бумаги, уже летели по ветру. Конечно, понятно почему. Ветровые колеса, вращающиеся в разные стороны изгибаются гироскопическим моментом, в разные стороны. При резком изменении ветра, ветряк повернулся и ветровые колеса быстро «выбрали» разделяющие 30 см. Было не смешно, но очень поучительно.

  Последнее, совсем не означает, что ветрогенератор с соосными колесами невозможен. Он очень даже хорошо работает, и имеет преимущества, которые нельзя получить в других схемах. Только конструкция должна быть немного другая. Фотографии рабочей модели такого ветряка будут показаны на следующих страницах.

  Гироскопический момент есть всегда. Он может быть больше или меньше и зависит от того, как быстро мы поворачиваем ось вращения ветроколеса. Силы, которые при этом возникают очень внушительные. Школьный эксперимент с вращающимся велосипедным колесом – тому подтверждение. При повороте что то должно изгибаться. К примеру лопасти винта. Если их сделать очень жесткими, то будет изгибаться вал, на котором вращается ветроколесо. Если и его сделать очень жестким, то будет изгибаться мачта, на которой установлен ветряк. Последнее, часто можно наблюдать в жизни, когда мачта угрожающе «кивает» вперед и назад, даже при слабом ветре.


Продолжение.



18.11.2011  SKootS

_

 
 
Make a Free Website with Yola.