Расчет вертикального ветряка: Расчет вертикального ветряка для начинающих — magazinakb.ru

Содержание

Расчет вертикального ветряка для начинающих

Расчет вертикального ветряка по сути ни чем не отличается от расчета обычного горизонтального. Но в расчете есть свои особенности так-как вертикальные ветряки типа «Бочка» работают не за счет подъемной силы, а за счет давления ветра на лопасти. Далее я приведу пример расчета ветряка в общих чертах. Расчет хоть и довольно точный, но он дает общее представление о мощности ветрогенератора, но не учитываются многие факторы, которые могут значительно влиять на реальный результат.

Самодельный вертикальный ветрогенератор

Для примера фото вертикального ветряка типа «Бочка» К примеру мы хотим сделать ветрогенератор типа «Бочка» размером по ширине 2 метра, и высотой 3 метра. Количество лопастей не имеет особого значения, и скажем у нас 4 полукруглых лопасти. Для начала нам нужно узнать сколько энергии мы вообще можем получить с этого ротора.

Для расчета есть простая формула:

P=0.3— Скорость ветра в кубе м/с

0.6 — это скорость ветра. Ветер движущийся в пространстве принимается за единицу, но ветер при подходе к любому препятствию теряет свою скорость и мощность. Так-как потери в скорости нам не известны, то будем брать 0.6, это с учетом того что ветер потеряет скорость на 33%.

Дополнительно формула расчета площади круга S=πr2, где

π— 3,14

r— радиус окружности в квадрате

Вообще вертикальные ветряки подобно рекламным щитам ветер тормозят очень сильно, и перед препятствием образуется воздушная подушка, натыкаясь на которую новые порции ветра расходятся по сторонам и 30-40% энергии ветра уходит не принимая участия в давлении на лопасти. По-этому общий КПД, или по правильному КИЭВ ветроколеса у вертикальных ветряков достаточно низкий и составляет всего 10-20% от энергии ветра.

Из анализа самодельных вертикальных ветряков КИЭВ в основном 10% всего, но мы-же оптимисты, по-этому я буду брать КИЭВ 0.2, хотя здесь еще не учитывается КПД генератора и трансмиссии.

Далее по формуле подставляя данные для этого ветроколеса получается что:

0.6*6*2*2*2*0.2=5,76 ватт при 2м/с

0.6*6*3*3*3*0.2=19,44 ватт при 3м/с

0.6*6*4*4*4*0.2=46,08 ватт при 4м/с

0.6*6*5*5*5*0.2=90 ватт при 5м/с

0.6*6*7*7*7*0.2=246 ватт при 7м/с

0.6*6*10*10*10*0.2=720 ватт при 10м/с

Теперь понятно на что способен данный ротор. Далее нам нужно подогнать генератор к этому ротору чтобы генератор смог вырабатывать максимально возможную мощность, которая имеется на роторе, и при этом не перегружать ротор — чтобы он мог вращаться и его обороты сильно не падали. Иначе толку не будет, выработка энергии сильно упадет. Чтобы подогнать генератор нам нужно узнать обороты ветроколеса на каждой скорости ветра.

В отличие от горизонтальных ветряков, где скорость вращения кончиков лопастей обычно в 5 раз быстрее скорости ветра, вертикальный ветрогенератор не может вращаться быстрее скорости ветра. Это связано с тем что тут ветер просто толкает лопасть, и она начинает двигаться с потоком проходящего ветра. А горизонтальный винт работает за счет подъемной силы, которая образуется у тыльной части лопасти, и она выдавливает лопасть вперед, и тут обороты ограничиваются только аэродинамическими свойствами лопасти и подъемной силой.

Вдаваться в подробности не будем, и вернемся к нашему ветроколесу. Чтобы высчитать обороты ротора размером 2*3 метра, где ширина ротора 2 метра, нужно узнать длину окружности ротора. 2*3,14=6.28 метра, то-есть за один оборот кончик лопасти проходит путь в 6.28 метра. Это значит что в идеале полный оборот ротор сделает за проходящий поток ветра длинной 6.28 метра. Но так-как энергия тратится на вращение, на трансмиссию, да еще и на вращение генератора — который нагружен аккумулятором, то обороты упадут в среднем в два раза. И того полный оборот ротор сделает за 12 метров потока ветра.

Тогда получается так, если ветер 3м/с, то при этом ветре за секунду ротор сделает 0,4 оборота, а за 4 секунды полный оборот. А за минуту при ветре 3м/с будет 60:4=15об/м.

При 3м/с 12:3=4, 60:4=15об/м

При 4м/с будет 12:4=3, 60:3=20об/м.

При ветре 5м/с 12:5=2.4, 60:2.4=25об/м.

При 7м/с 12:7=1.71, 60:1,71=35об/м

При 10м/с 12:10=1.2, 60:1.2=50об/м

С оборотами ветроколеса я думаю теперь понятно, и они известны. Чем больше в диаметре ветроколесо, тем меньше его обороты относительно скорости ветра. Так к примеру ветроколесо диаметром 1 метр будет крутится в два раза быстрее чем ветроколесо 2м в диаметре.

Теперь нужен генератор, который на этих оборотах должен вырабатывать мощность не более чем может выдать ветроколесо. А если генератор будет мощнее, то он перегрузит ротор, и тот не сможет раскрутится до своих оборотов, и в итоге обороты будут низкие и общая мощность. При ветре 3м/с у нас 15 об/м, и мощность ветроколеса 19 ватт, вот нужно чтобы генератор нагружал ротор не более 19ватт. Это с учетом КПД редуктора (если он имеется) и КПД самого генератора. КПД редуктора и генератора обычно не известны, но на них тоже значительные потери, и в общем на этом теряется 20-50% энергии, и на выходе на аккумулятор уже поступает всего 50%, это в нашем случае 10ватт примерно.

Если генератор перегрузит ветроколесо, то его обороты не выйдут на номинальные, и будут значительно ниже скорости ветра. От этого упадут обороты генератора и его мощность. Плюс еще значительно медленные по скорости лопасти относительно ветра, будут его сильно тормозить и ветер будет разбегаться в стороны, в итоге мощность ветроколеса упадет еще больше. Так со слишком мощным генератором энергии на аккумулятор будет в разы меньше чем могло бы быть. Или наоборот, когда генератор слишком слабый и при 15об/м ветроколеса не может на полную нагрузить ветроколесо, то то-же получается что мы берем гораздо меньше энергии от возможной.

В итоге генератор должен соответствовать по мощности ветроколесу, только так мы можем снять максимально возможную мощность ветроколеса. Это можно сказать самая сложная задача так-как генератор может абсолютно разных характеристик напряжения и тока к оборотам. Чтобы подобрать генератор его нужно покрутить на аккумулятор и измерить отдаваемую энергию, или просчитать по формулам. А далее уже пробовать подгонять к ветроколесу.

К примеру у вашего генератора при 300об/м 1Ампет на АКБ 14вольт, это примерно 14ватт, а ветроколесо выдает 19ватт при 15об/м. Значит мультипликатор нужен 1:20 чтобы генератор крутился при этом на 300об/м. При 5м/с обороты ветроколеса 25об/м, а генератор значит будет вращаться со скоростью 500об/м. Мощность ветроколеса у нас при этом всего 90ватт, а генератор превышает по мощности и дает 200ватт. Так не пойдет ветроколесо просто будет медленно вращаться и свои 90ватт не выдаст — а 200ватт тем-более. Выход — или жертвовать началом зарядки и делать редуктор 1:15, или увеличивать по высоте ветроколесо в два раза чтобы ветроколесо потянуло генератор.

Так нужно чтобы генератор соответствовал по мощности и оборотам на всем диапазоне вращения ветроколеса. А если генератор не-дотягивает по мощности, то нужно или увеличивать передаточное число мультипликатора, или уменьшать ротор чтобы добиться баланса между оборотами и мощностью ветроколеса и генератора. Часто люди вообще без всяких расчетов ставят генераторы от чего найдут, и строят ветроколесо насмотревшись видео с ютюба, а в итоге получается что ветрогенератор не работает на малом ветру и по мощности просто мизер совсем.

Расчет ветрогенератора — методика самостоятельного расчета мощности вертикального ветрогенератора

Ветрогенераторы как источник электроэнергии не так давно завоевали популярность у жителей загородных участков. Перед установкой необходимо сделать расчет ветрогенератора для своей местности. Этот экологически чистый прибор для выработки электричества бывает двух видов:

с горизонтальной осью
с вертикальной осью

Последние более эффективны и технологичны. Единственным минусом вертикальных ветрогенераторов является их высокая цена. Часто такие приборы окупаются в течение пятнадцати лет. Поэтому ветрогенераторы используют как дополнительный источник энергии. Установить их можно своими руками.

Как выбрать ветрогенератор

Если грамотно подойти к вопросу покупки вертикального ветрогенератора, можно увеличить его производительность и сократить срок окупаемости. Сначала следует рассмотреть разные виды вертикальных ветрогенераторов:

ортогональные генераторы, которые не нуждаются в направляющих механизмах. Они имеют несколько лопастей параллельно основной оси. Работа такого генератора не зависит от направления ветра

ветрогенераторы с ротором Дарье. Они имеют две-три лопасти на плоском винте. Главное достоинство конструкции в том, что ее можно монтировать на уровне земли
генераторы с ротором Савониуса. Они очень эффективны, так как работа винта может быть проведена на низких скоростях, что существенно снижает расход аккумулятора
устройства с большим количеством лопастей на оси. Это более усовершенствованная версия ортогонального прибора. Они очень эффективны, но и цены на них ощутимо выше
приборы с геликоидным ротором. Они также произошли от ортогонального прибора. Благодаря своей сложной технологии лопасти на оси оказывают небольшую нагрузку на катушку. Это повышает срок эксплуатации генератора. Но и на них цена очень высока

Самыми популярными ветрогенераторами являются ортогональные и с ротором Савониуса. Почти каждый ветрогенератор с вертикальной осью работает на неодимовых магнитах. Они достаточно эффективны, при этом стоимость не слишком высока. Чтобы не переплатить при выборе ветрогенератора, можно сделать правильные расчеты своими руками.

Что нужно рассчитать при выборе генератора

Когда вы решили приобрести такой полезный прибор, как ветрогенератор, нужно учитывать следующие параметры:

мощность ветрогенератора на неодимовых магнитах. Если в вашей местности нет сильных ветров, вам нужен генератор с маленькой мощностью
направление ветра. Если ветра часто меняют направление, вам подойдет только вертикальный ветрогенератор с подвижными лопастями
марка. От производителя напрямую зависит цена прибора. Следует помнить, что импортный товар всегда дороже российских аналогов

Конечно, в первую очередь нужно высчитать мощность.

Как сделать расчет ветрогенератора самостоятельно

Чтобы рассчитать мощность ветрогенератора для вашей местности, воспользуйтесь специальными формулами. Сначала нужно рассчитать количество энергии, которую сможет выработать генератор в течение года в вашей местности. Для этого нужно выполнить ряд действий:

произвести расчет. На основе результатов будут выбраны длина лопастей и высота башни
провести анализ скорости ветра в вашей местности. Это можно сделать своими руками с помощью специального прибора, наблюдая за ветром несколько месяцев, или запросить результаты с местной метеостанции

Методика расчета мощности ветреного потока своими руками подразумевает использование формулы — P*= krV 3S/2, [В т]. В этой формуле используются следующие обозначения:

r — плотность воздуха, которая при нормальных условиях составляет 1,225 кг/м3
V — скорость потока в м/с
S — площадь потока в квадратных метрах
k — коэффициент эффективности турбины ветрогенератора в значении 0,2-0,5

С помощью этих расчетов вы сможете выявить подходящую мощность для вашей местности. На упаковке ветрогенератора указано, при каком потоке ветра его работа эффективнее всего. Как правило, это значение находится в промежутке 7-11 м/с.

Ветрогенераторы (от ортогонального до Савониуса) являются оптимальным источником дополнительной или основной электроэнергии в частном доме. Если вы сделаете правильный расчет ветрогенератора своими руками, то сможете приобрести подходящий под вашу местность агрегат.

реальная мощность самодельного ветряка и ветроколеса

Важный нюанс при покупке ветряка

Прежде чем приобрести или изготовить ветрогенератор, необходимо определиться с его мощностью, собственной потребностью в энергии и прочих параметрах устройства. Это принципиально важно при покупке ветряка, так как цены настолько велики, что приходится покупать устройство, которое пользователь сможет осилить по финансам. В некоторых случаях возможности оказываются настолько низкими, что приобретение уже не имеет смысла.

Расчет мощности ветрогенератора

Самостоятельное изготовление ветряка также нуждается в предварительном расчете. Никому не хочется потратить время и материалы на изготовление неведомо чего, хочется иметь представление о возможностях и предполагаемой мощности установки заранее. Практика показывает, что ожидания и реальность между собой соотносятся слабо, установки, созданные на основе приблизительных прикидок или предположений, не подкрепленных точным расчетами, выдают слабые результаты.

Произвести точный расчет с учетом всех факторов, воздействующих на ветряк, достаточно сложно. Для неподготовленных в теоретическом отношении мастеров такой расчет слишком сложен, он требует обладания множеством данных, недоступных без специальных измерений или расчетов.

Поэтому обычно используются упрощенные способы расчетов, дающие достаточно близкие к истине результаты и не требующие использования большого количества данных.

Как произвести?

Для расчета ветрогенератора надо произвести следующие действия:

определить потребность дома в электроэнергии. Для этого необходимо подсчитать суммарную мощность всех приборов, аппаратуры, освещения и прочих потребителей. Полученная сумма покажет величину энергии, необходимой для питания дома
полученное значение необходимо увеличить на 15-20 %, чтобы иметь некоторый запас мощности на всякий случай. В том, что этот запас нужен, сомневаться не следует. Наоборот, он может оказаться недостаточным, хотя, чаще всего, энергия будет использоваться не полностью
зная необходимую мощность, можно прикинуть, какой генератор может быть использован или изготовлен для решения поставленных задач. От возможностей генератора зависит конечный результат использования ветряка, если они не удовлетворяют потребностям дома, то придется либо менять устройство, либо строить дополнительный комплект
расчет ветроколеса. Собственно, этот момент и является самым сложным и спорным во всей процедуре. Используются формулы определения мощности потока

Для примера рассмотрим расчет простого варианта. Формула выглядит следующим образом:

P=k·R·V³·S/2

Где P — мощность потока.

K — коэффициент использования энергии ветра (величина, по своей сути близкая к КПД) принимается в пределах 0,2-0,5.

R — плотность воздуха. Имеет разные значения, для простоты примем равную 1,2 кг/м³.

V — скорость ветра.

S — площадь покрытия ветроколеса (покрываемая вращающимися лопастями).

Считаем: при радиусе ветроколеса 1 м и скорости ветра 4 м/с

P = 0,3 × 1,2 × 64 × 1,57= 36,2 Вт

Результат показывает, что мощность потока равняется 36 Вт. Этого очень мало, но и метровая крыльчатка слишком мала. На практике используются ветроколеса с размахом лопастей от 3-4 метров, иначе производительность будет слишком низкой.

Что нужно учитывать?

При расчете ветряка следует учитывать особенности конструкции ротора. Существуют крыльчатки с вертикальным и горизонтальным типом вращения, имеющие разную эффективность и производительность. Наиболее эффективными считаются горизонтальные конструкции, но они имеют потребности в высоких точках установки.

Сооружение мачты может обойтись в большую сумму денег и значительные вложения труда. Кроме того, обслуживание ветряка, расположенного на высоте около 10 м над поверхностью земли чрезвычайно сложно и опасно.

Не менее важным будет обеспечение достаточной мощности крыльчатки для вращения ротора генератора. Устройства с тугими роторами, позволяющие получать хороший выход энергии, требуют немалой мощности на валу, что может обеспечить только крыльчатка с большой площадью и диаметром лопастей.

Не менее важным моментом являются параметры источника вращения — ветра. Перед производством расчетов следует как можно подробнее узнать о силе и преобладающих направлениях ветра в данной местности. Учесть возможность ураганов или шквалистых порывов, узнать, с какой частотой они могут возникать. Неожиданное возрастание скорости потока опасно разрушением ветряка и выводом из строя преобразующей электроники.

Реальная мощность самодельного ветрогенератора

Особенностью самодельных устройств является использование подручных материалов и устройств. В таких условиях обеспечить полноценное соответствие проектным данным не всегда удается. При этом, разница в расчетных и реальных показателях может оказаться как отрицательной, так и положительной.

Величины, определяющие возможности комплекта, это мощность ветроколеса и генератора. Насколько они будут соответствовать друг другу, такая и общая мощность ветрогенератора будет получена в результате.

Например, если генератору для номинальной производительности требуется скорость вращения в 2000 об/мин, то никакое ветроколесо не сможет обеспечить нужные значения.

Поэтому прежде всего следует подбирать тихоходные образцы генераторов, способные на выработку больших количеств энергии при низких скоростях вращения. Для этого модернизируются готовые устройства (например, устанавливаются неодимовые магниты на ротор автомобильных генераторов), изготавливаются собственные конструкции на базе тех же неодимовых магнитов с заранее подсчитанной мощностью и производительностью.

Расчет параметров ветроколеса

Расчет ветроколеса имеет важное значение при создании ветрогенератора. Именно крыльчатка принимает на себя поток ветра, передает его энергию в виде вращательного движения на ротор генератора. Для расчета потребуется, прежде всего, знание параметров генератора — мощность, номинальная скорость вращения ротора и т.д.

Следует учитывать, что увеличение количества лопастей снижает скорость вращения, но увеличивает мощность вращательного движения. Соответственно, малое число лопастей надо применять на быстроходных генераторах, а большое количество —торах, нуждающихся в большом усилии вращения.

Формула быстроходности ветроколеса выглядит следующим образом:

Z = L × W / 60 / V,

Где Z — искомая величина (быстроходность),

L — длина окружности, описываемой лопастями.

W — частота (скорость) вращения крыльчатки.

V — скорость ветра.

Специалисты рекомендуют для самостоятельного изготовления выбирать многолопастные образцы с количеством лопастей от 5 штук. Они не требовательны к балансировке, имеют более стабильную аэродинамику и более активно принимают на себя энергию воздушного потока.

Сколько экономии энергии дает ветряк?

Величина экономии, полученной от использования ветрогенератора, рассчитывается по собственным данным. Она складывается, с одной стороны из расходов на приобретение и сборку ветряка или его деталей, расходов на обслуживание комплекта. С другой стороны, учитывается стоимость сетевой электроэнергии в данном регионе, либо цена подключения и прочие расходы, связанные с этим.

Разница полученных величин и будет являться величиной экономии. Необходимо учесть также отсутствие возможности для подключения в некоторых районах, когда ветрогенератор становится единственным доступным вариантом. В таких случаях разговор об экономии становится неуместным.

Сколько электроэнергии вырабатывает?

Количество вырабатываемой энергии зависит от параметров крыльчатки и собственно генератора. Максимально возможным количеством следует считать номинальные данные генератора, уменьшенные на величину КИЭВ крыльчатки. На практике показатели намного ниже, так как в получении результата большое значение имеет скорость ветра, которую невозможно заранее предсказать.

Кроме того, имеются различные тонкие эффекты, в сумме оказывающие заметное влияние на конечную производительность ветряка. Принципиально важными значениями являются диаметр крыльчатки и скорость ветра, от них напрямую зависит количество полученной энергии.

Минимальная скорость ветра для ветряка

Минимальная скорость ветра — в данном случае это величина, при которой лопасти ветряка начинают вращаться. Это значение показывает степень чувствительности крыльчатки, но на конечный результат влияет слабо. Генератор имеет собственные потребности, для него само по себе вращение еще не решает все вопросы.

Требуется определенная скорость и стабильность движения, отсутствие резких рывков. Рассматривать минимальную скорость вращения следует только с позиций общей эффективности рабочего колеса, позволяющей оценивать его способность обеспечить выработку энергии на слабых потоках.

Расчет выработки энергии ветрогенератором

Немало статей размещено в интернете, в том числе и на нашем сайте, о том, как рассчитать систему с солнечными батареями для конкретного дома, дачи, офиса или производственного здания. Нельзя не затронуть тему расчета системы содержащей ветрогенератор.

Тонкости расчета вырабатываемой энергии ветрогенератором

Ветрогенератор в автономной системе крайне полезен. По большей части тем, что его выработка не имеет ярко выраженной зависимости от сезонов. Солнечные батареи хорошо работают летом и плохо зимой, тогда как ветрогенераторы сохраняют свою эффективность в зимний период. Немало важно то, что сильные ветра, как правило, наблюдаются в пасмурную погоду, поэтому совместное применение ветрогенераторов и солнечных панелей достаточно обоснованно.

Основная проблема ветровых турбин заключается в том, что их эффективность мала при низких скоростях ветра. Если внимательно посмотреть на кривую зависимости мощности от скорости ветра, то можно обнаружить следующее: турбина только начнет вращаться при скорости ветра около 3метров в секунду и, более-менее ощутимая, выработка энергии начнется только при 7метрах в секунду.

Ветрогенераторы достаточно эффективны в прибрежных районах, либо на возвышенностях, где скорости ветра выше и ветра чаще. На большей части территории России средняя скорость ветра составляет 4-5метров в секунду, что создает неблагоприятные условия для применения ветрогенераторов. Но данные усреднены, поэтому следует изучить энерго-потенциал конкретной местности, если существует подозрение, что ветрогенератор может быть эффективен.

Для повышения эффективности работы ветровых электростанций применяют различные технические решения:

ветрогенератор размещают на высокой мачте. Приведем пример: если увеличить высоту мачты с 5 до 20метров, выработка увеличится в 2 раза;
применяют ветрогенераторы с вертикальным расположением лопастей. Вертикальные турбины более эффективны при слабых ветрах, а также менее шумные, тем не менее, их стоимость значительно выше горизонтальных;
применяют специальные контроллеры заряда, которые, при низкой скорости, ветра сначала дают лопастям раскрутиться, и только потом подключают нагрузку. В таком режиме ветрогенератор вырабатывает некоторое количество энергии, хоть и небольшое, при слабом ветре.

On-line калькулятор для расчета энергии «ветряка»

Перейдем теперь к методам расчета систем с ветряными электростанциями. Покупая устройство, вы будете знать его заявленную номинальную мощность, а также найдете в инструкции график зависимости мощности вырабатываемой «ветряком» от скорости ветра. Имея эти данные довольно сложно оценить количество вырабатываемой энергии, поэтому для дальнейших рассуждений нужно воспользоваться одной из специальных программ, учитывающих метеорологические данные в вашей местности. Мы предлагаем вам воспользоваться удобным сервисом — on-line калькулятор на нашем сайте. Программа учитывает местоположение установки, высоту мачты, а также рельеф местности. Если в электростанции имеются солнечные батареи, в калькуляторе можно произвести расчет для всей системы и получить данные и графики как суммарной, так и раздельной выработки энергии.

Рис.1. Расчет суточного потребления (нагрузки).

Рис.2. Подбор солнечных батарей и ветряка. Индивидуальные графики среднесуточной выработки.

Рис.3. Выгрузка графика среднесуточной выработки всех источников энергии.

Не стоит забывать о том, что программа никак не может брать в расчет влияние местных особенностей (предметов, деревьев, заграждающих зданий и т.п.), затеняющих солнечные батареи или вносящих турбулентности в поток воздуха, данные факторы следует учитывать отдельно.

Читать еще статьи…

Расчет вертикальных ветрогенераторов. Что такое вертикальные ветрогенераторы и как их сделать своими руками

с горизонтальной осью
с вертикальной осью

Как выбрать ветрогенератор

ортогональные генераторы, которые не нуждаются в направляющих механизмах. Они имеют несколько лопастей параллельно основной оси. Работа такого генератора не зависит от направления ветра
ветрогенераторы с ротором Дарье. Они имеют две-три лопасти на плоском винте. Главное достоинство конструкции в том, что ее можно монтировать на уровне земли
генераторы с ротором Савониуса. Они очень эффективны, так как работа винта может быть проведена на низких скоростях, что существенно снижает расход аккумулятора
устройства с большим количеством лопастей на оси. Это более усовершенствованная версия ортогонального прибора. Они очень эффективны, но и цены на них ощутимо выше
приборы с геликоидным ротором. Они также произошли от ортогонального прибора. Благодаря своей сложной технологии лопасти на оси оказывают небольшую нагрузку на катушку. Это повышает срок эксплуатации генератора. Но и на них цена очень высока

Что нужно рассчитать при выборе генератора

Когда вы решили приобрести такой полезный прибор, как ветрогенератор, нужно учитывать следующие параметры:

мощность ветрогенератора на неодимовых магнитах. Если в вашей местности нет сильных ветров, вам нужен генератор с маленькой мощностью
направление ветра. Если ветра часто меняют направление, вам подойдет только вертикальный ветрогенератор с подвижными лопастями
марка. От производителя напрямую зависит цена прибора. Следует помнить, что импортный товар всегда дороже российских аналогов

Как сделать расчет ветрогенератора самостоятельно

произвести расчет. На основе результатов будут выбраны длина лопастей и высота башни
провести анализ скорости ветра в вашей местности. Это можно сделать своими руками с помощью специального прибора, наблюдая за ветром несколько месяцев, или запросить результаты с местной метеостанции

Методика расчета мощности ветреного потока своими руками подразумевает использование формулы — P*= krV 3S/2, [В т] . В этой формуле используются следующие обозначения:

r — плотность воздуха, которая при нормальных условиях составляет 1,225 кг/м3
V — скорость потока в м/с
S — площадь потока в квадратных метрах
k — коэффициент эффективности турбины ветрогенератора в значении 0,2-0,5

Методика расчета мощности ветроколеса ветрогенератора относительно точная и довольно простая.

Ниже формула расчета мощности энергии ветра P=0.3- Скорость ветра в кубе м/с

Дополнительно формула расчета площади круга S=πr2 , где

R- радиус окружности в квадрате

К примеру если взять площадь винта 3кв.м. и посчитать мощность на ветре 10 м/с, то получится 0,6*3*10*10*10=1800ватт. Но это мощность ветрового потока, а винт заберет часть мощности, которая в теории может достигать 57%, но на практике для горизонтальных трехлопастных ветрогенераторов этот параметр 35-45%. А для вертикальных типа Савониус 15-25%.

Тогда в среднем для горизонтального трехлопастного винта коэффициент использования энергии ветра поставим 40% и посчитаем, 1800*0,4= 720 ватт. Винт заберет 720 ватт у ветра, но еще есть КПД генератора, который у генераторов на постоянных магнитах примерно 0,8 , а с электровозбуждением 0,6. Тогда 720*0,8=576 ватт.

Но на практике все может быть гораздо хуже, так-как генератор не во всех режимах работы имеет высокий КПД, так-же eсть потери в проводах, на диодном мосту, в контроллере, и в аккумуляторе. Поэтому можно скинуть смело еще 20% мощности и останется примерно 576-20%=640,8 ватт.

У вертикального ветрогенератора это параметр будет еще меньше так-как во-первых КИЭВ всего 20%, а так-же мультипликатор, КПД которого 70-90%. Тогда изначальные из 1800 ватт мощности ветра лопасти отнимут 1800*0,2=360ватт. Минус КПД генератора 0,8 и мультипликатора 0,8 равно 360*0,8*0,8=230,4ватт. И еще минус 20% на потери в проводах, диодном мосту, контроллере и АКБ., и останется 230,4-20%=183,6ватт.

Из реальной жизни практический расчет мощности ветрогенератора.

Эту формулу можно встретить на многих форумах и сайтах по ветрогенераторам. Для проверки формулы я хочу сравнить реальные данные двух ветрогенераторов небольшой мощности с почти одинаковыми по площади винтами, но один горизонтальный, а второй вертикальный.
На фото два реальных самодельных ветрогенератора, первый горизотальный трехлопастной с диаметром винта 1,5м., второй вертикальный шириной 1м высотой 1,8м. Не считая данные сразу напишу что мощность горизонтального на ветру 10м/с около 90 ватт, и вертикального 60ватт. КИЭВ первого так-как лопасти сделаны на глазок наверно 0,3 , а второго вертикального вроде хорошо сделанного 0,2.
Теперь вычислим площадь винта ометаемую ветром, для первого это 1,76м, для второго вертикального 1,8м.
Значит для горизонтального 0,6*1,76*10*10*10=1056*0,3*0,8-20%=202ватт.
Значит для вертикального 0,6*1,8*10*10*10=1080*0,2*0,8-20%=138ватт.
Получились вот такие теоретические данные, но зная реальные становится становится понятно что КИЭВ обоих ветрогенераторов и КПД их генераторов далек от хороших показателей. В таком случае для большинства самодельных генераторов, которые делаются на глазок без расчетов можно смело скидывать еще 50% и получить в итоге реальную ожидаемую мощность от ветроустановки с ветроколесом определенной площади.
Реальная мощность самодельного ветрогенератора.
Горизонтальный ветрогенератор мощностью 202ватт.-50%=101ватт, а реальных 90ватт.
Вертикальный ветрогенератор мощностью 138ватт.-50%=69ватт,а реальных 60ватт.
Уже продолжительное время интересуясь ветрогенераторами я сделал (может и ошибочный) вывод что большинство самодельных ветроустановок далеки от заводских аналогов. Только лишь с применением точных расчетов можно добиться высокого КПД всей ветроустановки и это удается не многим.
А с большинства самодельных ветрогенераторов можно при расчете мощности смело скидывать половину ожидаемой мощности и сразу делать ветрогенератор в два раза мощнее чем нужен, чтобы компенсировать все недочеты домашней сборки и применяемых материалов.
Популярные статьи:

Ветрогенератор в автономной системе очень нужен. По большей части тем, что его выработка не имеет ярко выраженной зависимости от сезонов. Солнечные батареи, в наших широтах, хорошо работают летом и плохо зимой, тогда как ветрогенераторы сохраняют свою эффективность в зимний период. Немало важно то, что сильные ветра, как правило, наблюдаются в пасмурную погоду, поэтому совместное применение ветрогенераторов и солнечных панелей достаточно обоснованно. В этой статье мы рассматриваем малые ветроэнергетические установки (ВЭУ) т.е. установки мощностью от 40 Вт до 20 кВт.

Ветрогенераторы достаточно эффективны в прибрежных районах, либо на возвышенностях, где скорости ветра выше и ветра чаще. На большей части территории России средняя скорость ветра составляет 4-5 метров в секунду, что создает неблагоприятные условия для применения ветрогенераторов (и это на высоте 10 м от поверхности земли, стандартная высота расположения анемометра на метеостанциях). Но данные усреднены, поэтому следует изучить энергопотенциал конкретной местности, если существует подозрение, что ветрогенератор может быть эффективен.
Основная проблема ветровых станций заключается в том, что их эффективность мала при низких скоростях ветра. Если внимательно посмотреть на кривую зависимости мощности от скорости ветра, то можно обнаружить следующее: стартовая скорость большинства современных ВЭУ располагаться в пределах 3 — 4 м/с. Но необходимо, чтоб ветровой поток продержался на этом уровне не наименее 10 мин, лишь тогда автоматика даст позволение на запуск ВЭУ. При этом более-менее ощутимая, выработка энергии начнется только при 7 метрах в секунду, а ВЭУ, трудящаяся при средней скорости 6 м/с, генерирует емкость на 44 % большую, чем при скорости 5 м/с…
Многие хотят уменьшить начальную скорость ветра при котором начинается вращаться турбина до 1-2 м/с — мол слабый ветер бывает всегда и пусть в аккумуляторы всегда что-то «капает». Однако, при такой скорости ветер имеет ОЧЕНЬ мало энергии. Если ветрогенератор и вся система рассчитаны на 3-5кВт, то 5-10 Вт не решат никаких проблем.
Перейдем теперь к методам расчета систем с ветряными электростанциями. Покупая устройство, вы будете знать его заявленную номинальную мощность, а также найдете в инструкции график зависимости мощности вырабатываемой «ветряком» от скорости ветра.
Из формулы P=(η*КИЭВ* ρ*V 3 *π*D 2)/8 видно, что мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра и квадрату диаметра колеса турбины. Это означает, что при увеличении скорости ветра вдвое, мощность потока возрастет в 8 раз, а при увеличении длины лопастей вдвое, мощность ветрогенератора возрастет в 4 раза.
В таблице приведены величины мощности ветровой турбины, в зависимости от скорости ветра и диаметра колеса турбины. Коэффициент эффективности турбины k = 0,25.
V м/с 3 4 5 6 7 8 9 10 11
P Вт d = 1м 3 8 15 27 42 63 90 122 143
P Вт d = 2м 13 31 61 107 168 250 357 490 650
P Вт d = 3м 30 71 137 236 376 564 804 1102 1467
P Вт d = 4м 53 128 245 423 672 1000 1423 1960 2600
P Вт d = 5м 83 196 383 662 1050 1570 2233 3063 4076
P Вт d = 6м 120 283 551 953 1513 2258 3215 4410 5866
P Вт d = 7м 162 384 750 1300 2060 3070 4310 6000 8000
P Вт d = 8м 212 502 980 1693 2689 4014 5715 7840 10435
P Вт d = 9м 268 635 1240 2140 3403 5080 7230 9923 13207
P Вт d = 10м 331 784 1531 2646 4200 6270 8930 12250 16300
Вы видите, как сильно возрастает величина мощности ветрового потока при увеличении скорости ветра только на 1 м/с.
Прежде чем звонить в компанию занимающуюся продажей ветрогенераторных установок надо узнать две цифры:
1) Потребление электроэнергии в месяц в киловатт-часах — все платят за электричество в квартирах или домах ежемесячно и эта цифра поможет оценить Ваши потребности.
1. Лампочка (сразу лучше меняйте на энергосберегающие или LED) — 20Вт — эквивалент 100Вт обычной (1кВт — это 1000Вт, то есть 20Вт — это 0,02кВт) горит 5 часов в день, поэтому мощность в кВт умножаем на часы работы в месяц — 0,02 * 5 * 30(дней в месяце) = 3кВт*часа в месяц.
2. Холодильник 300Вт, работает примерно 30% времени, то есть 8 часов в сутки — 0,3 * 8 * 30 = 72кВт*часа в месяц.
3. Электрочайник 1,5 кВт, работает 0,5 часа в день — 1,5 * 0,5 *30 = 22,5кВт*часа в месяц
Потом всё суммируете — 3 + 72 + 22,5 = 97,5кВт*час в месяц.
Это и есть месячное потребление — примерно 100кВт*час в месяц в данном примере.
2) Среднегодовая скорость ветра в предполагаемом месте установки — её можно приблизительно узнать в ближайшей метеостанции.
Для выбора инвертора надо знать максимальную (пиковую) мощность потребления электроприборов с небольшим запасом — по ней выбирается его мощность. При наличии этих показателей можно быстро и грамотно подобрать необходимое оборудование, обратившись к продающей его организации.
При выборе оборудования не стоит опираться на мощность ветрогенератора — она сильно зависит от скорости ветра. Это только в бензогенераторе она соответствует указанной в паспорте. 5кВт ветрогенератор при слабом ветре (3-4м/с) выдаёт всего 0,1-0,2 кВт.
Очень часто покупатель ориентируется на максимальную (пиковую) мощность своего потребления и просит постоянно эту мощность — например 5кВт, как в бензогенераторе, например — начинаем разбираться, считать — и оказывается, что для лампочек, холодильника, телевизора и насоса вполне хватает 0,5кВт постоянной мощности — а это две большие разницы. Оценивать своё электропотребление нужно только по киловатт — часам в месяц.
Но и не стоит определять среднюю выдаваемую ветрогенератором мощность по среднегодовой скорости ветра — это будет намного заниженная цифра.
Существует атлас ветров России, в котором есть данные по ветру в 332 метеостанциях. «Роза ветров» так часто употребляемая обывателем в данной теме к ней относится «поскольку-постольку» — это статистика по направлениям ветра, а ветрогенератору всё равно — как часто с какой стороны дует. А вот при определении места установки ветрогенератора «Розу ветров» лучше учитывать, чтобы на направлении основных ветров не оказались высокие строения, деревья и прочие препятствия.
Выбор мачты
Какую мачту выбрать — с растяжками или без?
Если место позволяет, то лучше ставить мачту с растяжками — она будет стоить в 3-5 раз дешевле мачты без растяжек. В настоящее время накоплен уже довольно богатый опыт установки мачт для ветрогенераторов на территории РФ и он позволяет утверждать об этом однозначно.
Иногда предлагают телескопические мачты — они удобны при частых подъёмах и опусканиях, в чём нет особой необходимости при использовании с ветрогенератором. Мощный ветряк на неё не поставишь — не более 1-2кВт, зато стоить она будет намного дороже.
Какой высоты должна быть мачта?
При выборе высоты мачты учитывается рельеф, растительность (близость леса и отдельно стоящие деревья) и застроенность местности. Обычно это от 10 до 20 метров.
Для ветрогенераторов 1-4кВт мы предлагаем 8 и 12м мачты, поскольку более высокие стоят достаточно дорого для данного класса оборудования.
Конечно, чем выше мачта, тем лучше (чем больше высота — тем сильнее ветер, прямая зависимость), но не всегда более высокая мачта технически или экономически оправдывает себя. Посоветуйтесь со специалистом — обычно простого описания по телефону будет достаточно для определения оптимальной высоты мачты. При выборе высоты мачты учитывается рельеф, растительность (близость леса и отдельно стоящие деревья) и застроенность местности. Обычно это от 10 до 20 метров.
Если местность открытая — практически на поле, например, то вполне хватит мачты высотой и 10м.
Если местность застроена одноэтажными домиками и имеет небольшие деревья — больше подойдёт 15м мачта.
Если же рядом двухэтажные дома и высокие деревья или лес — то лучше ставить мачту высотой 20м.
Высота мачты практически не зависит от мощности ветрогенератора (от 1 до 10кВт). Для ветрогенераторов 1-4кВт мы предлагаем 8 и 12м мачты, поскольку более высокие стоят достаточно дорого для данного класса оборудования.
Все вышесказанное относится к мачтам для ветровых генераторов с горизонтальной осью вращения. Для ветровых генераторов с вертикальной осью вращения при выборе мачты существуют свои резоны, в данной статье не рассматриваемые.
Расчет выработки энергии ветрогенераторной станцией
В связи с ростом цен на энергоносители, все больше владельцев частных домов обращаются к возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (ВНИЭ), таких как ветровая, солнечная, гидроэнергия и геотермальная. Здесь расскажем, как рядовому гражданину нашей страны рационально и доступно, с финансовой точки зрения, можно воспользоваться энергией ветра.
Перед тем как будет продемонстрирован пример выбора ветроэлектростанции (ВЭС), следует узнать, каким образом поток воздуха трансформируется в электрическую энергию и сколько такой энергии можно будет получить на своем участке. По приведенной формуле можно рассчитать энергию, которая «гуляет» вашим участком:
P = V 3 ρ S
Например, на площадь, равной 3 кв.м дует воздушный поток обычной плотности со скоростью 5 м/с. При таких условиях получим:
P = V 3 ρ S = 5 3 1,25 12,5 = 1953,125
Где,
V — скорость ветра, единица измерения — м/с
S — площадь, на которую дует (пожимает) воздушный поток, единица измерения — м2
Почти 2 кВт, в идеале, если не учитывать ту часть потока, которая пойдет на завихрения, обтекание объекта и т.д. В реальных условиях максимально мы можем получить 30-40% от потенциальной энергии воздушного потока. Это ограничение связано с технологическим и физическим выполнением ветрогенератора. Более точный расчет можно сделать по следующей формуле:
P = ξ π R 2 0,5 V 3 ρ ηред ηген
Где,
ξ — коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум ξmax = 0,4 ÷ 0,5), безмерная величина
R — радиус ротора, единица измерения — м
V — скорость воздушного потока, единица измерения — м / с
ρ — плотность воздуха, единица измерения — кг/м3
ηред — КПД редуктора, единица измерения — проценты
ηген — КПД генератора, единица измерения — проценты
Для следующих данных:
ξ = 0,45
R = 2 м
V = 5 м / с
ρ = 1,25 кг/м3
ηред = 0,9
ηген = 0,85
Рассчитываем:
P = ξ π R 2 0,5 V 3 ρ ηред ηген = 0,45 π 2 2 0,5 5 3 1,25 0,9 0,85
Ветроэнергетика на практике
Рассматриваемые модель имеет номинальную мощность 5кВт и следующие важные для нас технические параметры:
Технические характеристики ветроэлектростанции WE3000
Номинальная мощность генератора, кВт 3
Максимальная мощность генератора, кВт 5,1
Диаметр ротора, м 4,5
Стартовая скорость ветра, м/с 2,0
Номинальная скорость ветра, м/с 10
Высота мачты не менее, м 12
По данным инженерного центра компании WindElectric модель WE3000 имеет следующую характеристику (мощность в зависимости от скорости ветра): При скорости ветра 10 метров в секунду такая установка будет генерировать более 3кВт ч, такого количества энергии полностью хватит для маленького коттеджа, но стоит помнить, что в нашей стране далеко не всегда ветренно.
Пришло время выяснить важнейший вопрос, сколько же это будет стоить и через какое время окупится? Стоимость электроэнергии приближенно можно определить по следующей схеме:
Где,
В — полная стоимость ВЭС, единица измерения — грн, рубли, $ и т.д.
ЕВ — эксплуатационные расходы за год, единица измерения — (грн / год, рубли / год, $ / год)
Р — количество произведенной энергии за год, единица измерения — кВт время
Т — срок службы ветрогенератора в годах (считается Т = 20 лет)
Среднегодовая скорость ветра, м/с
Выработка энергии за год,
КВт.год
Срок окупаемости,
лет
ВЭС WE3000
3 1445
4 3048
5 5913
6 8935
7 12864
Ориентирование в потребностях

Совершая покупку, мы не всегда точно знаем, что с ней делать и насколько она нам необходима. В случае с ветроэлектростанцией это следует непременно выяснить.Вариант первый: Я хочу частично обеспечить свою квартиру независимым источником энергии (мой дом подключен к внешней сети. В таком случае мощность установки будет зависеть от количества энергии, которую вы хотите получать не из сети, а генерировать самостоятельно.Вариант второй: Я хочу обеспечить свою квартиру независимым источником энергии, поэтому выбираю вариант ВЭС (мой дом не подключен к внешней сети. В этом случае нужно точно знать свои потребности в электроэнергии.В чем отличие этих двух вариантов? В обоих случаях требуется ВЭС, но необходимо знать, в какой мере она будет использоваться, следовательно, какой мощности установка будет нам нужна.Подготовка к выбору ВЭС… правильнее будет написать подготовка к разговору с компанией-специалистом, кто же еще сможет предоставить услуги по установке, настройке и гарантийного обслуживания? Прежде чем сделать вам предложения, компания должна иметь некоторые сведения. Попробуем узнать о них. Это заинтересует и вас. Для двух приведенных выше вариантов подготовка имеет несколько общих пунктов:1. Потребности. Если вы решили купить сок, то сначала оцениваете силу жажды, которую чувствуете. После этого покупаете бутылку сока соответствующего объема. Для установки ВЭС нужно знать свои «аппетиты». Под «аппетитами» в нашем случае следует иметь в виду количество потребляемой электроэнергии за сутки, месяц, время года. Необходимо также установить границу верхней нагрузки (к примеру, в праздничные дни в вашем доме работают одновременно два телевизора, музыкальный центр, компьютер, освещение в нескольких комнатах, микроволновая печь и т.д.), т.е. верхний предел нагрузки — это максимальное энергопотребление вашего жилища. Необходимо также знать продолжительность этой максимальной нагрузки. Установить общее энергопотребление очень просто, однако это потребует от вас изрядной тщательности. Ваша задача — выяснить мощность каждого электроприбора в помещении и время его работы, а после внести сведения в таблицу.2. Размещение. Следующим подготовительным этапом будет ориентировочный (!) выбор места расположения ВЭС. Ориентировочный, поскольку только специалисты смогут определить наилучший вариант для Вашего индивидуального случая. Однако есть несколько пунктов, которые позволяют лучше представить возможное расположение ВЭС. Следует помнить 3 золотых правила:
* Турбулентность. Ветротурбина должна размещаться на 10 метров выше наивысшиего объекта в радиусе 100 метров (включая ЛЭП).
* По возможностью, ВЭС должны размещаться на открытых участках (берегах рек, морей, озер).
* Орография местности. Следует учитывать, что в природных ущельях, каньонах поток воздуха имеет свойство сжиматься и, как следствие, увеличивается его скорость. Подобную ситуацию можно наблюдать на пригорках.3. В случае, если ваш загородный дом не планируется подключать к общей сети, то следует рассмотреть вариант комбинированных систем:
* ВЭС + Солнечные батареи
* ВЭС + ДизельКомбинированные варианты помогут решить проблемы в регионах, где ветер переменчивый или зависит от времени года, а также данный вариант является актуальным для солнечных батарей.3 — Скорость ветра в кубе м/с

Дополнительно формула расчета площади круга S=πr2 , где

r — радиус окружности в квадрате

0.6*6*2*2*2*0.2=5,76 ватт при 2м/с

0.6*6*3*3*3*0.2=19,44 ватт при 3м/с

0.6*6*4*4*4*0.2=46,08 ватт при 4м/с

0.6*6*5*5*5*0.2=90 ватт при 5м/с

0.6*6*7*7*7*0.2=246 ватт при 7м/с

0.6*6*10*10*10*0.2=720 ватт при 10м/с

Тогда получается так, если ветер 3м/с, то при этом ветре за секунду ротор сделает 0,4 оборота, а за 4 секунды полный оборот. А за минуту при ветре 3м/с будет 60_4=15об/м.

При 3м/с 12_3=4, 60_4=15об/м

При 4м/с будет 12_4=3, 60_3=20об/м.

При ветре 5м/с 12_5=2.4, 60:2.4=25об/м.

При 7м/с 12_7=1.71, 60:1,71=35об/м

При 10м/с 12_10=1.2, 60:1.2=50об/м

Теперь нужен генератор, который на этих оборотах должен вырабатывать мощность не более чем может выдать ветроколесо. А если генератор будет мощнее, то он перегрузит ротор, и тот не сможет раскрутится до своих оборотов, и в итоге обороты будут низкие и общая мощность. При ветре 3м/с у нас 15 об/м, и мощность ветроколеса 19 ватт , вот нужно чтобы генератор нагружал ротор не более 19ватт. Это с учетом КПД редуктора (если он имеется) и КПД самого генератора. КПД редуктора и генератора обычно не известны, но на них тоже значительные потери, и в общем на этом теряется 20-50% энергии, и на выходе на аккумулятор уже поступает всего 50%, это в нашем случае 10ватт примерно.

Расчет вертикальных ветрогенераторов
Расчет вертикального ветрогенератора в общих чертах. От чего отталкиваться при расчете, статья ориентирована на начинающих

Секция: Технические науки

XL Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Расчет мощности ветрогенератора

Расчет мощности ветрогенератора. Распределение продолжительности градаций скорости ветра, оценка превалирующего направления ветра, построение розы ветров для данной местности. Выбор ВРТБ – ветроэлектростанции с вертикально расположенным валом генератора (VAWT)

Распределение скорости ветра по градациям позволяет рассчитать выработку ветроэлектростанции по каждому месяцу. Для этого следует процент повторяемости интервала скорости ветра преобразовать в соответствующий временной интервал. Тогда мощность ветрогенератора, соответствующая данной ветровой градации, и время работы ВЭС в данном режиме позволяют определить количество электроэнергии за рассматриваемый месяц при соответствующей скорости ветра. Повторяемость скорости ветра по градациям представляет собой временную характеристику скорости ветра. Эта характеристика важна для ветроэнергетических расчетов, связанных с оценкой интервалов времени работы ветроэлектростанции при различных скоростях ветра. Интервал наблюдений ветрогенерации выбрали один месяц. Среднее значение распределения месячного ветрового потенциала определяется обработкой данных ежедневных наблюдений на ближайшей метеостанции. В качестве примера распределения ветрового потенциала в течение года по градациям в таблице 1 приведены данные метеостанции города Костаная.

Таблица 1.

Повторяемость различных градаций скорости ветра (%)

Суммарная энергия, которую может произвести ветроэлектростанция конкретного типа за рассматриваемый временной интервал, определяется как сумма энергий, соответствующих каждой градации ветра:

где: Pi –мощность ВЭС при средней скорости ветра i – градации, Ti – продолжительность i – градации скорости ветра в течении месяца, n –количество градаций скорости ветра.

Расчет распределения продолжительности градаций скорости ветра за два месяца наблюдения на метеостанции приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. График распределения продолжительности градаций скорости ветра

При расчете выработки электроэнергии следует учитывать увеличение скорости ветра на высоте оси ветродвигателя по сравнению с данными наблюдений на высоте флюгера. Обычно башня для ветроэлектростанции входит в состав её комплектации с указанием конструктивных параметров. Для автономных ВЭС на мощности до 100–200 кВт высота башни обычно не превышает 50 м. Соответственно, учет вертикального профиля ветра на высотах 20, 30, 40, 50 м позволит более точно оценить ветроэнергетический потенциал местности.

Для оценки превалирующего направления ветров строится роза ветров (рис. 2), представляющая собой векторную диаграмму, у которой длина лучей, расходящихся от центра диаграммы в разных направлениях (румбах горизонта), пропорциональна повторяемости ветров этих направлений.

Рисунок 2. Роза ветров

Превалирующее направление ветра на выбранной площадке следует учитывать при строительстве ветропарка, а также соотносить его с ландшафтом (за исключением равнинного характера местности).

Таким образом, результатами исследования ветроэнергетического потенциала в предполагаемом месте размещения ветроэлектростанции являются следующие характеристики:

1) Определение среднедневной, среднемесячной и среднегодовой скорости ветра по данным метеонаблюдений за 5-10 лет.

2) Пересчет средней скорости ветра каждого месяца на предполагаемую высоту башни ветрогенератора.

3) Распределение скорости ветра на высоте оси ветрогенгератора по градациям для каждого месяца года.

4) Построение розы ветров для города Костаная.

Полученные ветроэнергетические характеристики позволяют оптимизировать выбор ветроэнергетического оборудования и, далее, интегрировать его в систему электроснабжения города.

Гибридная автономная система – солнце-ветер (инверторно-аккумуляторная).

Возможно подключение солнечных фотомодулей к ветрогенераторной системе через контроллеры для солнечных систем + ДГУ.

В данных условиях следует принять возможность обеспечить объект установкой дополнительного оборудования:

1. Инверторно-аккумуляторной системой + АВР (для накапливания энергии при отсутствии нагрузки, и для питания от аккумуляторов при отсутствии ветра), при полном разряде АКБ, АВР переключит питание от аккумуляторов на ДГУ.

2. Установленная мощность ВЭС и требования к размещению ветро-парка.

ВРТБ – ветроэлектростанция с вертикально расположенным валом генератора(VAWT). Основным преимуществом конструкции ветростанции является ее независимое «наведение на ветер». Ветросиловая часть принимает ветер с любой стороны автоматически без каких-либо настроечных операций и не требует разворота станции при изменении направления ветра.

Комплексная энергетическая система ВРТБ включает следующие функциональные элементы:

· модули ВРТБ для преобразования энергии ветра,

· солнечную фотоэлектрическую установку для генерация электрической энергии,

· аккумуляторные батареи для хранения выработанной энергии и обеспечения потребителя электроэнергией,

· ШУЗ ВРТБ – устройство обеспечения корректного функционирования станции, контроля заряда, автоматики,

· генератор (преобразование механического вращения модулей в электроэнергию),

· инвертор – прибор преобразования постоянного тока, вырабатываемого КЭС, в переменный, требуемый потребителю, с возможностью выдачи электроэнергии в сеть.

· при одинаковых размерах с винтовыми роторные имеют большую площадь «ометаемой» поверхности и, следовательно, большую мощность (в 2–3 раза),

· не боятся резких кратковременных порывов ветра (шквалов),

· ротор не стоит на месте (в одной плоскости, как воздушный винт), а постоянно уходит от ветра, поэтому установки не боятся штормовых ветров и легко, без дополнительных мер безопасности, в том числе конструктивных, используются в более широком диапазоне ветров (от 2 до 50 м/сек). С повышением скорости ветра только увеличивается устойчивость (эффект волчка или гироскопа),

· эффективная работа при малых скоростях ветра (3–4 м/сек),

· возможность монтажа установки на различных площадях (крыши зданий, платформы, вышки, мобильные сооружения (бытовки, вагончики и пр.),

· полная бесшумность при всех режимах работы (30 B на расстоянии 5 м при ветре 15 м/с),

· отсутствие необходимости флюгерной системы, ориентирующей винт на ветер, что позволяет установке работать при неустойчивых по направлению ветрах, при резкой смене направления ветра,

· сравнительно малая скорость вращения ротора (до 200 об/мин) увеличивает ресурс работы подшипников, интервал между смазкой движущихся поверхностей, общий ресурс работы,

· возможность использования приземного низового ветра,

· уникальный генератор с контрвращением,

· простота монтажа и технического обслуживания,

Расчет мощности ветрогенератора
Марченко Е.А. Расчет мощности ветрогенератора // XL Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

РАСЧЕТ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА,

Практическое занятие № 4

Цель: ознакомиться с основными параметрами ВЭУ и методикой расчета ветрогенераторов.

Продолжительность занятия – 2 часа

Ход работы:

1. На основании теоретической части работы ознакомится и законспектировать классификацию и особенности строения ветрогенераторов и их технические характеристики.

2. В соответствии с индивидуальным заданием произвести расчет ветрогенератора.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ветрогенераторами называют двигатели, преобразующие энергию ветра в механическую работу. По устройству ветряка и положению его в потоке ветра системы ветродвигателей разделяются на три класса:

1. Крыльчатые ветрогенераторы имеют ветроколесо с тем или иным числом крыльев. Плоскость вращения ветроколеса у крыльчатых ветродвигателей перпендикулярна направлению ветра, следовательно, ось вращения параллельна ветру (рис. 1, а). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей достигает ξ= 0,42.

2. Карусельные и роторные ветрогенераторы имеют ветроколесо (ротор) с лопастями, движущимися в направлении ветра, ось вращения ветроколеса занимает вертикальное положение (рис. 1, б). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей равен от 10 до 18%.

3. Барабанные ветрогенераторы имеют такую же схему ветроколеса, как и роторные, и отличаются от них лишь горизонтальным положением ротора, т. е. ось вращения ветроколеса горизонтальна и расположена перпендикулярно потоку ветра (рис. 1, г). Коэффициент использования энергии ветра этих ветряков от 6 до 8%.

Рис. 1. Системы ветродвигателей: а — крыльчатые ветродвигатели, б) — роторные ветрогенераторы, в — карусельные ветрогенераторы, г — барабанные ветрогенераторы.

Рис. 2 – Ветродвигатель и его основные элементы

Крыльчатый ветродвигатель состоит из следующих элементов (рис. 2):

1. Ветряк может иметь от 2 до 24 лопастей. Ветряки с числом лопастей от 2 до 4 называются малолопастными, если у ветроколеса более 4 лопастей, то оно называется многолопастным.

2. Головка ветродвигателя представляет опору, на которой монтируется вал ветроколеса и верхняя передача (редуктор).

3. Хвост крепится к головке и поворачивает ее около вертикальной оси, устанавливая ветроколесо на ветер.

4. Башня ветродвигателя служит для выноса ветроколеса выше препятствий, нарушающих течение воздушного потока. Маломощные ветродвигатели, работающие на генератор, обычно монтируются на столбе или трубе с растяжками.

5. У основания башни вертикальный вал приключается к нижней передаче (редуктору), которая передает движение рабочим машинам.

6. Регулирование оборотов ветроколеса представляет приспособление или механизм, с ограничивающий обороты ветроколеса с увеличением скорости ветра.

Параметры ветроустановки связаны между собой несложными однозначными физическими зависимостями.

Основные параметры ВЭУ:

Номинальная мощность P ном [Вт, кВт] — мощность, развиваемая ветроустановкой при расчетной скорости ветра,

Расчетная скорость ветра V P [м/с] — скорость, которую принимают для расчета ветровой нагрузки на сооружения при проектировании. В зависимости от класса сооружения в расчет принимается скорость с заданной повторяемостью — 1 раз в год, в 5, 10, 15, 20, 50 и 100 лет,

Диаметр ветротурбины D [м] – отрезок, соединяющий пару наиболее удаленных друг от друга точек ветротурбины, проходящий через ее центр.

Выработка энергии W М [кВт Ч] – количество энергии, вырабатываемое ветротурбиной за определенный промежуток времени (месяц, год), величина, зависящая от средней скорости ветра,

Средняя мощность P СР [кВт] — мощность, при непрерывном поддержании которой, выработка энергии за месяц будет равна реальной.

РАСЧЕТ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
РАСЧЕТ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА, Практическое занятие № 4 Цель: ознакомиться с основными параметрами ВЭУ и методикой расчета ветрогенераторов. Продолжительность занятия – 2 часа Ход

Сейчас довольно широкую популярность приобретают ветряные генераторы. На рынке присутствует великое множество самых разнообразных моделей. Возникает вопрос: как рассчитать мощность ветрогенератора?

Расчет мощности ветрогенератора

В большинстве случаев, процесс целесообразности монтирования ветряных станций будет зависеть от средних скоростей ветра в определенной местности. Монтирование ветряных установок является оправданной при минимальной силе ветра четыре метра в секунду. При скорости ветра девять-двенадцать метров в секунду, ветряная установка будет работать на максимальных оборотах.

Кроме того, мощность таких устройств также зависит от поверхностей используемых лопастей и от диаметрального размера роторного устройства. При известных средних скоростях ветра по данному региону, можно подобрать необходимый генератор, используя определенную величину размера винта.

Расчет производится по формуле: Р=2D*3V/7000 кВт, в которой P является мощностью, D является диаметральным размером винтового устройства, а такой параметр, как V, обозначает силу ветра в метрах в секунду. Но такая формула подходит только для ветрогенераторов горизонтального назначения.

Ветрогенераторы большой мощности: обзор, плюсы и минусы, нюансы

На сегодняшний день могут производиться ветряные устройства, у которых мощность ветрогенератора является достаточно большой. Ветряные установки больших мощностей используются, в основном, для промышленных нужд.

У данных генераторов имеются несомненные преимущества:

способность обеспечить необходимым количеством энергии даже средние по своей величине поселки,
использование энергетических ресурсов природного характера, которые просто неограниченны по своим запасам.

Недостатками данных генераторов, да и вообще всех генераторных устройств с применением силы ветра, являются:

неподконтрольность природных сил,
слишком быстрое изнашивание аккумуляторных устройств,
создание довольно большого шума при работе,
создание разнообразного рода помех для различной аппаратуры.

На данный момент существует великое множество производителей ветровых устройств по производству энергии. Приведем основные:

Российский дочерний филиал предприятия «Algatec Solar» (Германия),
Отечественная фирма по производству ветряков и других типов оборудования «ЭнерджиВинд»,
Московская компания с хорошим по своим качественным характеристикам оборудованием — «Сапсан-Энергия».

Конечно же, существуют и другие компании данного направления, но их перечисление займет слишком много времени.

Ветрогенераторы малой мощности

Для обеспечения дополнительных нужд электропитания в частном хозяйстве и на малых предприятиях, могут применяться ветрогенераторы малых мощностей.

Ветрогенераторы малой мощности

Генератор с малой мощностью не сможет в полной мере обеспечить частный дом необходимой энергией, но вот в качестве дополнительного источника питания (в случаях с постоянными отключениями электричества) помочь могут. На малых предприятиях, также в качестве дополнительных источников, могут монтироваться несколько генераторов с маленькой мощностью.

На данный момент существуют даже модели переносных ветрогенераторов небольшой производительности. Мощностей таких переносных устройств вполне хватает для процесса освещения: можно использовать один-два электроприбора. Такие переносные модели имеют небольшой вес и просты в монтаже.

Промышленные ветрогенераторы большой мощности

Для промышленных масштабов потребления электричества применяются ветряные станции с большой мощностью. В большинстве случаев, такие генераторы просто огромны.

Промышленные ветрогенераторы — когда требуются большие результаты

Кроме того, обычно применяется расположение данных установок в обширных долинах, могут устанавливаться в достаточно пустынных местностях, есть даже варианты морских плантаций с ветряками.

Особенно большое распространение такие огромные долины с ветряками получили в европейских странах и на американском континенте.

В США существует огромное количество мест с расположенными ветряными станциями промышленных масштабов.

Ветрогенераторы разных типов мощности и их особенности
Сейчас довольно широкую популярность приобретают ветряные генераторы. Возникает вопрос: как рассчитать мощность ветрогенератора без ошибок?

Расчет ветрогенератора. Расчет мощности ветрогенератора. Расчет ветряка.

В связи с ростом цен на энергоносители, все больше владельцев частных домов обращаются к возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (ВНИЭ), таких как ветровая, солнечная, гидроэнергия и геотермальная. Здесь расскажем, как рядовому гражданину нашей страны рационально и доступно, с финансовой точки зрения, можно воспользоваться энергией ветра.

Перед тем как будет продемонстрирован пример выбора ветроэлектростанции (ВЭС), следует узнать, каким образом поток воздуха трансформируется в электрическую энергию и сколько такой энергии можно будет получить на своем участке. По приведенной формуле можно рассчитать энергию, которая «гуляет» вашим участком:

P = V³ • ρ • S

Например, на площадь, равной 3 кв.м дует воздушный поток обычной плотности со скоростью 5 м/с. При таких условиях получим:

P = V³ • ρ • S = 5³ • 1,25 • 12,5 = 1953,125

Где,
V — скорость ветра, единица измерения — м/с
ρ — плотность воздуха, единица измерения — кг/м3
S — площадь, на которую дует (пожимает) воздушный поток, единица измерения — м2

Почти 2 кВт, в идеале, если не учитывать ту часть потока, которая пойдет на завихрения, обтекание объекта и т.д. В реальных условиях максимально мы можем получить 30-40% от потенциальной энергии воздушного потока. Это ограничение связано с технологическим и физическим выполнением ветрогенератора. Более точный расчет можно сделать по следующей формуле:

P = ξ • π • R² • 0,5 • V³ • ρ • ηред • ηген

Где,
ξ — коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум ξmax = 0,4 ÷ 0,5), безмерная величина
R — радиус ротора, единица измерения — м
V — скорость воздушного потока, единица измерения — м / с
ρ — плотность воздуха, единица измерения — кг/м3
ηред — КПД редуктора, единица измерения — проценты
ηген — КПД генератора, единица измерения — проценты

Для следующих данных:
ξ = 0,45
R = 2 м
V = 5 м / с
ρ = 1,25 кг/м3
ηред = 0,9
ηген = 0,85

Рассчитываем:

P = ξ • π • R² • 0,5 • V³ • ρ • ηред • ηген = 0,45 • π • 2² • 0,5 • 5³ • 1,25 • 0,9 • 0,85

Не так много выходит… почему тогда использование ВЭС выгодно? Лучшим подтверждением в данном случае послужит «живой» пример. Для этого, как пример, приведем характеристики установки одной из украинских компаний, которая вежливо согласилась предоставить расчетные данные из собственных продуктов. Смотрите также: Калькулятор для расчета ветрогенератора

Ветроэнергетика на практике

Рассматриваемые модель имеет номинальную мощность 5кВт и следующие важные для нас технические параметры:

Технические характеристики ветроэлектростанции WE3000
Номинальная мощность генератора, кВт	3
Максимальная мощность генератора, кВт	5,1
Диаметр ротора, м	4,5
Стартовая скорость ветра, м/с	2,0
Номинальная скорость ветра, м/с	10
Высота мачты не менее, м	12

По данным инженерного центра компании WindElectric модель WE3000 имеет следующую характеристику (мощность в зависимости от скорости ветра): При скорости ветра 10 метров в секунду такая установка будет генерировать более 3кВт ч, такого количества энергии полностью хватит для маленького коттеджа, но стоит помнить, что в нашей стране далеко не всегда ветренно.

Пришло время выяснить важнейший вопрос, сколько же это будет стоить и через какое время окупится? Стоимость электроэнергии приближенно можно определить по следующей схеме:

Где,
В — полная стоимость ВЭС, единица измерения — грн, рубли, $ и т.д.
ЕВ — эксплуатационные расходы за год, единица измерения — (грн / год, рубли / год, $ / год)
Р — количество произведенной энергии за год, единица измерения — кВт • время
Т — срок службы ветрогенератора в годах (считается Т = 20 лет)

Среднегодовая скорость ветра, м/с	Выработка энергии за год, кВт•год	Срок окупаемости, лет
	Выработка энергии за год, кВт•год	Срок окупаемости, лет
	ВЭС WE3000
3	1445
4	3048
5	5913
6	8935
7	12864

Ориентирование в потребностях

Совершая покупку, мы не всегда точно знаем, что с ней делать и насколько она нам необходима. В случае с ветроэлектростанцией это следует непременно выяснить. Вариант первый: Я хочу частично обеспечить свою квартиру независимым источником энергии (мой дом подключен к внешней сети. В таком случае мощность установки будет зависеть от количества энергии, которую вы хотите получать не из сети, а генерировать самостоятельно. Вариант второй: Я хочу обеспечить свою квартиру независимым источником энергии, поэтому выбираю вариант ВЭС (мой дом не подключен к внешней сети. В этом случае нужно точно знать свои потребности в электроэнергии. В чем отличие этих двух вариантов? В обоих случаях требуется ВЭС, но необходимо знать, в какой мере она будет использоваться, следовательно, какой мощности установка будет нам нужна. Подготовка к выбору ВЭС… правильнее будет написать подготовка к разговору с компанией-специалистом, кто же еще сможет предоставить услуги по установке, настройке и гарантийного обслуживания? Прежде чем сделать вам предложения, компания должна иметь некоторые сведения. Попробуем узнать о них. Это заинтересует и вас. Для двух приведенных выше вариантов подготовка имеет несколько общих пунктов: 1. Потребности. Если вы решили купить сок, то сначала оцениваете силу жажды, которую чувствуете. После этого покупаете бутылку сока соответствующего объема. Для установки ВЭС нужно знать свои «аппетиты». Под «аппетитами» в нашем случае следует иметь в виду количество потребляемой электроэнергии за сутки, месяц, время года. Необходимо также установить границу верхней нагрузки (к примеру, в праздничные дни в вашем доме работают одновременно два телевизора, музыкальный центр, компьютер, освещение в нескольких комнатах, микроволновая печь и т.д.), т.е. верхний предел нагрузки — это максимальное энергопотребление вашего жилища. Необходимо также знать продолжительность этой максимальной нагрузки. Установить общее энергопотребление очень просто, однако это потребует от вас изрядной тщательности. Ваша задача — выяснить мощность каждого электроприбора в помещении и время его работы, а после внести сведения в таблицу. 2. Размещение. Следующим подготовительным этапом будет ориентировочный (!) выбор места расположения ВЭС. Ориентировочный, поскольку только специалисты смогут определить наилучший вариант для Вашего индивидуального случая. Однако есть несколько пунктов, которые позволяют лучше представить возможное расположение ВЭС. Следует помнить 3 золотых правила:
* Турбулентность. Ветротурбина должна размещаться на 10 метров выше наивысшиего объекта в радиусе 100 метров (включая ЛЭП).
* По возможностью, ВЭС должны размещаться на открытых участках (берегах рек, морей, озер).
* Орография местности. Следует учитывать, что в природных ущельях, каньонах поток воздуха имеет свойство сжиматься и, как следствие, увеличивается его скорость. Подобную ситуацию можно наблюдать на пригорках. 3. В случае, если ваш загородный дом не планируется подключать к общей сети, то следует рассмотреть вариант комбинированных систем:
* ВЭС + Солнечные батареи
* ВЭС + Дизель Комбинированные варианты помогут решить проблемы в регионах, где ветер переменчивый или зависит от времени года, а также данный вариант является актуальным для солнечных батарей.

Электро-ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

Некоторые страны, серьезно задумывающиеся о дополнительных источниках получения электроэнергии, используют на электростанциях ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения. Однако последние исследования в области техники позволяют предположить, что в будущем ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, станут основным источником получения энергии с помощью ветра.

Все известные на сегодняшний день генераторы можно разделить на два типа. Тип генератора зависит от вида оси, которая приводит в действие механизм. Ось может быть как горизонтального, так и вертикального типа.

Ветровые генераторы с вертикальной осью – преимущества и недостатки:

Ученые, наблюдая ветрогенератор с вертикальной осью, смогли установить, что в следующих областях данный вид генератора намного превосходит его горизонтальный аналог:

Нет необходимости в дорогостоящем дополнительном устройстве, которое определяет направление ветра и направляет генератор навстречу воздушному потоку;
Меньшее количество деталей которые двигаются, следовательно стоимость ремонта и затраты на производство менее значительные;
Конструкция вертикального ветрогенератора ниже, поэтому при обслуживании механизма нет нужды в дополнительных приспособлениях для подъёма обслуживающего персонала на высоту;
На эффективность генератора не влияет скорость и угол направления ветра.

Вышеперечисленные преимущества являются достаточно весомой причиной для продолжения исследований проводимых в данной области. Однако наряду с плюсами, вертикальные ветряные электростанции имеют ряд значительных недостатков:

Огромный объем лопастей. Пожалуй, самый существенный недостаток данной разновидности ветрогенераторов. У горизонтальной турбины при общем объеме лопастей 90 метров получаемая энергия может достигать 1-3 КВт, для достижения аналогичных результатов лопасти вертикальной турбины должны иметь общую площадь 270 метров.
Второй аспект плавно вытекает из первого. Ветрогенератор с вертикальной осью вращения имеет КПД почти в 3 раза ниже, чем с горизонтальной осью.

Монтаж ветрогенератора:

Единственным необходимым условием для работы ветрогенератора является наличие постоянного ветра, достаточной силы. Поэтому перед установкой вертикального ветряка стоит найти место, в котором ветер может дуть, не встречая препятствий. Обычно идеальным местом для установки ветряка будет вершина скалы или высокого холма, либо крыша дома, при условии, что она отвечает для этого техническим требованиям. Особое внимание следует уделить креплению всей конструкции ветрового генерирующего устройства, так как постоянная вибрация и давление ветра легко может завалить её.

Определить место расположения, в котором установка ветряка будет наиболее эффективной, можно при помощи интернета. Достаточно ввести в поисковик запрос о движении ветра в той области, где вы живете. Кстати, при помощи такой информации можно определить будет ли экономически выгодно устанавливать ветрогенератор вертикальный и как скоро он окупит вложенные в него средства.

Принцип работы:

Ветровые генераторы во время вращения турбин создают сразу три действующих силы: импульсную, подъемную и противодействующую им силу торможения. Импульсная и подъемная сила заставляют лопасти генератора крутится. В результате ротор генератора создает магнитное поле на статоре. Благодаря магнитному полю вырабатывается электричество.

Оправдают ли себя затраты:

Перед тем как купить вертикальный ветрогенератор, необходимо взвесить все за и против. К примеру, если воздушные потоки обходят стороной вашу местность, то эффективность использования мощного устройства вряд ли окупится. Для такой местности может подойти использование генератора маленькой мощности.

Иногда бывают места, в которых направление воздушных потоков может меняться по несколько раз в сутки, в таком случае, конечно, стоит задуматься вообще о том, является ли целесообразно использование ветряков, если да, то в таком случае единственно возможным остается использование ветрогенератора с вертикальной осью вращения.

Цена за генераторы варьируется в зависимости от мощности электростанции. Так станцию с мощностью 2 КВт можно приобрести за 6200$, а если мощность достигает 10 КВт – то на такой вертикальный ветрогенератор цена может достичь 40000$. Для получения электричества способного подзарядить аккумуляторы в автомобиле или мобильнике можно купить станцию мощностью 0,6 КВт, ее стоимость не будет превышать 3000$.
Генераторы могут существенно различаться в цене в зависимости от производителя и их вида. Цена на ветряк отечественного производителя обычно на треть дешевле импортного, а качество станции практически одинаковое.

Приобретение генератора работающего от ветра возможно при условии, что есть возможность вложить крупную сумму денег в долгосрочную инвестицию и при наличии благоприятных погодных условий.

Конструкция ветряной турбины с вертикальной осью: как соотношение сторон влияет на производительность турбины

Ислам, М., Тинг, ДСК, Фартадж, А .: Аэродинамические модели для ветряных турбин Дарье с прямыми лопастями и вертикальной осью. . Обновить. Поддерживать. Energy Rev. 12 , 1087–1109 (2008)

Статья Google ученый

Поуп, К., Натерер, Г.Ф., Динсер, И., Цанг, Э .: Корреляция мощности для ветряных турбин с вертикальной осью и различной геометрией.Int. J. Energy Res. 35 , 423–435 (2011)

Статья Google ученый

Эрикссон, С., Бернхофф, Х., Лейон, М .: Оценка различных концепций турбин для ветроэнергетики. Обновить. Поддерживать. Energy Rev. 12 , 1419–1434 (2008)

Статья Google ученый

Риглер, Х .: HAWT против VAWT, небольшие VAWT находят четкую нишу, стр. 44–46.Elsevier Refocus, Нью-Йорк (2003)

Google ученый

Рохатги Дж., Барбезье Г .: Ветровая турбулентность и стабильность атмосферы — их влияние на мощность ветряных турбин. Обновить. Энергетика 16 , 908–911 (1999)

Артикул Google ученый

Кастро, И.П., Ченг, Х., Рейнольдс, Р .: Турбулентность на неровностях городского типа: выводы из измерений в аэродинамической трубе.Связанный слой Meteorol. 118 , 109–131 (2006)

Статья Google ученый

Гаев Ю.А., Савори Э .: Влияние уличных препятствий на проточные процессы в городских каньонах. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 82 , 89–103 (1999)

Статья Google ученый

Ахматов, В .: Влияние направления ветра на интенсивные колебания мощности в крупных морских ветропарках в Северном море.Wind Eng. 31 (1), 59–64 (2007)

Статья Google ученый

Сахин, А.Д., Динсер, И., Розен, М.А.: Термодинамический анализ энергии ветра. Int. J. Energy Res. 30 , 553–566 (2006)

Статья Google ученый

10.

Райт, А.К., Вуд, Д.Х .: поведение небольшой ветряной турбины с горизонтальной осью при запуске и низкой скорости ветра.J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 92 , 1265–1279 (2004)

Артикул Google ученый

11.

Сахин, А.Д., Динсер, И., Розен, М.А.: Разработка новых пространственно-временных карт ветровой эксергии. Материалы конгресса и выставки по машиностроению ASME2006, Чикаго, штат Иллинойс, США, 5–10 ноября 2006 г.

12.

Центр устойчивой энергетики: Исследование городского ветра в Илинге, Исследование городского совета округа Илинг. Центр CREATE, Бристоль (2003)

Google ученый

13.

Бисвас, А., Гупта, Р., Шарма, К.К .: Экспериментальное исследование эффектов перекрытия и блокировки на трехходовых роторах Савониуса. Wind Eng. 31 (5), 313–368 (2007)

Статья Google ученый

14.

Бонтемпо, Р., Манна, М .: Решение проблемы обтекания неоднородного высоконагруженного приводного диска в воздуховоде. J. Fluid Mech. 728 , 1469–7645 (2013)

MathSciNet Статья Google ученый

15.

Бонтемпо, Р., Кардоне, М., Манна, М., Ворраро, Г.: Анализ потока в воздушном винте с помощью обобщенной модели диска исполнительного механизма. Энергетические процедуры 45 , 1107–1115 (2014)

Статья Google ученый

16.

Saha, U .: Оптимальная конфигурация ротора Савониуса в результате экспериментов в аэродинамической трубе. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 96 (8), 1359–1375 (2008)

Статья Google ученый

17.

Hiraharaa, H., Hossainb, M.Z., Kawahashia, M., Nonomurac, Y .: Тестирование основных характеристик очень маленькой ветряной турбины, предназначенной для многоцелевого использования. Обновить. Энергетика 30 , 1279–1297 (2005)

Артикул Google ученый

18.

Вакуи, Т., Танзава, Ю., Хашизуме, Т., Нагао, Т .: Гибридная конфигурация роторов Дарье и Савониуса для автономных систем ветрогенераторов. Электр. Англ. Jpn. 150 (4), 13–22 (2005)

Статья Google ученый

19.

Гупта, Р., Бисвас, А., Шарма, К.К .: Сравнительное исследование трехконтактного ротора Савониуса с комбинированным трехлопастным ротором Савониуса –– трехлопастным ротором Дарье. Обновить. Энергетика 33 , 1974–1981 (2008)

Артикул Google ученый

20.

Але, Я.В., Петри, М.Р., Гарсия, С.Б., Симиони, GCS, Конзен, Дж .: Оценка производительности нового поколения небольшой ветряной турбины с вертикальной осью, Европейская конференция и выставка по ветроэнергетике, 7– 10 мая, Milano Convention Center, Милан, Италия (2007)

21.

Армстронг, С., Фидлер, А., Таллис, С.: разделение потоков по высокому числу Рейнольдса, высокопрочная ветряная турбина с вертикальной осью, с прямыми и скошенными лопастями и скошенными лопастями с ограждениями. Обновить. Энергетика 41 , 13–22 (2012)

Статья Google ученый

22.

Paraschivoiu, I .: Дизайн ветряной турбины с акцентом на концепции Дарье. Политехнический международный, Канада (2002)

Google ученый

23.

Стрикленд, Дж. Х .: Турбина Дарье: модель прогнозирования производительности с использованием нескольких потоковых трубок, стр. 1–36. SANDIA Report SAND75-0431, (1975)

24.

Роберт, Э., Шелдал, Климас П.К .: Аэродинамические характеристики семи симметричных профильных секций при угле атаки 180 градусов для использования в аэродинамическом анализе ветряных турбин с вертикальной осью. Сандийские национальные лаборатории. Отчет SAND80-2114. 1981 (1980)

25.

Бхутта, М.М.А., Хаят, Н., Фарук, А.У., Али, З., Джамил, Ш. Р., Хусейн, З .: Ветряная турбина с вертикальной осью — обзор различных конфигураций и методов проектирования. Обновить. Поддерживать. Energy Rev. 16 , 1926–1939 (2012)

Артикул Google ученый

26.

Хамид, М.С., Афак, С.К .: Разработка и анализ лопасти ветряной турбины с прямыми лопастями и вертикальной осью с использованием аналитических и численных методов. Ocean Eng. 57 , 248–255 (2013)

Артикул Google ученый

27.

Чонг, W.T., Fazlizan, A., Poh, S.C., Pan, K.C., Hew, W.P., Hsiao, F.B .: Проектирование, моделирование и испытания городской ветряной турбины с вертикальной осью и всенаправленным направляющим аппаратом. Прил. Энергетика 112 , 601–609 (2013)

Статья Google ученый

28.

Купер П., Кеннеди О.К .: Разработка и анализ новой ветряной турбины с вертикальной осью. Proceedings Solar 2004 –– Жизнь, Вселенная и возобновляемые источники энергии 1–9 (2004)

29.

Ajayi, O., Fagbenle, R., Katende, J., Aasa, S.A., Okeniyi, J .: Характеристики профиля ветра и анализ производительности турбины в Кано, на северо-западе Нигерии. Int. J. Energy Environ. Англ. 4 , 27 (2013)

Артикул Google ученый

30.

Моршед, К., Рахман, М., Молина, Г., Ахмед, М .: Испытания в аэродинамической трубе и численное моделирование аэродинамических характеристик трехлопастной ветряной турбины Савониуса. Int. J. Energy Environ.Англ. 4 , 18 (2013)

Артикул Google ученый

31.

Лю С., Джанаджрех И.: Разработка и применение усовершенствованной модели метода импульса лопаточного элемента на ветряных турбинах с горизонтальной осью. Int. J. Energy Environ. Англ. 3 , 30 (2012)

Артикул Google ученый

(PDF) Производство электроэнергии с помощью ветряной турбины с вертикальной осью

Международный журнал

Новые исследования в области менеджмента и технологий

ISSN: 2278-9359 (Том-4, выпуск-7)

Производство электроэнергии с помощью ветряных турбин с вертикальной осью

Ниранджана.S.J

Асс. Профессор кафедры машиностроения

Инженерный факультет Университета Христа,

Карнатака, Индия

Реферат —

В настоящей работе ветряная турбина с вертикальной осью (VAWT) спроектирована и изготовлена в соответствии со спецификацией,

VAWT лопасти имеют аэродинамическую форму, имеют меньший вес и большую жесткость, VAWT в сборе имеет

, установленный на магистралях разделителя, так что скорость воздуха, полученная от движущегося транспортного средства, достаточно

, чтобы разрезать лопасти турбины, VAWT ветряная мельница специального назначения, они сконструированы таким образом, что транспортное средство

, движущееся по обеим сторонам шоссе, способно резать лопасти VAWT, лопасти соединены с внутренним валом

, соединенным с генератором, он генерирует энергию, мощность, вырабатываемая VAWT, хранится в батарее,

мощность используется для некоторых полезных приложений.В этом проекте разработана модель малой мощности, испытанная в лаборатории

, результат получен для скорости 25 м / с, мощность может достигать 1 Вт. Он также работает при низкой скорости ветра

от 4 м / сек до 35 м / сек.

Ключевые слова — VAWT, моделирование, изготовление.

I. ВВЕДЕНИЕ

Ветер — это природный ресурс, который можно использовать в качестве альтернативной энергии. Энергия ветра — хороший выбор для дополнения

ископаемых энергоносителей.В остальном энергия ветра является чистой, обильной и может уменьшить проблему глобального потепления

из-за чрезмерного использования обычного сжигания с использованием процессов с использованием воздуха. VAWT имеет ряд преимуществ. Тяжелые детали

можно ставить на землю и легко обслуживать. VAWT может улавливать ветер со всех

направлений. Асинхронный генератор, подключенный напрямую к электросети, является одним из самых простых способов для ветровой системы генерации

.Предлагаются модели каждой детали и схемы управления. В частности, модель VAWT

подробно описана, включая такие явления, как тень от башни и сдвиг ветра. Результаты моделирования и экспериментов

подтверждают анализ и заключение. Типы модификаторов ветряных турбин с вертикальной осью были испытаны и показали, что эта

VAWT предлагает более высокий КПД [2] Ветряная турбина может быть альтернативным выбором для выработки электроэнергии в районах

, где отсутствует электроснабжение.Есть два типа ветряных турбин: ветряные турбины с вертикальной осью и горизонтальные оси

. Ветряк с вертикальной осью имеет ротор, который вращается вокруг своей вертикальной оси. По сравнению с более традиционной ветряной турбиной с горизонтальной осью

, этот VAWT обладал несколькими преимуществами, такими как независимость от направления ветра

, передача вращающихся частей может быть установлена рядом с землей для простоты обслуживания, более низкий уровень акустического шума

и меньшее нарушение силы тяжести, вызванное негармоническим реверсивным напряжением в основании лопасти.

Разработка ветряных турбин с вертикальной осью проводилась более 30 лет. В последнее время ветровые турбины с вертикальной осью

стали более внимательными с точки зрения оптимизации выработки электроэнергии и рентабельности.

Факторы, влияющие на выходную мощность ветряной турбины, очень важны передаточное число конечных скоростей. Оптимальное управление мощностью

— это управление ветровой турбиной, работающей с оптимальным передаточным числом оборотов и генерирующей максимальную мощность.Но неточность управления

приведет к ненужным потерям системы [3].

Тем не менее, ветряные турбины с горизонтальной осью (HAWT) по-прежнему являются излюбленной конфигурацией турбин для электрического поколения

. Многие типы роторов спроектированы и испытаны для оценки поведения и эффективности. Установка дополнительных вертикальных ветряных турбин типа

от Savonious до Darrieus может повысить эффективность и существенно снизить скорость ветра

, необходимую для начала вращения.В данной работе изучалось влияние рабочих условий (передаточное число конечных скоростей) на начальное вращение

, вращение на повышенных оборотах, мощность и крутящий момент ветряной турбины с изогнутыми лопастями с вертикальной осью (CB-

VAWT).

Энергия: Энергия — это способность физической системы выполнять работу

Классификация энергии

В целом она подразделяется на

1. Обычная энергия применяется на практике в течение длительного времени, и для ее использования доступны хорошо зарекомендовавшие себя технологии

и пользуйтесь ими, E.грамм. Уголь, нефть, природный газ, гидроэнергетика, атомная энергетика и т. Д.

Зависимость от момента инерции ветряных турбин с вертикальной осью при пульсирующем ветре

Ветровые турбины с вертикальной осью (VAWT) не подвержены влиянию изменений направления ветра, и они имеют простой конструкция и потенциал для высокой эффективности за счет их движущей силы подъема. Однако на VAWT влияют изменения скорости ветра из-за эффектов, возникающих из момента инерции. В этом исследовании изменения скорости вращения небольшого VAWT при пульсирующем ветре, создаваемом нестационарной аэродинамической трубой, исследуются путем изменения параметров цикла и амплитуды ветра.Показано, что экспериментально наблюдаемые отклики согласуются с результатами моделирования, основанными на характеристиках крутящего момента, полученных в условиях установившегося вращения. Кроме того, представлено простое уравнение, выражающее взаимосвязь между шириной изменения вращения и амплитудой пульсирующего ветра. Эффективность использования энергии при пульсирующем ветре остается постоянной при изменении как момента инерции, так и ветрового цикла; однако эффективность использования энергии снижается при большой амплитуде ветра.

1.Введение

Вертикально-осевые ветряные турбины (VAWT) [1] являются перспективными энергетическими устройствами [2–4]. Они имеют простую конструкцию, их выходная мощность не зависит от изменения направления ветра, а в зависимости от движущей силы подъемной силы они обладают потенциалом высокой эффективности. Однако на VAWT влияет изменение скорости ветра из-за их момента инерции. В результате реакция ротора на изменение скорости ветра важна при рассмотрении правильного управления VAWT.

В целом, для проектирования, анализа и управления более широко распространенными ветряными турбинами с горизонтальной осью (HAWT) прогнозирование нестационарных аэродинамических нагрузок является сложной и важной задачей.По этой причине много усилий было вложено в моделирование нестационарной аэродинамики ветряных турбин [5]. В случае VAWT, даже если скорость ветра постоянна, угол атаки притока к лопасти периодически изменяется во время вращения. Таким образом, динамический анализ VAWT необходим для надежного проектирования и снижения стоимости [6]. На практике проблемы еще более сложны, поскольку ветряные турбины часто устанавливаются в условиях турбулентности и резких колебаний скорости ветра.

Обычно прогнозы характеристик ветряных турбин сравнивают с полевыми или экспериментальными данными, измеренными при постоянной скорости ветра.Недавно были измерены переходные характеристики VAWT с прямыми лопастями, подверженных ступенчатому изменению скорости ветра в нестационарной аэродинамической трубе [7]. В настоящем исследовании, чтобы исследовать зависимость характеристик VAWT от момента инерции при нестационарном ветре, измеряется реакция VAWT с прямыми лопастями на пульсирующий ветер, изменяя момент инерции ротора, цикл ветра и ветер. амплитуда. Экспериментальные результаты сравниваются с численным моделированием, в котором предполагается, что экспериментальные коэффициенты крутящего момента получены в условиях постоянной скорости ветра.Кроме того, выполняется моделирование теоретической VAWT с размером ротора, отличным от размера, используемого в эксперименте, и исследуется зависимость отклика ротора от средней скорости пульсирующего ветра, а также поведение ротора в случае длинный ветровой цикл.

2. Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки показана на рисунке 1. Экспериментальная VAWT имеет четыре прямые лопасти с аэродинамическими профилями NACA 0012 (длина хорды: м). Диаметр ротора — м, высота — м.Рабочая площадь ротора ² м. Исходный момент инерции ротора составляет кгм ², и его можно увеличить до 0,3 кгм ², закрепив грузы на оси под ротором. На рис. 2 представлена фотография ротора VAWT и грузов, установленных на оси вращения. Аэродинамическая труба типа Эйфеля в Университете Тоттори (квадратное выходное отверстие сопла 🙂 может генерировать пульсирующие ветра с помощью осевого вентилятора, который может изменять угол своей лопасти во время вращения с постоянной скоростью [8].В настоящем эксперименте порошковым тормозом управляют для создания постоянного крутящего момента нагрузки. Расстояние между выходным отверстием аэродинамической трубы и осью ротора составляет 1,5 м, а скорость ветра измеряется с помощью зонда с горячей проволокой, размещенного на выходе из сопла.

3. Экспериментальный метод
Средняя скорость пульсирующего ветра была зафиксирована на м / с, а амплитуда — на или 2 м / с. Цикл ветра изменен с 8 с. Крутящий момент нагрузки поддерживался на уровне около Нм, что соответствовало условиям максимальной мощности экспериментального VAWT при постоянной скорости ветра 10 м / с.Частота дискретизации скорости вращения и скорости ветра составляла 8 Гц. Время регистрации крутящего момента, скорости вращения и скорости ветра зависело от цикла пульсирующего ветра и составляло примерно от 200 до 250 с. Это соответствовало примерно 50 циклам для s, 42 циклам для s и 31 циклу для s. Все измеренные данные были усреднены по фазе на основе измеренных данных скорости ветра, и пример усредненных данных для ветра и скорости вращения приведен на рисунке 3. Несколько наборов данных временных рядов были получены для каждого экспериментального условия, и Выходные данные для конкретных характеристик, таких как временная задержка, были усреднены таким образом, чтобы можно было найти репрезентативное значение для каждого условия.

4. Моделирование
Поведение угловой скорости в ответ на пульсирующий ветер было смоделировано с использованием метода Рунге-Кутта для численного интегрирования уравнения движения ветряной турбины: куда В (1) — момент инерции только ротора ветряной турбины, а моменты инерции датчика момента и порошкового тормоза считаются незначительными. — эффективный крутящий момент, определяемый как разница между крутящим моментом ветряной турбины, и тормозным моментом, исходящим от подшипников (2).- момент нагрузки, который в этом случае создается порошковым тормозом. Крутящий момент ветряной турбины,, определяется через (3), где — плотность воздуха.
В моделировании коэффициент крутящего момента, который зависит от передаточного числа конечных скоростей ,, и скорости ветра, был задан путем интерполяции табличных данных этого коэффициента, измеренных при постоянной скорости ветра. На рисунке 4 представлены коэффициенты крутящего момента VAWT, использованные в этом исследовании. Эти характеристики крутящего момента были измерены без каких-либо грузов, помещенных на ось ротора; однако было показано, что добавление весов не привело к значительному изменению.Наконец, предполагалось, что скорость потока на роторе была такой же, как у основного потока выше по потоку, когда последний был задан как синусоидальная волна со средней скоростью ветра 10 м / с.

5. Результаты и обсуждение
5.1. Временная задержка и скорость вращения Ширина
Пример экспериментальных результатов показан на рисунке 3, где графически представлены усредненные по фазе скорость ветра и скорости вращения для примерно 50 периодов для случая, когда м / с, с и кгм ².Видно, что скорость вращения периодически изменяется с постоянной задержкой по времени в зависимости от изменения скорости ветра. Для случая, показанного на рисунке 3, усредненная по времени скорость вращения равна об / мин, а ширина скорости вращения (-) равна об / мин.
Данные на Рисунке 5 (а) представляют собой временные задержки для случая, когда м / с. Эти задержки были скорректированы путем равномерного вычитания 0,15 с для учета скорости ветра, измеренной на 1,5 м выше по потоку от центра ротора. Кроме того, задержка изменения ветра в результате осевого расстояния была измерена для нестационарного ветра, создаваемого аэродинамической трубой, описанной в разделе 2 [9].Рисунок 5 (а) показывает, что задержка увеличивается с циклом ветра, но остается постоянной при увеличении момента инерции. Временные задержки показывают аналогичную зависимость от ветрового цикла, и момента инерции, для случая, когда = 2 м / с на рисунке 5 (b).
Экспериментальная ошибка для временных задержек, измеренных при каждом экспериментальном условии, показана на рисунках 6 (a) и 6 (b). Ошибка эксперимента определяется как разница между максимальным и минимальным значениями, найденными для 3–5 измерений, выраженная в процентах от среднего значения измерений.Экспериментальные ошибки составили 15,8% при = 1 м / с и 12,9% при = 2 м / с.
Зависимость ширины скорости вращения, как от момента инерции, так и от цикла ветра, для = 1 м / с, приведена на рисунке 7 (а) и показывает, что ширина скорости,, увеличивается с циклом ветра,, и уменьшается с моментом инерции,. При = 2 м / с зависимость от и почти идентична зависимости от = 1 м / с, хотя значения почти в два раза (рисунок 7 (б)). Как и выше, экспериментальная ошибка для ширины скорости вращения (об / мин), измеренная для каждого экспериментального условия, показана на рисунках 8 (a) и 8 (b), а экспериментальные ошибки для равны 12.6% при = 1 м / с и 11,2% при = 2 м / с.
5.2. Задержка фазы
Задержки фазы между изменением скорости вращения и изменением ветра показаны на рисунках 9 (a) и 9 (b) для случаев, когда = 1 м / с и = 2 м / с, соответственно. Для первых фазовая задержка увеличивается для коротких ветровых циклов. И наоборот, когда = 2 м / с, фазовая задержка остается почти постоянной на всем протяжении. Средняя смоделированная фазовая задержка, представленная пунктирной линией на рисунке 9, оказывается приблизительно в обоих случаях.
5.3. Скорость изменения скорости вращения
Скорость изменения скорости вращения, деленная на цикл ветра ,, показана для обеих амплитуд ветра на рисунках 10 (a) и 10 (b). Для каждого случая значения выражаются кривой, обратно пропорциональной моменту инерции, и независимой от ветрового цикла,. Для = 2 м / с существует разница между экспериментальными результатами и результатами моделирования, показанными пунктирной кривой. Тем не менее, в обоих случаях экспериментальные и смоделированные результаты в значительной степени согласуются друг с другом.
При сравнении коэффициентов двух смоделированных кривых, коэффициент при = 2 м / с примерно вдвое больше, чем при = 1 м / с. Следовательно, ширина скорости вращения может быть выражена как где — константа и принимает значение около используемой здесь ветряной турбины.
5.4. Энергоэффективность
Экспериментальная энергоэффективность ветряной турбины показана на рисунках 11 (a) и 11 (b) вместе с результатами моделирования, изображенными пунктирными линиями. На рисунке 12 представлена экспериментальная ошибка для каждого экспериментального условия.Для случая, когда = 1 м / с, экспериментальная ошибка энергоэффективности составляет 4,0%, а при = 2 м / с погрешность составляет 5,1%. В данном исследовании определяется как соотношение между механической мощностью турбины и входящей ветровой мощностью, выраженное в процентах: куда В (7) — временной интервал выборки данных, обозначающий суммирование по циклу ветра.
Из рисунков 11 (a) и 11 (b), энергоэффективность имеет тенденцию к снижению с увеличением момента инерции,. Однако эта тенденция была вызвана увеличением тормозного момента подшипников, на которое влияли веса, добавленные для изменения момента инерции.Для обоих случаев смоделированная энергоэффективность не зависит от или, но энергоэффективность действительно уменьшается, когда амплитуда ветра велика. Это снижение эффективности является следствием того факта, что, хотя увеличение амплитуды ветра приводит к увеличению потребляемой энергии, средняя мощность ветряной турбины остается неизменной или даже немного уменьшается при изменении амплитуды ветра. На рисунке 13 показаны местоположения моделируемой механической мощности для ветряной турбины для случая = 4 с.Средние значения мощности (20,6 Вт для = 1 м / с, 19,8 Вт для = 2 м / с) почти одинаковы, независимо от того, в то время как входная мощность ветра увеличивается на 4,7% при удвоении (171 Вт для = 1 м / с, 179 Вт для = 2 м / с).

6. Численный анализ теоретической VAWT
В предыдущем разделе численное моделирование показало хорошее согласие с экспериментальными результатами. В этом разделе представлены аналогичные модели для теоретической VAWT разного размера с разными аэродинамическими профилями.Этот новый VAWT имеет четыре прямые лопасти с аэродинамическими профилями NACA 0018 (), и m. Площадь захвата (² м) примерно в 10 раз больше, чем у экспериментального ротора (0,282 м ²). нового VAWT оценивается примерно в 5 кгм ², если лопасти изготовлены из легкого материала с плотностью 300 кг / м ³. Мощность и крутящий момент рассчитывались с использованием теории импульса лопаточного элемента [1, 10–12]. Смоделированные коэффициенты мощности () и крутящего момента () представлены на рисунке 14 для девяти скоростей ветра от 6 до 14 м / с.В этих расчетах производительности для моделирования поля потока использовалась модель двойного множественного потока, а для учета эффекта динамического срыва применялась модифицированная модель Гормонта [1]. В этом исследовании параметр в модели динамического сваливания был установлен на 1000. Аэродинамические данные (коэффициент подъемной силы и коэффициент сопротивления), необходимые для расчета характеристик, были взяты из [13] для и из [14] для. Два пика появляются на кривых при каждой постоянной скорости ветра на Рисунке 14 (b). Правый пик соответствует максимальному крутящему моменту, основанному на статических аэродинамических данных, а левый пик относится к эффектам динамического сваливания.
Для моделирования отклика теоретической VAWT амплитуда пульсирующего ветра была зафиксирована только на = 1 м / с, тогда как средняя скорость пульсирующего ветра была зафиксирована на уровне, и 13 м / с, а цикл ветра на уровне , и 32 с. Моделирование было выполнено в соответствии с методом, описанным в разделе 4, и (1) был численно интегрирован из начального состояния, которое было принято как состояние максимальной мощности ротора при средней скорости ветра. Время расчета 300 с на временном интервале 0.01 с, а в анализе использовались установившиеся данные между 200 и 300 с. В качестве данных для моделирования были введены три кривые крутящего момента. Например, при = 7 м / с использовались коэффициенты крутящего момента, для и 8 м / с, показанные на рисунке 14. Кроме того, при моделировании в этом разделе тормозной момент игнорировался (= 0; т. Е.).
Задержки по фазе, при каждой средней скорости ветра показаны на рисунке 15. В случаях, когда = 7 или 10 м / с и / или 16 с, все задержки по фазе являются приблизительными.Однако, когда = 7 или 10 м / с и с, фазовая задержка меньше, чем когда момент инерции мал (= 5 или 7 кгм ²). При большой средней скорости ветра (= 13 м / с) эта тенденция становится более заметной.
Зависимость от показана для каждой средней скорости ветра на рисунке 16. При всех средних скоростях ветра, когда или 16 с, значения не зависят от аппроксимации в (5) и хорошо согласуются с ней. Константы кривой теоретической VAWT составляют 0,0508, 0,0499 и 0,0700 для = 7, 10 и 13 м / с соответственно.Грубо говоря, увеличиваются в соответствии с порядком момента инерции (для кгм ² экспериментального ротора; для кгм ² теоретического ротора). Однако для фиксированных размеров и формы ротора значение показывает слабую зависимость от средней скорости пульсирующего ветра. Для = 32 с на Рисунке 16 значения имеют тенденцию отклоняться от приближений, даваемых (5), когда kgm ². Однако расхождение для случая большой скорости ветра отличается от расхождения для случая малых и средних скоростей ветра.
Энергетическая эффективность (%) показана на рисунке 17. КПД отражает влияние числа Рейнольдса на аэродинамические характеристики лопасти и составляет 28% при = 7 м / с и 36% при = 10 или 13 м / с. . При всех средних скоростях ветра, когда = 4, 8 или 16 с, почти не зависит от обоих и. Однако в случае = 32 с эффективность меняется, когда она мала. Причем при = 10 м / с уменьшается с уменьшением момента инерции. Напротив, когда = 13 м / с, резко увеличивается, когда кгм ².
Чтобы прояснить вышеупомянутое поведение энергоэффективности, когда она большая и маленькая, далее представлены временные профили скорости вращения и точки эффективного крутящего момента. Начальное состояние каждого профиля и локуса — это состояние максимальной мощности средней скорости ветра.
Для случая, когда = 13 м / с, = 32 с и = 7 кг · м ², временной профиль показан на рисунке 18, а соответствующее геометрическое место представлено на рисунке 19. Аналогично, для случая, когда = 13 м / с, = 32 с и = 3 кгм ², временной профиль и геометрическое место показаны на рисунках 20 и 21 соответственно.Сравнивая случаи, когда = 7 кгм ² (рисунки 18 и 19) и = 3 кгм ² (рисунки 20 и 21), быстрое изменение скорости вращения из-за малого момента инерции (= 3 кгм ²) вызывает увеличение ширины скорости вращения,, средней скорости вращения, (= 353,9 и 377,1 об / мин при = 7 и 3 кгм ², соответственно), и энергоэффективности,.

Для случая, когда = 10 м / с, = 5 кгм ² и = 16 с, временной профиль показан на рисунке 22, а соответствующее геометрическое место представлено на рисунке. 23, а когда = 10 м / с, = 5 кгм ² и = 32 с, временной профиль и геометрическая точка показаны на рисунках 24 и 25.Сравнивая эти случаи, медленное изменение скорости ветра из-за длительного цикла (= 32 с) вызывает увеличение и уменьшение (= 299,4 и 296,2 об / мин при = 16 и 32 с, соответственно). В результате несколько уменьшилось.

Как показано на рисунках 21 и 25, для случаев с большим ветровым циклом и малым моментом инерции геометрическое место крутящего момента увеличивается в направлении оси скорости вращения, и энергоэффективность может отличаться.Однако направление изменения энергоэффективности, по-видимому, зависит от формы кривой крутящего момента или от соотношения между и.
Наконец, в качестве примера крайнего случая, временной профиль и соответствующее геометрическое место для when = 10 м / с, = 32 с и = 3 кг · м ² показаны на рисунках 26 и 27, соответственно. Как показано на рисунке 27, при длительном ветровом цикле и небольшом моменте инерции правая часть (1), то есть значение, принимает отрицательные значения после первого пика скорости ветра.Следовательно, скорость вращения ветряной турбины уменьшается и, наконец, становится равной нулю. Это условие неустойчивого вращения встречается даже при больших значениях if или становится большим. Однако, поскольку крутящий момент нагрузки ветроэнергетического генератора обычно изменяется в соответствии со скоростью вращения, поведение реальной ветряной турбины может несколько отличаться от настоящего результата.

7. Выводы
Реакция VAWT с прямыми лопастями на пульсирующий ветер исследовалась путем изменения момента инерции, цикла ветра и амплитуды ветра.Фазовая задержка между скоростью вращения и изменением ветра оставалась постоянной, становясь примерно такой, когда амплитуда ветра была большой. Скорость изменения скорости вращения, деленная на цикл ветра, была обратно пропорциональна моменту инерции и не зависела от цикла ветра. Этот результат предполагает связь между шириной скорости вращения и амплитудой пульсирующего ветра. Энергетическая эффективность VAWT при пульсирующем ветре с неизменной амплитудой оставалась почти постоянной как при изменении момента инерции, так и при изменении ветрового цикла, но при большой амплитуде ветра эффективность использования энергии снижалась.
Аналогичным образом численное моделирование теоретической VAWT большего размера, чем экспериментальный ротор, показало, что энергоэффективность практически не зависит от ветрового цикла и момента инерции в условиях постоянного момента нагрузки. Однако в случае длительного ветрового цикла и небольшого момента инерции ожидается, что эффективность использования энергии будет изменяться и будет зависеть от кривых крутящего момента.
Создание корпуса для ветряных турбин с вертикальной осью
Ветряные турбины с горизонтальной осью хорошо себя зарекомендовали, но пришло время рассмотреть другие конструкции для большей эффективности и гораздо более короткой окупаемости инвестиций.
Китайский бизнесмен недавно обратился за советом по различным инвестиционным возможностям США. Джентльмен рассматривал возможность покупки огромной ветряной электростанции и рассчитывал получить большую прибыль, поэтому были назначены интервью с несколькими потенциальными продавцами. Результат, однако, оказался не таким ожидаемым, потому что инвестор рассчитал, что ROI — окупаемость — займет 40 лет.
Одна турбина с 61-метровым ротором на 80-метровой башне способна производить 2000 МВтч в год.Расчеты показывают, что 8 модулей VAWT смонтированы на 200 фт. высотное здание могло производить около 2500 МВтч в год и сразу же использовалось бы в здании.
Этот анекдот подсказывает, что пришло время изучить проблемы ветроэнергетики, взглянув на финансовые показатели и эффективность с другой стороны. В частности, способ окупаемости инвестиций в более короткий период, чем это допускается традиционными моделями. В идеале это будет включать новую конструкцию турбины и подход к производству, выращенный здесь, в Соединенных Штатах, и основанный на легкодоступных данных за последнее десятилетие.
Рассмотрим финансовую ситуацию в Европе: там правительства готовы субсидировать энергию, оплачиваемую людьми, готовыми принимать более высокие налоги. В США дела обстоят иначе
Несколько концепций вместе с работающими моделями могут доказать жизнеспособность новой эры НОЖТ. Массивы будут построены из одного предложенного VAWT и сложены во множестве конфигураций для получения требуемого результата.
Что касается эффективности ветроэнергетики, то она должна основываться не на эффективности ветрового улавливания, эффективности выработки электроэнергии или нагрузке ротора, а, скорее, на затратах на рентабельность инвестиций / кВт и на трехлетнем периоде окупаемости.
Краткий анализ
Прозрение произошло после успешного снижения стоимости и технологичности опорной конструкции для трехлопастной ветряной турбины мощностью 1 МВт. Клиент остался доволен, потому что нам удалось сэкономить больше, чем ожидалось. Возможны ли аналогичные преимущества от других компонентов?
Текущее состояние отрасли ветряных турбин (включая стоимость, эффективность, масштабируемость и другие вопросы) заслуживает внимания, прежде чем предлагать способы улучшения текущей ситуации за счет повышения эффективности, масштабируемости, снижения затрат и предоставления более широкого спектра продуктов.
Для более наглядных расчетов необходимо сначала иметь точные скорости ветра для разных областей Соединенных Штатов. Затем необходимо понять допустимые потери, чтобы получить электроэнергию от места выработки до места использования. Насколько близко можно расположить турбины? Где их можно построить? Сколько стоит земля или сервитуты?
Затем в расчетах
учитываются затраты и эффективность всех возможных турбин, затраты на производство, транспортировка и установка, текущие затраты на техническое обслуживание и срок службы, а также высота, необходимая для работы с максимальной эффективностью.Более полный список информации включает:
• Расходы на транспортировку и установку
• Рабочий диапазон
• Капитальные затраты
• Конструкция трансмиссии
• Затраты на техническое обслуживание
• Рабочие характеристики в турбулентном воздухе
• Затраты на замену
• Энергия для запуска, нагрева, рыскания турбины
• Количество деталей и вес
Для более подробного анализа обратитесь к таблице ниже.Посмотрите на годы окупаемости в последней колонке. Неудивительно, что китайский инвестор был разочарован.
Турбины могут быть выбраны с горизонтальной (стандартной) и вертикальной осью. С аэродинамической точки зрения однонаправленный горизонтальный ротор кажется хорошо подходящим и имеет пиковый КПД около 45%.
Проблемы с соглашением
Что можно найти, изучая проблему получения прибыли от ветроэнергетического продукта? Несколько вещей, включая использование земли и масштабируемость турбины.
Для обычной ветряной электростанции требуется довольно много земли и она должна располагаться не менее чем в миле от существующих жилых домов. Эти два пункта должны быть в бизнес-плане.
К сожалению, из бизнес-планов исключены также разработки небольших турбин. Их не считали игрушками для архитекторов или игрушками для неискушенных домовладельцев. Но всегда есть возможность упускать из виду, поэтому давайте рассмотрим плюсы и минусы обоих дизайнов. Начните с таблицы ниже.
При соотношении затрат и прибыли, основанном на 36-месячной окупаемости, ничто с обычными тремя лезвиями не может выиграть, если они не будут субсидированы для компенсации затрат.
Скромное предложение
Чтобы справиться с некоторыми из традиционных проблем, рассмотрим преимущества того, что потребитель энергии живет непосредственно под источником энергии. Несмотря на всю инженерную рациональность, предполагающую, что ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT) не будут работать, все же легко представить себе множество всенаправленных ветряных турбин на вершинах больших зданий с плоской крышей в ветреных городах, таких как Чикаго. Эта концепция исключает затраты на распределение и электрические потери, при этом эффективно используя пространство, не создающее добавленной стоимости.
Ветровая стенка из установленных друг на друга турбин с вертикальной осью может обеспечить те же преимущества при меньших затратах, что и обычные турбины.
VAWT не исследовались и не эксплуатировались, потому что американские разработчики следовали европейской модели. Но «увеличение размера» VAWT для малых ветров и штабелирование турбин для создания «ветровой стены» показывает недорогой способ использовать природный ресурс и производить электричество в городской среде.
Проблема и решение изучаются несколько лет. Опытный образец VAWT был выбран из-за его хороших характеристик.Его ротор имеет высоту 8 футов и ширину 6 футов. Кроме того, эти роторы могут быть объединены в группы или штабелированы для приведения в действие одного генератора на основании. Например, массив размером 36 x 32 фута (Ш x В) будет использовать в общей сложности 24 ротора с вертикальной осью, установленных друг на друга по четыре в колонну, приводящую в действие генератор мощностью 25 кВт в основании каждого. Шесть колонн обеспечивают в сумме (6 x 25) 125 кВт.
Поскольку они меньше, чем мегаваттные установки, требуемые обычными ветряными электростанциями, они пригодны для массового производства, что снижает затраты.Кроме того, менее дорогостоящая транспортировка и погрузочно-разгрузочные работы не потребуют специального оборудования.
Кроме того, в предлагаемом и перспективном генераторе используется коветический наноразмерный медный сплав. Его теплопроводность увеличивается более чем на 60%, электрическая проводимость увеличивается более чем на 40%, а ток плавления увеличивается более чем на 70%.
Краткое сравнение турбины обычного трехлопастного агрегата с предполагаемой конструкцией, таким образом, выглядит следующим образом: Трехлопастная турбина имеет рабочую площадь 21 125 кв. Футов, которая вырабатывает 1000 кВт.Следовательно, каждый квадратный фут генерирует в среднем 47 Вт. Предлагаемая турбина с вертикальной осью может генерировать 50 Вт на каждый квадратный фут поперечного сечения лопастей на уровне земли. На высоте 100 футов выходная мощность удваивается до 100 Вт и до 150 Вт на высоте 200 футов. Это базовые цифры, которые не включают увеличение производительности, вероятно, от конфигураций массива. Например, Джон Дабири из Калифорнийского технологического института обнаружил, что разработка массива VAWT для встречного вращения (CW, CCW, CW и т. Д.) Значительно улучшила выходную мощность массива. WPE
Авторы: Сэнди Манро, генеральный директор Munro & Associates, Inc., www.leandesign.com, и Том Скотт, изобретатель и консультант
В рубрике: Трансформаторы
Программное обеспечение для расчета лопастей ветряных турбин
Программное обеспечение для расчета лопастей ветряных турбин
Аннотация
Эффективная конструкция лопастей ветряных турбин требует решения нескольких уравнений, включающих коэффициент подъемной силы и угол атаки для интересующего аэродинамического профиля.Это программное обеспечение позволяет указать количество лопастей, необходимое TSR, приблизительную эффективность лопастей, радиус лопастей и скорость ветра. Будет разработан набор лезвий, соответствующих вашим требованиям. Программное обеспечение предоставит расчетную выходную мощность, крутящий момент и скорость вращения, которые должны соответствовать вашему генератору. Благодарность Клаусу Ниброу за формулы
Ключевые слова: энергия ветра, вычислитель лопастей ветряной турбины, конструкция аэродинамического профиля ветряной турбины
4.
«Калькулятор лопастей ветряных турбин 2012»
Обновлено до 24.01.2014
5.
«Калькулятор лопастей ветряной турбины»
9 января 2006 г.
7.
«Калькулятор лопастей ветряной турбины»
Оригинал — Ретро 2003 Версия
31 марта 2011 г.
«Интерактивный калькулятор лопастей ветряных турбин 2011»
8.
«Калькулятор лопастей ветряной турбины»
20 марта 2009 г.
6.
Создайте индивидуальные лопасти для своего генератора и рассчитайте выходную мощность при каждой скорости ветра.
Бесплатные образцы хорды могут быть созданы для лопаток от 0,70 м до 0,80 м (550 Вт — 710 Вт).
Бесплатные тарифные планы для блейд-серверов мощностью 500 Вт при каждой покупке.
Часто задаваемые вопросы о плановых заказах, конструкции лопастей, электромонтажных работах и согласовании генераторов можно найти на наших страницах вопросов и ответов.
3.
«Калькулятор лопастей ветряной турбины»
Текущий HAWT — обновлено 23.10.2015
1.
Текущий VAWT — 15.09.2019
«Конструктор H-образных лопастей ветряных турбин, имитатор и генератор аэродинамического профиля (STL)»
«Калькулятор лопастей для ветроэнергетических установок с вертикальной осью (VAWT), сделай сам (непроверенная версия)»
Бета-версия
, 2016 г.
2.
[mobile6]
Коэффициент мощности ветряной турбины: что влияет на производство электроэнергии
Что такое коэффициент мощности и что мы должны о нем знать?
При оценке эффективности выработки электроэнергии ветряной турбиной в определенном месте обычно принимают во внимание несколько измерений. Коэффициент мощности ветра — один из них. Коэффициент мощности, который часто путают с эффективностью или мощностью ветряной турбины, на самом деле является результатом расчета как внутренних, так и внешних воздействий.

Коэффициент мощности не является мощностью ветряной турбины
Мощность ветровой турбины описывает, сколько электроэнергии ветровая турбина может вырабатывать при оптимальных ветровых ресурсах. Например, наша ветряная турбина с вертикальной осью LS Double Helix 1.5 вырабатывает электрическую мощность 1,5 кВт при номинальной скорости ветра 15 м / с. Это означает, что наша ветряная турбина имеет мощность 1,5 кВт. Другими словами, турбина рассчитана на выходную мощность 1.5 кВт.
Аналогичным образом, если береговая ветряная турбина с горизонтальной осью вырабатывает 2 МВт (мегаватт) при номинальной скорости ветра, ее мощность составляет 2 МВт.
Иконки ветряных турбин, созданные Луизой Иборра из Noun Project.

Выработка электроэнергии измеряется во времени
Количество энергии, генерируемой любым источником или потребляемой любым пользователем, обычно измеряется с течением времени. Точнее, за единицу времени «час». Например, если ветряк LuvSide мощностью 1.5 кВт работает полностью в течение одного часа, вырабатывает 1,5 кВт-ч (киловатт-час) электроэнергии. Если он проработает полностью в течение двух часов, он вырабатывает 1,5 кВт x 2 часа = 3,0 кВт · ч электроэнергии.
В зависимости от конструкции каждая ветряная турбина имеет разную способность улавливать энергию набегающего ветра и преобразовывать ее в крутящий момент, приводящий в движение генератор. Хотя эта способность в основном отражается на эффективности и мощности ветряной турбины, внешние факторы также влияют на количество энергии, производимой турбиной с течением времени.Это когда фактор мощности вступает в игру.

Ветер не всегда сильный, постоянный или присутствует
Сколько электроэнергии может генерировать турбина, во многом зависит от скорости ветра и постоянства набегающего ветра. При более низких скоростях ветра выработка электроэнергии резко снижается. Когда скорость ветра падает вдвое, выработка электроэнергии уменьшается в восемь раз.
Возьмем, к примеру, турбину LuvSide. Турбина LS Double Helix 1.5 оптимально работает при скорости ветра 15 м / с.Когда скорость ветра составляет всего 10 м / с, турбина может вырабатывать только 1 кВтч энергии за 1 час. Когда скорость ветра составляет 15 м / с, но дует только 0,5 часа, та же турбина вырабатывает всего 0,75 кВтч за этот час.
Иконки ветряных турбин, созданные Луизой Иборра из Noun Project.

Математика ясна. Ветер не всегда дует с одинаковой скоростью 24 часа в сутки, 365 дней в году. Иногда ветровые ресурсы в определенном месте меняются в зависимости от сезона. Иногда неожиданные погодные условия в течение дня определяют, насколько сильный ветер доступен.Из-за этого ветряная турбина не всегда может работать в номинальном режиме. Бывают случаи, когда ветряная турбина вообще не вращается из-за отсутствия ветра.

Коэффициент мощности ветряной турбины описывает реальную выходную мощность
Коэффициент мощности ветряных турбин описывает разрыв между номинальной и реальной производительностью ветряной турбины в определенном месте в течение определенного периода времени. Это отношение фактической выходной мощности ветряной турбины к ее номинальной или максимальной выходной мощности.
Давайте возьмем более простое объяснение. В некоторых музеях можно найти велосипед, подключенный к лампочке . Когда люди едут на велосипеде, они вырабатывают электрическую энергию, которая зажигает лампочку. Теперь лампочка имеет 100% максимальную легкость, но не каждый человек может ездить на велосипеде достаточно быстро, чтобы достичь этого.
Предположим, что нужно олимпийскому велосипедисту, чтобы достичь 100% легкости с велосипедом. Но теперь мы получаем только мой дедушка . Мой дедушка настолько медлителен, что может ездить на велосипеде только при 30% освещенности лампочки.В этом случае коэффициент загрузки велосипеда составляет 30%. Спасибо дедушке.
В этой метафоре велосипед — это ветряная турбина. Лампочка представляет собой произведенную энергию. Олимпийский велосипедист — это оптимальная скорость ветра, которую мы хотим для нашей турбины. Тем не менее, мой дедушка — это скорость ветра, которую мы на самом деле получаем.

Коэффициент мощности зависит от многих причин и рассчитывается за период времени
Обычно коэффициент использования мощности измеряется на период в один год.Следовательно, на коэффициент мощности ветряной турбины влияет множество различных причин, происходящих в течение года. К ним относятся скорость ветра, время простоя при техническом обслуживании, время простоя при ремонте и другие.
Для расчета коэффициента мощности ветряной турбины мы берем фактическую мощность турбины за год и делим ее на оптимальную выходную мощность за тот же период времени.
В качестве примера снова возьмем ветряную турбину LS Double Helix 1.5 . Номинально ветряная турбина вырабатывает 13 140 кВтч электроэнергии в год, при условии, что ветер дует непрерывно со скоростью 15 м / с в течение всего года.Однако на самом деле турбина вырабатывала всего 2628 кВтч в том году из-за недостатка ветра. В этом случае коэффициент мощности ветряной турбины того года составляет 2628 кВтч / 13 140 кВтч = 20%.
Иконки ветряных турбин, созданные Луизой Иборра из Noun Project.

Как повысить коэффициент полезного действия ветряной турбины
Согласно исследованиям, ветряная турбина вырабатывает со средней скоростью около 40% времени или выше, что означает, что она вырабатывает мало энергии или не вырабатывает ее в 60% случаев по разным причинам.Средний коэффициент мощности ветряной турбины за один год обычно составляет от 20% до 30%, но все еще есть способы улучшить производительность.
Прежде всего, тщательное планирование перед установкой ветряной турбины может помочь вам максимально увеличить коэффициент использования мощности. Очень важно убедиться, что выбранный вами участок ветряной турбины получает оптимальные ветровые ресурсы. Это означает не только стабильный поток ветра, но и отсутствие препятствий, которые могли бы блокировать входящий ветер.Чем больше ветровых ресурсов получает турбина, тем больше энергии она может генерировать.
Во-вторых, коэффициентов мощности определяются не только ветровыми ресурсами. Конструкция ветряной турбины влияет на способность турбины получать энергию от набегающего ветра. Вообще говоря, низкая скорость ветра и турбулентный ветер — две основные проблемы для работы турбины.
Следовательно, современные турбины, которые могут вырабатывать электроэнергию при более низких скоростях ветра, увеличивают свои коэффициенты мощности.Ветряные турбины, работающие в условиях турбулентного ветра, также имеют конкурентные преимущества. Выбор правильного типа ветряной турбины, которая лучше всего подходит для ваших местных ветровых условий, имеет важное значение для обеспечения оптимальной выходной мощности.
Проектирование, сборка и экспериментальные испытания ветряной турбины типа Савониуса
I. ВВЕДЕНИЕ
WIND energy — это возобновляемый источник энергии, который можно использовать для преобразования с помощью механических устройств, таких как ветряная турбина, где он преобразует кинетическую энергию ветра в механическую энергию оси [1] [2].В основном есть две большие группы ветряных турбин, которые были разработаны для такого процесса и классифицируются в соответствии с ориентацией вала турбины. Это турбины с вертикальной осью и турбины с горизонтальной осью [3]. Турбины с горизонтальной осью, которые используются в большинстве ветряных электростанций, состоят из фундамента, башни, гондолы с силовой передачей, ротора и лопастей.
Согласно Руководству по технологии Mini-Wind [4], в случае ветряных турбин с горизонтальной осью ротор может быть наветренным, то есть в направлении падения ветра перед башней, или с подветренной стороны, в которой Корпус ротора расположен за башней при преобладающем направлении ветра.Большинство ветряных турбин имеют ротор, обращенный к наветренной стороне башни, что означает, что для них требуется некоторая система наведения. В случае ротора с подветренной стороны ротор является самоориентирующимся, что упрощает его конструкцию.
Турбины с горизонтальной осью более эффективны, чем турбины с вертикальной осью, более надежны, дешевле и есть из множества продуктов на выбор. Однако им трудно поддерживать непрерывную ориентацию, и их эффективность снижается из-за работы в турбулентном режиме.
Турбины с вертикальной осью ориентированы в преобладающем направлении ветра из-за своей симметрии, менее чувствительны к условиям высокой турбулентности и производят меньше вибраций, что делает их идеальными для интеграции в жилые, городские и даже здания [5]. С другой стороны, их эффективность ниже по сравнению с горизонтальной осью, и они не очень хорошо зарекомендовали себя, поскольку сейчас находятся в полной разработке. Вертикальные турбины бывают двух типов: тормозные и подъемные.Первый менее эффективен, но обычно менее надежен.
Внутри турбин с вертикальной осью находятся турбины типа Савониуса, которые используются для преобразования энергии ветра в крутящий момент на вращающейся оси. «Турбины с вертикальной осью были изобретены финским инженером Сигурдом Я. Савониусом в 1922 году», они могут запускаться при низкой скорости ветра и очень просты в изготовлении; Он имеет небольшую скорость поворота и относительно низкую производительность.
В исследовательской работе особое внимание уделяется проектированию физических компонентов ветряной турбины типа Савониуса на основе конструктивных параметров этого типа роторов и параметров, которые характеризуют использование энергии ветра, таких как скорость ветра, плотность воздуха в регионе и турбулентность.После выбора окончательной концепции и размеров ветряной турбины выполняется моделирование и симуляция ротора. В дальнейшем конструкция ветряной турбины выполняется по полученным планам и, наконец, проводятся экспериментальные испытания в лаборатории.
II. Расчетные параметры ВЭУ типа Савониус
Было проведено несколько исследований [6], [7], [8], касающихся изучения характеристик ротора Савониуса при различных геометрических конфигурациях его ротора.Эти исследования были выполнены на основе численного вычислительного анализа с использованием преимуществ использования CFD (вычислительной динамики жидкости) и экспериментальных испытаний в аэродинамических трубах. Различные конфигурации, которые разрабатывались с течением времени, были направлены на улучшение аэродинамических характеристик ротора Савониуса. Вот почему геометрическая конфигурация является фундаментальной с точки зрения ее производительности, конфигурация, которая была указана для ротора Савониуса, определяется следующими конструктивными параметрами ротора:
Соотношение сторон ротора.
Площадь, охватываемая лопастями ротора.
Геометрическая форма лопастей (профиль, длина троса).
Взаимосвязь перекрытия и расстояния между лопастями.
Количество лопастей и ступеней.
Прочие дополнительные компоненты конструкции ротора (ось, эффект паруса-флага, опорная конструкция и т. Д.).
Геометрическая форма лопастей будет иметь полукруглый профиль, который будет получен из трубы ПВХ диаметром 6 дюймов, сохраняя традиционную форму лопастей ротора Савониуса. На рис. 1 показан профиль лопасти с ее размерами.

Рис. 1.
Профиль лезвия.
[7]
Отношение перекрытия — это безразмерный параметр, который связывает перпендикулярное расстояние между крестом и центром вращения с длиной линии хорды, которая задается как (1) [8]:
(1)
Где — расстояние между внутренними концами лезвий, которые имеют перекрытие, и соответствует значению диаметра полуцилиндрического лезвия, который, в свою очередь, совпадает с длиной каната.На рис. 2 схематически показаны сказанные отношения.
Таким образом, коэффициент перекрытия является конструктивным параметром ротора Савониуса, несколько авторов изучили оптимальное соотношение перекрытия для роторов с 2 лопастями, что является частным случаем настоящего исследования. Согласно Menet, J et al. [7] коэффициент перекрытия в двухлопастном роторе находится в диапазоне от 0,15 до 0,3 длины лопасти.

Рис. 2
Схема геометрических параметров и степени перекрытия для двухлопастного ротора.
[8]
Соотношение сторон — это безразмерный параметр, который включает в себя высоту ротора H и диаметр круга, который образуется при вращении концов лопастей, называемый диаметром ротора D. На рисунке 3 показаны геометрические значения ротора, где соотношение сторон можно увидеть.

Рис. 3.
Соотношение сторон ротора.
[9]
Уравнение, связывающее высоту ротора H с диаметром ротора D, дается формулой (2) [9]:
(2)
Рабочая площадь ротора обычно определяется как площадь выступа, которая образуется во время вращения лопастей.В случае ротора типа Савониуса площадь проецирования соответствует площади прямоугольника. Это можно увидеть на рисунке 4, который схематически представляет проекцию этой области.

Рис. 4.
Изображение рабочей области ротора Савониуса.
[6]
Таким образом, расчет площади, охватываемой ротором Савониуса, будет дан по формуле (3) [10]:
(3)
Определение размеров конечных пластин ротора выполняется на основе критериев, предложенных Akwa et al.[6], в котором говорится, что толщина конечных пластин должна быть минимальной по отношению к высоте ротора. Он также рекомендует значение в 1,1 раза больше диаметра ротора для расчета диаметра конечных пластин. Вот как уравнение для расчета диаметра конечных пластин дается формулой (4) [6]:
(4)
Значение конечной толщины листа зависит от материала материала и момента инерции ротора.Торрес, Даниэла М. [11] составили матрицу решений для выбора материала лопастей и концевых пластин, из которых она выбрала в качестве наилучшего варианта оцинкованный лист калибра 16, который соответствует толщине 1,52 мм. Количество лопастей является фундаментальным структурным параметром, который определяет производительность ротора Савониуса, как указано выше. Роторы двух лопастей имеют большее изменение крутящего момента, создаваемого на оси, по сравнению с роторами трех или более лопастей; это изменение представлено, поскольку для двухлопастного ротора угол разделения между ними составляет 180 °, таким образом, каждые 180 ° предоставляется максимальный крутящий момент, потому что сила, воспринимаемая лопатками турбины, является максимальной в этой точке.Это можно увидеть на кривой зависимости крутящего момента от угла атаки, представленной Хади [10], которая показана на рис. 5.

Рис. 5
Изменение статического момента в зависимости от угла атаки турбины Савониуса с двумя лопастями
[10]
Что касается ротора с тремя или более лопастями, изменение крутящего момента в зависимости от угла атаки воздушного потока имеет тенденцию быть более постоянным, что также позволяет управлять высокими передаточными числами на концах. В частном случае конструкции ротора, который будет выполнен, был выбран двухлопастной ротор, поскольку, хотя крутящий момент имеет большее изменение в зависимости от угла атаки, кривая коэффициента мощности в функции передаточного числа на концах представляет более высокие значения коэффициента мощности.Следующая кривая, рис. 6, показывает сравнение кривых коэффициента мощности как функции скорости ветра.

Рис. 6
Кривые мощности в зависимости от скорости ветра ротора с 2, 3 и 4 лопастями
[9]
Ступени ротора Савониуса представляют собой наложение простых роторов Савониуса, где они не совпадают по фазе под определенным углом [12], что видно на рис. 7.

Рис. 7. Роторы Савониуса
с разными ступенями
[12]
В данной конструкции рассматривается двухступенчатый ротор, поскольку, помимо преимуществ уменьшения флуктуаций момента, в основном рассматриваются многоступенчатые роторы для двухлопастных роторов.
На рис. 8 показан коэффициент мощности как функция скорости ветра для двухступенчатых роторов с 2, 3 и 4 лопастями.
Первым параметром при проектировании турбины является скорость свободного ветра. Вот почему важно расположение турбины. Согласно Атласу ветра [13], средняя скорость ветра в муниципалитетах Гуатика и Кинчия составляет примерно 8 м / с. Эти площадки являются подходящими местами в департаменте Рисаральда для размещения ветряной турбины Савониуса, учитывая ее близость и которые могут стать испытательными площадками для этого типа ветряных турбин.Среднегодовая скорость ветра в Технологическом университете Перейры по данным метеорологической единицы составляет 0,77 м / с, а по данным, собранным Торресом Д. [11], средняя годовая скорость метеорологической единицы в районе Мундо Нуэво составляет 3,81 м / с. на 2014 год. После проведения анализа упомянутых выше участков, скорость ветра устанавливается в качестве значения расчетного параметра, так что турбина может быть пригодна для экспериментальных испытаний на любом из вышеупомянутых участков.

Рис.8
Кривые коэффициента мощности в зависимости от скорости ветра для двухступенчатого ротора с 2, 3 и 4 лопастями
[9]
Коэффициент скорости наконечника TSR (λ) [14] — это безразмерный параметр, который связывает тангенциальную скорость наконечников лопасти со скоростью свободного ветра, в дополнение к отображению поведения конкретного типа ветряной турбины. , который применим для VAWT (ветряная турбина с вертикальной осью) и HAWT (ветряная турбина с горизонтальной осью), TSR упоминается в (5).
(5)
Где Ω — угловая скорость ротора, R — расстояние от центра вращения ротора до кончика лопасти. Число Рейнольдса — это безразмерный параметр, используемый при изучении потока жидкости через турбомашины и проточные системы, который связывает силы инерции с силами вязкости [12]. Для ветряной турбины типа Савониуса число Рейнольдса определяется в уравнении (6).
(6)
Где ρ — плотность воздуха, — скорость свободного ветра, D — диаметр ротора, а μ — динамическая вязкость.
Число Рейнольдса играет очень важную роль в экспериментах с ветряными турбинами в аэродинамической трубе при оценке их аэродинамических характеристик. Такие авторы, как Ниаз [15], провели исследование, посвященное влиянию числа Рейнольдса на аэродинамические характеристики трехлопастного двигателя Савониуса. турбина с различными коэффициентами перекрытия, в которых выражается следующее: для высоких чисел Рейнольдса смоделированная турбина без радиуса перекрытия генерирует лучшие аэродинамические коэффициенты, с другой стороны, для низких чисел Рейнольдса модель с умеренным радиусом перекрытия дает лучшие результаты.
III. КОНСТРУКЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ ТИПА SAVONIUS
Поток воздуха через ротор вызывает силы на лопасти и различные элементы, составляющие опорную конструкцию. Определение нагрузок, создаваемых воздушным потоком, основано на изучении поведения потока и применении различных теорий, полученных при анализе количества движения. Таким образом, анализ различных сил, действующих на турбину, удобно рассматривать отдельно, выполняя аэродинамический анализ, а затем учитывать силы, которые передаются между различными элементами.
По установленным конструктивным параметрам перечисляются комплектующие, из которых будет состоять данное устройство:
Ниже приводится краткое описание уравнений, использованных при проектировании физических компонентов турбины:
КОНСТРУКЦИЯ РОТОРА: Проектирование дерева включает следующие этапы согласно Ванегас, Л [16]:
Выбор материала.
Конструктивный дизайн.
Проверка устойчивости: статической, усталостной и динамической нагрузкам.
Проверка жесткости: прогиб при изгибе и крутизна упругости и деформация при кручении.
Модальный анализ.
Выбор материала вала. Чаще всего при изготовлении валов используется сталь с низким или средним содержанием углерода. Этот материал рекомендуется для устойчивости к динамическим нагрузкам, поскольку он имеет предел выносливости и позволяет выдерживать многие циклы нагрузки.Если требуются дополнительные свойства, такие как коррозионная стойкость, должна быть выбрана сталь, свойства которой обеспечивают устойчивость к требуемым характеристикам.
Расчет веса ротора. Вес ротора определяется по сумме индивидуальных весов каждого из составляющих элементов.
Лопасти, как определено в части предварительного проектирования, будут изготовлены из материала ПВХ, последние пластины, составляющие ротор, из холоднокатаного стального листа AISI / SAE 1020 и панели, являющиеся частью ротора, из акрилового материала.Общий вес ротора определяется по (7).
(7)
Расчет диаметра вала ротора. Расчет диаметра вала ротора будет производиться на основе теории конструкции вала, рекомендованной Vanegas, L [16]. Поскольку вал совершает вращательное движение, нагрузки, которые он должен выдерживать, меняются во времени. Вот почему применяются расчетные уравнения теории усталости. При анализе усталости вала существует три метода, позволяющих рассчитать диаметр вала, необходимый для адекватного сопротивления динамическим нагрузкам.Это следующие методы:
Метод фон Мизеса [16] применяется для этого случая после того, как были определены различные аэродинамические нагрузки в роторе, из которых можно получить требуемый диаметр вала для выдерживания динамических нагрузок с течением времени, это показано ниже в (8 ).
(8)
Где напряжения _T и _D можно рассчитать следующим образом:

Автор
Автор
Важно уточнить, что необходимо выполнить несколько проверок сопротивления вала, таких как устойчивость к вибрациям, жесткость, модальный анализ и т. Д., как установлено ранее.
Выбор подшипников ветряных турбин: на основании диаграмм силы сдвига и изгибающего момента можно определить радиальные нагрузки, которые должны нести опоры вала, то есть подшипники. Кроме того, подшипник, расположенный в нижней части, должен выдерживать осевую нагрузку, соответствующую весу ротора. Следовательно, значения реакций в опорах дерева равны:

Автор
Определение эквивалентной радиальной динамической нагрузки: из-за опор подшипников A и D, опорных радиальных и осевых нагрузок необходимо преобразовать эти значения нагрузки в одно значение радиальной нагрузки, которое повлияет на срок службы эквивалентной выдерживая действительную прилагаемую нагрузку, эта нагрузка известна как «эквивалентная радиальная динамическая нагрузка» [17], которая определяется по (9).
(9)
F _r: фактическая радиальная нагрузка [Н], F _a: фактическая осевая нагрузка [Н], X: коэффициент радиальной нагрузки, Y: коэффициент осевой нагрузки.
Оценка сопротивления лезвия: как указано в предварительном проекте, лезвия изготовлены из трубы ПВХ толщиной 6 дюймов. На основании этих размеров и материала необходимо оценить сопротивление лезвия, поэтому для его анализа берется лезвие, которое находится в нижняя ступень является наиболее важной для поддержки сил сопротивления и весовых нагрузок.По схеме нагружения и нахождению наиболее ответственного участка была проведена проверка сопротивления разрыву и раздавливанию:
° Расчет напряжения отрыва [16]: Он определяется по (10):
(10)
b ₁: Расстояние от края лезвия до периферии отверстия [м], получается из плоскостей, l ₁: Толщина оцениваемого материала [м].
° Сопротивление раздавливанию [16]: Сопротивление раздавливанию определяется по (11):
(11)
Конструкция болтов ротора [16]: крепежные элементы, которые используются для соединения лопастей с конечными пластинами и вала с лопастями, представляют собой болты, подверженные статическим нагрузкам, поэтому применяются расчетные теории для комбинированных статических нагрузок.Теория октаэдрического напряжения сдвига применяется к одной из точек, подверженных нормальному напряжению, а другая — напряжению сдвига, с помощью уравнения 12.
(12)
КОНСТРУКЦИЯ КОНСТРУКЦИИ: Конструкция ветряной турбины будет состоять из двух ферм и шести балок, четыре из которых являются нагруженными балками и поддерживают ротор, а две другие балки являются ненагруженными балками, поскольку они обеспечивают устойчивость и жесткость конструкции. Это должно обеспечивать устойчивость к нагрузкам, которым будет подвергаться турбина (ветровые нагрузки, весовые нагрузки той же конструкции и ротора), жесткость, низкий прогиб элементов и минимальную турбулентность воздушного потока, входящего в ротор.Поскольку конструкция будет образована двумя боковыми фермами, соединенными балками, все ее составляющие элементы должны быть спроектированы, поэтому при проектировании конструкции основное внимание уделяется анализу ферм, анализу балок, а затем и проектированию соединительных элементов. .
Нагрузки, которые поддерживает конструкция. Основным элементом ветряной турбины является ротор, который должен быть этим, компонент, который поддерживает различные типы нагрузок, которые, в свою очередь, передают их конструкции, с другой стороны, сама конструкция создает нагрузки (собственный вес этого), которые поэтому необходимо учитывать все возможные нагрузки.Первоначально определяется собственный вес конструкции.
Ферменная конструкция. Конструкция фермы состоит из определения размеров ее структурных профилей и оценки их поведения в отношении сопротивления, устойчивости и прогиба. Геометрическая форма фермы складывается из структурных профилей, соединенных в узлах скобами, что показано на рис. 9.

Рис. 9.
Профиль фермы с узлами, названными в соответствии с указанной номенклатурой в Autodesk Simulation Mechanical (размеры в мм).
Автор
Схема конструкции свободного тела показана на рис. 10.

Рис. 10.
Схема свободного тела фермы
Автор
Рис. 11
Расчет конструкции фермы с помощью компьютерной программы Autodesk Simulation Mechanical
Автор
Затем выполняется анализ фермы с помощью компьютерной программы Autodesk Simulation Mechanical, которая предоставляет численные значения реакций в опорах, внутренних нагрузок, которым подвергается каждый элемент (профиль конструкции), и способ, которым ферма может деформироваться.На рис. 11 показан анализ фермы, на котором показаны осевые внутренние нагрузки каждого элемента, они также пронумерованы и обозначают элементы и узлы посредством номеров.
Расчет элементов или конструктивных профилей фермы. Основываясь на силах растяжения или сжатия, которые поддерживают элементы ограждения, мы переходим к определению напряжений, вызванных внутренними нагрузками в каждом элементе, учитывая, что каждый элемент, образующий конструкцию, поддерживает осевые нагрузки, которые создают нормальные напряжения тяги и сжатия [ 16].Поскольку конструкция не выдерживает временных нагрузок, ее размер мал по сравнению с конструкциями крыши, а поскольку большая часть нагрузок является статической, она рассчитывается на основе уравнения нормальных напряжений, приведенного в (13).
(13)
S _E: нормальное напряжение, поддерживающее элемент [Па], F _{A, I}: внутренняя осевая нагрузка в элементе [Н], A _E: минимальная площадь поперечного сечения элемента [м2].
Расчетное уравнение элементов, подверженных простым статическим нагрузкам, определяется уравнением 14:
(14)
Где S — максимальное напряжение, которому подвергается элемент.Это уравнение можно использовать с пределом текучести или с предельным напряжением материала, в этом случае сопротивление ползучести учитывается в уравнении 14, чтобы избежать разрушения из-за пластической деформации.
Расчет нагруженной балки. Расчет нагруженной балки производится на основе приведенного выше расчетного уравнения, в котором нагрузки, поддерживаемые балкой, создают нормальные изгибающие напряжения. Судя по диаграммам изгибающих моментов, критическая точка находится в середине балки, где опирается подшипник.
При расчете нормального напряжения получаем:
(15)
Конструкция соединительных элементов конструкции не представлена, но все ее размеры также важны для строительной части.
Моделирование ветряной турбины с использованием вычислительного инструмента solidworks: был представлен весь процесс проектирования физических компонентов ветряной турбины, основанный на применении различных теорий проектирования для различных условий нагрузки составляющих элементов.Благодаря процессу проектирования были определены необходимые размеры составляющих элементов, обеспечивающие адекватное механическое сопротивление нагрузкам, минимальные деформации и устойчивость опорной конструкции, а также выбор соответствующих материалов для каждого элемента, форм соединения или объединение, функциональность, эстетика и производственные затраты. Определенные таким образом размеры и форма элементов были смоделированы с помощью вычислительного инструмента Solidworks. Процесс моделирования состоит из получения 3D каждого элемента компонента, придающего ему соответствующую форму и требуемые размеры.Впоследствии процесс сборки проходит через инструменты, предоставляемые программой, такие как позиционные отношения. Общая сборка ветряка представлена на рис. 12.

Рис. 12.
Объемный вид общей сборки ветряной турбины.
Автор
Моделирование воздушного потока через ротор ветряной турбины Савониуса: Сначала выполняется динамическое моделирование ротора ветряной турбины, для этого требуется твердотельное моделирование ротора, и как только оно будет получено, необходимо определить объем контроля, который охватывает ротор, и именно там устанавливаются определенные граничные условия в виде различных термодинамических свойств (давление, температура, энтальпия и т. д.). Другой областью анализа является вращающаяся область, в которой определены поверхностные цели, понимаемые как термодинамические свойства или динамические переменные, которые желательно установить в ходе анализа. Атмосферное давление и средняя температура в помещении были соответственно определены как 86 кПа и 21 ° C, кроме того, скорость ветра для анализа составляет 8 м / с, то же самое, что и при проектировании.
Градиенты давления, показанные на рис.13 в различных вогнутых и выпуклых частях ротора создают результирующие силы сопротивления в каждой части ротора, которые, действуя на расстоянии, создают чистый крутящий момент, который, в свою очередь, позволяет вращать ротор. Чтобы получить лучшее представление о распределении давления в роторе и более точное приближение, выполняется анализ внешнего потока со статическим ротором.

Рис. 13
Распределение давления в роторе во внешнем потоке.
Автор
На предыдущем рисунке видно, что наибольшее давление (желтые линии) прикладывается к вогнутой части лопасти ротора.Распределение давления также можно увидеть на плане этажа, показанном на рис. 14.

Рис. 14.
Распределение давления в плоскости ротора.
Автор
Анализируя распределение давлений, было замечено, что наибольшее давление создается на вогнутой стороне лопасти, а в выпуклой части распределяется более низкое давление. Этот перепад давления и, следовательно, разница в силе сопротивления на лопастях приводит к тому, что крутящий момент, создаваемый силой сопротивления на вогнутой стороне, будет больше по сравнению с крутящим моментом, создаваемым силой сопротивления на выпуклой стороне, что позволяет вращать лопасти. ротор дан.Кроме того, для этого случая распределение скоростей на плане этажа для статического случая ротора представлено на следующих рисунках.
На рисунках 15 и 16 видно, что геометрическая конфигурация ротора Савониуса (перекрытие) способствует циркуляции воздуха от одной лопасти к другой, тем самым увеличивая его индуцированный крутящий момент, поскольку часть циркулирующего воздуха увеличивает сила сопротивления в каждой вогнутой части. В ходе анализа были определены другие динамические переменные и термодинамические свойства, такие как силы на лопасти, крутящий момент и плотность воздуха.В следующей таблице представлены значения динамических переменных и термодинамических свойств.

Рис. 15.
Распределение скоростей в плоскости ротора для верхней ступени φ = 0 °.
Автор
Рис. 16
Распределение скоростей в плоскости ротора для положения φ = 90 ° нижней ступени.
Автор
ТАБЛИЦА I
ДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕМЕННЫЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЕННЫЕ ДИНАМИЧЕСКИМ АНАЛИЗОМ ЖИДКОСТИ ДЛЯ РОТОРА БЕЗ ПАНЕЛЕЙ.
Динамическая переменная и термодинамические свойства Минимальное значение Максимальное значение Среднее значение S.I Unity
Полное давление 86036,76 86036,77 86036,77 Па
X- скорость 0,004 0,005 0,004 м / с
y- скорость 0,018 0,019 0,018 м / с
z- скорость 7,483 7,484 7,483 м / с
Нормальная сила по оси Z 7.3
Статический крутящий момент (ось y) 0,395 0,396 0,396 Нм
Динамический крутящий момент (ось y) 0,233 0,272 0,242 Нм
Автор
Согласно результатам, представленным в таблице I, можно выразить, что скорость воздуха в роторе представляет только один преобладающий компонент вдоль оси координат z (направление ветра), а в остальных значениях значения равны нулю, что означает одномерный поток.Благодаря этому сила, действующая на ротор со стороны воздушного потока, имеет составляющую по оси координат z, в направлении воздушного потока остальные составляющие силы равны нулю. Что касается крутящего момента, он представляет собой значение в отрицательном направлении оси координат.
V. ФИЗИЧЕСКАЯ СБОРКА ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ SAVONIUS
Процесс резки рамной пилой использовался для придания требуемых размеров различным структурным профилям. Эти размеры были получены в процессе проектирования и отражены в плане конструкции, где указанные размеры были гарантированы с использованием метра и квадратов.Таким же образом этим инструментом были вырезаны углы конструкции, ротора и трубки из ПВХ для получения лопастей. Механические ножницы использовались на протяжении всего процесса разрезания жабр для придания требуемых размеров. С другой стороны, круглая форма конечных пластин была получена благодаря процессу кислородного топлива. В таблице II представлен процесс резки металлов кислородным топливом.
ТАБЛА II
МАТЕРИАЛЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В СБОРЕ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ.
Тип элемента Размеры и характеристики Материал Процесс получения
Трубчатый конструкционный профиль квадратного сечения Длина 26 мм x 26 мм x 6 м Сталь AISI SAE 1020 Холоднокатаный (холодное ламинирование)
Лист стальной толщиной 3 мм Сталь AISI SAE 1020 Холоднокатаный (холодное ламинирование)
Угловая соединительная конструкция 38 мм (равные крылья) x 1 м длина, толщина 2 мм ASTM A36 ламинирование
Концевая пластина углового соединителя 20 мм (равные крылья) x 1.Толщина 5 мм ASTM A36 ламинирование
Соединительные болты конструкции Номинальный диаметр 1/4 дюйма, количество резьб на дюйм 20 Сталь AISI SAE 1020 Промышленный процесс
Вал ротора Диаметр 5/8 дюйма Сталь AISI SAE 1020 Холодное ламинирование
Готовые блюда калибр 14 Сталь AISI SAE 1020 Холодное ламинирование
лезвий Диаметр 6 дюймов x длина 1 м. ПВХ Промышленный процесс
Панель Панели толщиной 490 мм x 300 мм x 2,5 мм Акрил Промышленный процесс
подшипник UCF 201-8 сталь Промышленный процесс
петля Арт. 3 IMDUMA сталь Промышленный процесс
Автор
Главный вал ротора требует определенных размеров в соответствии с технологическим процессом.Затем дерево было подвергнуто токарной обработке с его начальными размерами, чтобы привести его к указанным размерам. Во время механизации дерева возникла необходимость использовать лицевую панель для поддержки дерева из-за его длины 1,5 м. Использование калибратора и микрометра в качестве измерительных элементов необходимо для обеспечения требуемых размеров указанного механического элемента.
Сверлильные работы позволили просверлить отверстия в элементах конструкции, кронштейнах, уголках, лопастях, дереве и концевых плитах.Эти отверстия позволят пройти через них соединительным болтам конструкции и ротору, где регулировка между болтом и отверстием совпадает с зазором. Возникла необходимость изготавливать различные узлы для выполнения всех необходимых буровых работ. Монтаж, который производился для процесса сверления в лаборатории станков
После выполнения всех необходимых производственных операций проводится окончательная сборка, которую можно увидеть на рис. 17

Рис 17.
Сборка ветряка.
Автор
VI. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ SAVONIUS
Экспериментальные испытания проводились на ветряной турбине без панелей, для которых измерялись скорость ветра, угловая скорость ротора и статический крутящий момент, соответствующие разным скоростям ветра. Испытания проводились в аэродинамической трубе Лаборатории жидкостей и гидравлических машин Технологического университета Перейры в сотрудничестве с инж. Ямал Мустафа Иза М.Sc., У которого с помощью преобразователя частоты можно изменять угловую скорость, что означает переменную скорость ветра. Для измерения экспериментальных данных во время испытаний использовались следующие измерительные приборы:
° Анемометр модели AM-4206, разрешение для измерения скорости ветра 0,01 м / с и разрешение для измерения температуры 0,1 ℃. Данные о скорости ветра измеряются на расстоянии 70 см от ротора.
° LT Тахометр Lutron DT 2236, разрешение 0.1 об / мин.
Полученная кривая угловой скорости показана как функция скорости ветра на рис. 18.

Рис. 18.
Угловая скорость как функция скорости ветра.
Автор
Кривая, полученная из крутящего момента как функции скорости ветра, показана на рисунке 19. В этом случае крутящий момент измеряется статически, с той разницей, что в этом случае ветер воздействует на ротор с разными скоростями, достигая баланса ротора с добавление различных противовесов.

Рис. 19.
Крутящий момент как функция скорости ветра для ротора.
Автор
На рис. 20 показана механическая мощность как функция скорости ветра, для этого случая механическая мощность была определена теоретически из экспериментальных данных статического крутящего момента и угловой скорости ротора, соответствующих таблице 8.3. Определение механической мощности определяется по (16)
(16)
Рис. 20.
Механическая мощность как функция скорости ветра.
Автор
VII.АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Согласно табулированным экспериментальным данным можно выразить следующее:
На кривой на рис. 18 можно увидеть линейную зависимость между скоростью ветра и угловой скоростью ротора, что подтверждает TSR (коэффициент конечной скорости). С другой стороны, угловая скорость ротора без панелей намного выше, чем у ротора с панелями, потому что панели увеличивают инерцию системы, а также ограничивают движение.
Поведение данных кривой крутящего момента на рисунке 19 в зависимости от скорости ветра имеет функциональную зависимость порядка 2.
График на рисунке 20 показывает поведение данных механической мощности в зависимости от скорости ветра, при этом наблюдается кубическая тенденция. Это то, что ожидается, поскольку теоретически механическая мощность ветряной турбины зависит от куба скорости ветра.
VIII.ВЫВОДЫ
Были охарактеризованы параметры энергии ветра, особенно изменчивость скорости ветра на всей национальной территории Колумбии.
Данные, взятые с метеорологического блока потолка механико-инженерного факультета, показали, что средняя скорость ветра составляет 1 м / с, поэтому данная площадка не подходит для этого типа ветряных турбин. Места в прибрежных районах Колумбии представляют собой хороший ветровой потенциал для использования этого вида энергии.
Конструкция ветряной турбины была основана на изученных научных статьях, изученных теориях и опыте других авторов.
Прикладные теории проектирования позволили выбрать подходящие материалы и требуемые размеры, получить физическую модель, гарантирующую условия эксплуатации, в которых она была спроектирована.
Моделирование ветряной турбины было разработано с помощью компьютерного инструмента Solidworks на основе размеров, полученных в процессе проектирования.
Анализ поведения потока позволил узнать распределение давлений в лопастях, эффект перекрытия, поле скорости на роторе и крутящий момент, создаваемый силами сопротивления.
Для физической сборки ветряной турбины Савониуса были выполнены различные производственные процессы.
Экспериментальные испытания турбины с осевым вентилятором аэродинамической трубы были разработаны в лаборатории жидкостей и гидравлических машин факультета машиностроения Технологического университета Перейры.
Благодарность
Мы благодарим и признаем огромную работу, которую каждый из преподавателей, администраторов, рабочих и студентов Технологического университета Перейры проделал для предоставления нам своих знаний, обучения, времени, услуг, сотрудничества и дружбы на этапе академического образования и Профессиональный инженер-механик.
ССЫЛКИ
[1] Н. Вон. «Введение в возобновляемые источники энергии» США: Бока-Ратон CRC: Press Taylor & Francis group, 2011, 350p.ISBN 13: 978-1-4398-9120-9. [Онлайн]. Доступно: https://www.loot.co.za/product/vaughn-c-nelson-introduction-to-renewable-energy/pvnj-2740-ga50.
[2] Р. Хью. «Энергия ветра, генерация ветра» [Интернет]. Доступно: http://web.ing.puc.cl/~power/paperspdf/CapituloEolico.pdf.
[3] Э. Х. Лизен, «Введение в энергию ветра», Энергия ветра. Консультации по ветроэнергетике в развивающихся странах. 2-е изд. Нидерланды: 1983, 311 с.
[4] Д. Б. Санс, И. Круз.«Руководство по малой ветроэнергетике», Arias Montano Graphics. Мадрид: 2012. 118 стр. [Онлайн]. Доступно: https://www.fenercom.com/publicacion/guia-sobre-tecnologia-minieolica-2012/
[5] Аракуан. Область турбулентности вокруг здания [онлайн]. Доступно: http://www.aracuan.com.ar/turbulencia.htlm.
[6] Дж. В. Аква, Х. А. Вьельмо и А. П. Петри. «Обзор производительности ветряных турбин Savonius», обзоры ScienceDirect, возобновляемых и устойчивых источников энергии. Стр. 3054-3064, июнь 2012 г., 16 (2012) 3054– 3064, [Online].DOI: 10.1016 / j.rser.2012.02.056
[7] J. L. Menet, N. Bourabaa. «Повышение эффективности роторов Савониуса с помощью параметрического исследования», Ecole Nationale Superieure d’ingenieurs en Informatique Automatique Mecanique Énergetique Électronique de Valenciennes ENSIAME, [онлайн].
[8] Ф. Венехенубун, А. Сапутра и Х. Сутанто. «Экспериментальное исследование характеристик ветряных турбин Savonius, связанных с количеством лопастей», ScienceDirect, 2-я Международная конференция по разработке и применению устойчивой энергетики, ICSEEA 2014, 68 (2015) 297–304, [онлайн].DOI: 10.1016 / j.egypro.2015.03.259.
[9] А.А. Кадам, С.С. Патил. «Обзорное исследование ветровых роторов Савониуса для получения доступа к энергетическим характеристикам», Журнал IOSR по машиностроению и гражданскому строительству, стр. 18-24, Вторая национальная конференция по последним достижениям в машиностроении 18 | Пейдж M.E.Society’s College of Engineering, Pun [Online]. Доступно: https://www.researchgate.net/publication/281899860_A_Review_Study_on_Savonius_Wind_Rotors_for_Accessing_the_Power_Performance.
[10] М.Х. Али. «Экспериментальное сравнительное исследование ветряной турбины Савониуса с двумя и тремя лопастями при низкой скорости ветра», Международный журнал современных инженерных исследований IJMER, Vol. 3, вып. 5, pp. 2978-2986, октябрь 2013 г., [Online]. Доступно: http://www.ijmer.com/papers/Vol3_Issue5/CJ3529782986.pdf
[11] Д. Торрес. «Разработка маломощного ветрогенератора с вертикальным валом. Дипломная работа, факультет машиностроения, Технологический университет Перейры, Перейра, Рисаральда, 2015 г. [онлайн]. Доступно: репозиторий.utp.edu.co/dspace/handle/11059/5145.
[12] J. A. Menet. «Двухступенчатый ротор Савониуса для местного производства электроэнергии: проектное исследование», ScienceDirect, февраль 2004 г., [онлайн]. DOI: 10.1016 / j.renene.2004.02.011
[13] Колумбия. блок планирования добычи энергии EMPU. Институт гидрологии, метеорологии и экологических исследований IDEAM. Атлас ветровой и ветровой энергии Колумбии, 2006 г. [онлайн]. Доступно: http://www.upme.gov.co/Atlas_Viento.htm.
[14] Дж. Ф. Манвелл, Дж.Дж. Макгоуэн. «Объяснение ветровой энергии. Теория, дизайн и применение », Концепции мировой энергетики. 2-е изд. США: Wiley, 2010, стр. 1-100. [онлайн]. Доступно: http://ee.tlu.edu.vn/Portals/0/2018/NLG/Sach_Tieng_Anh.pdf.
[15] К. Н. Моршед, М. Рахман и Г. Молина. «Испытания в аэродинамической трубе и численное моделирование аэродинамических характеристик трехлопастной ветряной турбины Савониуса», Международный журнал энергетики и экологической инженерии, 2013 г. [онлайн]. Доступно: https://link.springer.com/article/10.1186 / 2251-6832-4-18.
[16] Л. В. Ванегас. «Проектирование элементов машин», Механическое проектирование, т. 1, 1ra Ed, Перейра, Рисаральда, Колумбия. UTP, 2016. [онлайн]. Доступно: http://blog.utp.edu.co/lvanegas/dis1/.
[17] NTN. Каталог подшипников [онлайн]. Доступно: http://www.ntnamericas.com/es/website/documents/brochures-and-literature/catalogs/bearing-units%202400-IX.pdf.
Заметки автора
1
Эдгар Алонсо Салазар Марин Автор
родился 6 июня 1973 года в Санта-Роса-де-Кабал.(Рисаральда / Колумбия). Он инженер-механик и получил докторскую степень в Политехническом университете Каталонии в Испании (2003-2007 гг.), Имеет степень магистра машиностроения в Андском университете в Боготе (1997-1998 гг.) И степень магистра автоматических систем производства — UTP. (2002-2004). Он работал исследователем в Национальном центре исследований кофе (Cenicafé) с 1999 по 2000 год.
Он работал профессором технологического факультета Технологического университета Перейры с 2000 года и разрабатывал различные проекты, касающиеся возобновляемых источников энергии, таких как солнечные системы (тепловые и фотоэлектрические), солнечные транспортные средства и переход с транспортных средств внутреннего сгорания на электромобили.
2
Андрес Фелипе Родригес Валенсия Автор
родился 14 сентября 1992 года в Ла Виктория Валле (Колумбия). Он закончил бакалавриат в области машиностроения (2010-2016) в Технологическом университете Перейры (UTP). В процессе реализации карьеры был научным руководителем кафедры математики и руководителем лаборатории жидкостей и гидравлических машин. На профессиональном уровне он работал в сфере обслуживания в компании Trapiche Biobando S.A.S, где поддерживалась монтажная деятельность компании, в области добычи и переработки. Он работал в Accedo Colombia S.A.S в отделе коммерческих продаж компании. В 2017 году начал свою карьеру профессором машиностроительного факультета, руководил курсами лаборатории статических и гидравлических машин и жидкостей. На кафедре математики он руководил курсами линейной алгебры. Он является соискателем степени магистра машиностроения в области производственных и конструкторских процессов того же университета, который окончил с 2017 года.
.
No related posts.

V м/с	3	4	5	6	7	8	9	10	11
P Вт d = 1м	3	8	15	27	42	63	90	122	143
P Вт d = 2м	13	31	61	107	168	250	357	490	650
P Вт d = 3м	30	71	137	236	376	564	804	1102	1467
P Вт d = 4м	53	128	245	423	672	1000	1423	1960	2600
P Вт d = 5м	83	196	383	662	1050	1570	2233	3063	4076
P Вт d = 6м	120	283	551	953	1513	2258	3215	4410	5866
P Вт d = 7м	162	384	750	1300	2060	3070	4310	6000	8000
P Вт d = 8м	212	502	980	1693	2689	4014	5715	7840	10435
P Вт d = 9м	268	635	1240	2140	3403	5080	7230	9923	13207
P Вт d = 10м	331	784	1531	2646	4200	6270	8930	12250	16300

Среднегодовая скорость ветра, м/с	Выработка энергии за год, КВт.год	Срок окупаемости, лет
	Выработка энергии за год, КВт.год	Срок окупаемости, лет
	ВЭС WE3000
3	1445
4	3048
5	5913
6	8935
7	12864

Динамическая переменная и термодинамические свойства	Минимальное значение	Максимальное значение	Среднее значение	S.I Unity
Полное давление	86036,76	86036,77	86036,77	Па
X- скорость	0,004	0,005	0,004	м / с
y- скорость	0,018	0,019	0,018	м / с
z- скорость	7,483	7,484	7,483	м / с
Нормальная сила по оси Z	7.3
Статический крутящий момент (ось y)	0,395	0,396	0,396	Нм
Динамический крутящий момент (ось y)	0,233	0,272	0,242	Нм

Тип элемента	Размеры и характеристики	Материал	Процесс получения
Трубчатый конструкционный профиль квадратного сечения	Длина 26 мм x 26 мм x 6 м	Сталь AISI SAE 1020	Холоднокатаный (холодное ламинирование)
Лист стальной	толщиной 3 мм	Сталь AISI SAE 1020	Холоднокатаный (холодное ламинирование)
Угловая соединительная конструкция	38 мм (равные крылья) x 1 м длина, толщина 2 мм	ASTM A36	ламинирование
Концевая пластина углового соединителя	20 мм (равные крылья) x 1.Толщина 5 мм	ASTM A36	ламинирование
Соединительные болты конструкции	Номинальный диаметр 1/4 дюйма, количество резьб на дюйм 20	Сталь AISI SAE 1020	Промышленный процесс
Вал ротора	Диаметр 5/8 дюйма	Сталь AISI SAE 1020	Холодное ламинирование
Готовые блюда	калибр 14	Сталь AISI SAE 1020	Холодное ламинирование
лезвий	Диаметр 6 дюймов x длина 1 м.	ПВХ	Промышленный процесс
Панель	Панели толщиной 490 мм x 300 мм x 2,5 мм	Акрил	Промышленный процесс
подшипник	UCF 201-8	сталь	Промышленный процесс
петля	Арт. 3 IMDUMA	сталь	Промышленный процесс

Расчет вертикального ветряка для начинающих

Самодельный вертикальный ветрогенератор

Расчет ветрогенератора — методика самостоятельного расчета мощности вертикального ветрогенератора

Как выбрать ветрогенератор

Что нужно рассчитать при выборе генератора

Как сделать расчет ветрогенератора самостоятельно

реальная мощность самодельного ветряка и ветроколеса

Важный нюанс при покупке ветряка

Расчет мощности ветрогенератора

Как произвести?

Что нужно учитывать?

Реальная мощность самодельного ветрогенератора

Расчет параметров ветроколеса

Сколько экономии энергии дает ветряк?

Сколько электроэнергии вырабатывает?

Минимальная скорость ветра для ветряка

Рекомендуемые товары

Расчет выработки энергии ветрогенератором

Тонкости расчета вырабатываемой энергии ветрогенератором

On-line калькулятор для расчета энергии «ветряка»

Рис.1. Расчет суточного потребления (нагрузки).

Рис.2. Подбор солнечных батарей и ветряка. Индивидуальные графики среднесуточной выработки.

Рис.3. Выгрузка графика среднесуточной выработки всех источников энергии.

Расчет вертикальных ветрогенераторов. Что такое вертикальные ветрогенераторы и как их сделать своими руками

Как выбрать ветрогенератор

Что нужно рассчитать при выборе генератора

Как сделать расчет ветрогенератора самостоятельно

Из реальной жизни практический расчет мощности ветрогенератора.

Реальная мощность самодельного ветрогенератора.

Популярные статьи:

Выбор мачты

РАСЧЕТ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА,

Расчет мощности ветрогенератора

Ветрогенераторы большой мощности: обзор, плюсы и минусы, нюансы

Ветрогенераторы малой мощности

Промышленные ветрогенераторы большой мощности

Расчет ветрогенератора. Расчет мощности ветрогенератора. Расчет ветряка.

Электро-ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

Ветровые генераторы с вертикальной осью – преимущества и недостатки:

Монтаж ветрогенератора:

Принцип работы:

Оправдают ли себя затраты:

Конструкция ветряной турбины с вертикальной осью: как соотношение сторон влияет на производительность турбины

(PDF) Производство электроэнергии с помощью ветряной турбины с вертикальной осью

Зависимость от момента инерции ветряных турбин с вертикальной осью при пульсирующем ветре

1.Введение

2. Экспериментальная установка

3. Экспериментальный метод

4. Моделирование

5. Результаты и обсуждение

5.1. Временная задержка и скорость вращения Ширина

5.2. Задержка фазы

5.3. Скорость изменения скорости вращения

5.4. Энергоэффективность

6. Численный анализ теоретической VAWT

7. Выводы

Создание корпуса для ветряных турбин с вертикальной осью

Программное обеспечение для расчета лопастей ветряных турбин

Коэффициент мощности ветряной турбины: что влияет на производство электроэнергии

Проектирование, сборка и экспериментальные испытания ветряной турбины типа Савониуса

Зарядка для планшета в автомобиль: Какая автомобильная зарядка нужна для планшета

Какой аккумулятор лучше на ваз 2107: Страница не найдена – SemerkaVaz.ru

Добавить комментарий Отменить ответ