Вітрильний вітряк: аналіз конструкції та приклади використання. Як зробити вітряк своїми руками. Чи можливий взагалі саморобний вітрогенератор? Вітрогенератори промислові. Чи достатня потужність

Кажуть, нове – добре забуте старе. І енергетика тут, схоже, не є винятком. Опікшись на Чорнобилі, зіткнувшись у низці місць із загрозою енергетичної кризи, людство все частіше звертає свій погляд на технічні рішення, незаслужено списані в минулому в архів. Використання дарової сили вітру - у числі таких рішень. Приходять до них у своїх творчих пошуках і аматори робити все своїми руками (див., наприклад, «М-К» № 4/84, 5/86, 6/90, 7/92|.

У зв'язку з цим запропонована публікація зроблена за матеріалами американського журналу «Механік ілюстртрейтед», здається, представляє особливий інтерес та актуальність для багатьох наших читачів.

Ідея - приборкати вітер, забезпечивши тим самим се дарової електроенергією, - безсумнівно, дуже приваблива. Але вітроенергоустановки, що випускаються промисловістю, не завжди підходять для розміщення їх, наприклад, біля заміського будинку. Та й ціни на них астрономічні.

Альтернативою може стати цілком доступна з погляду сім'ї із середнім статком саморобна вітроенергоустановка - така, як зображена на ілюстраціях, що публікуються. За винятком синхронного електрогенератора змінного струму, її конструкція не містить дорогих та гостродефіцитних деталей та вузлів. Проста (а отже, надійна у роботі, легка у виготовленні та налагодженні) кінематика. А енергетичні можливості такі, що з середньої швидкості вітру Увср=4,8 м/с. вони з лишком забезпечать потребу в електроенергії невеликого будинку з садибою та господарськими спорудами.

«Родзинка» всієї конструкції тут – вітрове колесо. По-перше, воно лопатеве. Поступаючись найпростішому роторному деякою архаїчністю свого зовнішнього вигляду, що нагадує середньовічні млини, з якими бився відомий Дон-Кіхот, цей вітряк виграє в головному: потужності, що віддається в навантаження. По-друге, у парі з вітром у цьому випадку працює… вітрило – на кожній із трьох лопатей із змінною площею Б* та самообмеженням, передбаченим для сильних вітрів.

Справа в тому, що лопатевий вузол у крила вітряка складається з жорсткої передньої кромки, ребер відповідного перерізу і закрутки, що забезпечують оптимальний режим роботи кінцевої, середньої частин і основи, а також задньої кромки, натяг якої забезпечує сталевий трос. Вітрило лопаті - з просоченого синтетичним лаком капрону. Він натягнутий на кістяк із закріпленням притискною планкою на розпірці-підставі (див. рис.), а завдяки тросу - завжди пружний. Тканина після просочення синтетичним лаком аж ніяк не втратила своєї еластичності, і лопать здатна змінювати форму у відповідь на пориви вітру. Автоматично приймає і найкращий для кожної вітрової навантаження, що конкретно складається, кут тангажу.

Ну а трапись – налетить ураган. Що ж тоді? Та нічого страшного не станеться. Трос, що задає натяг задній кромці, напружений так, що при швидкостях вітру, що перевищують робочий діапазон, вітрило опадає, стає недіючим: виникає режим самообмеження, причому - автоматично.

З інших технічних рішень, що вдало вписалися в конструкцію даної вітроелектроустановки, не можна не відзначити також простоту і надійність виконання опорно-поворотного вузла, знімання електроенергії в навантаження, використання в кінематичній схемі не кутового редуктора, а звичайних ланцюгових передач, успішне розміщення практично всієї кінематики обтічник. Непогано зарекомендувала себе у справі і сама капсула.

Особливості виготовлення основних вузлів, як і всієї аналізованої вітроелектроустановки, - наслідок її оригінальності.

Взяти, наприклад, передню кромку лопатевого вузла. По суті, це кесонна конструкція. Для неї потрібен кістяк: лонжерон з відповідними взаємозалежними елементами. А їх не зробити без шаблонів.

Шаблонів знадобиться шість. Два - для ребра, що утворюють

блоків, три - для складального пристрою лопатевого вузла (стапеля) і один - для вихідної заготівлі ребра. При їх виготовленні потрібні максимальні акуратність та зосередженість, чистота розмітки.

1 - споживач електроенергії (навантаження), 2 синхронний електрогенератор з трансмісією в капсулі обтічника. 3 - лонжерон лопаті (3 шт.), 4 - кок вітроколеса, 5 - лопатка вітрильна (3 шт.), 6 опорно-поворотний вузол, 7 - щогла з металевих ферм, 8 - відтяжки.

1 - вітроколесо трилопатеве вітрильне, 2 - шарикопідшипник радіально-упорний (2 шт.), 3 - труба опорна квадратного перерізу, 4 - вал ведучий, 5 - радіальний шарикопідшипник (2 шт.), 6 - проміжний вал, 7 - передача силова приводним роликовим ланцюгом ПР-19,05, 8 - обтічник, 9 - передача силова з приводним роликовим ланцюгом ПР-12,7, 10 - генератор синхронний потужністю 1200 Вт, 11 - стійка-труба внутрішня, 12 - підшипник радіальний самозмазування стійка-труба зовнішня, 14 - підп'ятник, 15 - щогла нз металевих ферм.

1 - планка притискна (смуга перетином 3X25 мм, АЛ9-1), 2 - розпірка-основа (відрізок склепаних і «епоксидованих» разом алюмінієвих куточків 25X25 мм з наданням потрібної конфігурації), 3 - вітрило (просочене синтетичним лаком 1 капронове 4 г), 4 - велика укосина (12-мм алюмінієвий прокат), 5 - особливої ​​конфігурації), 9 - ребро-«сандвіч» (склепані та «епоксидовані» разом заготовки з 6-мм листа АЛ9-1; 3 шт.) , 10 - кронштейн стикувальний (20-мм відрізок алюмінієвого куточка 25X25 мм, 6 шт.), 11 - мала укосина (12-мм алюмінієвий прокат), 12 - законцювання (відрізок склепанних разом та «епоксидованих»2 алюміній 13 - гільза свинцева (12-мм відрізок циліндра, що сплющується, із зовнішнім діаметром 12 мм і внутрішнім - 3 мм, 2 шт.), 14 - оболонка троса (два послідовно складені відрізка поліетиленової трубки), 15 - трос натяжний.

1 - смуга посилення (75-мм ширини капрон) закінчувальної частини, 2 - припуск шва 20-мм, 3 - заготівля полотна вітрила (капрон, складений удвічі), 4 - смуга посилення основи (75-мм ширини капрон).

1 - ребро-«саїдвнч» (3 шт.), 2 - «носик» розкорювання-закінчення, 3 - кронштейн стикувальний (6 шт.), 4 - хвостовик розпірки-закінчення та (така ж деталь) розпірка-середина, 5 - розпірка-основа.

1 - брусок, що формує (20-мм фанера), 2 - кронштейн стикувальний, 3 - контур дерев'яного блоку, а одно - другого шару у ребра-«сандвіча», 4 - перший шар ребра-«саїдвіча».

1 - базис, 2 - розпірка, 3 - стійка-фіксатор лонжерону лопаті (2 шт.), 4 - шаблон для виконання робіт на підставі вітрила, 5 - плаїка посилення (3 шт.), 6 - стійка-фіксатор середини вітрила, 7 - стійка для робіт на закінченні. Всі деталі стапелю виготовляються з 20-мм фанери, кріплення – на шурупах. Стрілки вказують напрями, в яких прикріплюються ребра-«сандвічн» до стапеля на передбачені для них місця.

1 - вал ведучий (діаметр 25 мм, довжина 1500 мм, Сталь 45), 2 - кок вітроколеса (Д16), 3 - тримач (смуга перерізу 3×25 мм, Ст3, 3 шт. 25 X 25 мм, 3 шт.); (у перерізі - квадрат 50Х 50 мм, товщина стінки 4 мм) з наварними квадратними сталевими 4-мм щічками на кінцях, 9 - зірочка Z3 = 45 (Сталь 45), 10 - ланцюг ПР 12,7, II - вертикальний кронштейн (300 -мм відрізок сталевого швелера № 8, приварений до бокових стінок опорної труби), 12 - гайка М14 з шайбою Гровера (4 шт.), 13 - проміжний вал (діаметр 20 мм, довжина 350 мм, Сталь 45), 14 - підшипниковий вузол проміжного валу (2 шт.), 15 - болт М14 (4 шт.), 16 - ланцюг ПР-19,05, 17 - зірочка Z2 = 18 (Сталь 45), 18 - зірочка Z1 = 42 (Сталь 45), 19 - болт М18 (4 шт.), 20 зірочка Z4 = 17 (Сталь 45), 21 - кронштейн коробчатий (розміри за місцем встановлення залежно від типу генератора, Ст3, 2 шт.), 22-генератор електричний, синхронний, потужністю 1200 Вт, 23 – опорно-поворотний вузол, 24 – стійка-труба сталева внутрішня (довжина 90 мм, зовнішній діаметр 60 мм, товщина стінки 4,5 мм), 25 – укосина приварна (305 мм відрізок сталевого куточка 25X 25 мм, 2 шт .), 26 - шайба стопорна (4 шт.), 27 - гайка М18 (4 шт.), 28 - гайка М12 прорізна (6 шт.), що самоконтряться, 29 - лонжерон лопаті (1830-мм відрізок труби із зовнішнім діаметром 5 та товщиною стінки 3,5 мм, АЛ9-1, режим термообробки Т6, 3 шт.), 30 – болт М12 (6 шт.).

1 - шпангоут основний (багатошарова фанера, 3 шт.), 2 - поздовжня панель обшивки люка (12-мм фанера, 2шт.), 3 - лонжерон (рейка з багатошарової фанери, вирізана з вигином після 3-го шпангоута, 4 ), 4 - з'єднання болтове М16 з самофіксацією (8 шт.); -м шпангоуті, 23 шт.), 7 - шпангоут перехідний (20-мм фанера), 8 - шпангоут кінцевий, 9 - склопластикове покриття, 10 - насадка конусоподібна (максимальний діаметр 386 мм, пінопласт), 11 - поперечна панель обшивки 20 мм фанера).

1- кронштейн приварної (сталевий куточок 25Х 25 мм), 2- заклепка (4 шт.), 3 - кабель електричний, 4 - клема н підведення до щітки контактної (2 шт.), 5 - жила електрокабеля (2 шт.), 6 - 5-мм пластина склотекстолітова, 7 - упор-кронштейн (алюмінієвий куточок 12Х 12 мм, 2 шт.), 8 - пружина з контактним гвинтом (2 шт.), 9 - гніздо-напрямна (алюмінієва труба квадратного перерізу з елементами 2 шт.), 10 - щітка контактна (2 шт.) текстолітова з двома настановними гвинтами, 15 - шайба (Ст3) гребінчаста з двома настановними гвинтами, 16 - підшипник радіальний самозмащувальний (АФГМ), 17-стійка-труба сталева зовнішня, 18 - підп'ятник (БрАЖ9-4), 19 та фіксацією затяжки.

Два шаблони (див. рис. 6, поз. 1) приклеюють до відрізка 20 мм фанери. Дотримуючись контуру, вирізують ножівкою або лобзиком дві утворюють ребро фанерні підкладки. Просвердлюють 5-мм отвори під центр лонжерону та розмітки складання. Закруглення радіусом 2,5 мм (для загинання фланця) та п'ятиградусний зріз заднього кута виконують за допомогою рашпілю.

Шаблон (поз. 4 рис. 6) з 15-мм кромкою під фланець приклеюють до 6-мм алюмінієвого листа АЛ9-1, що пройшов термообробку Т4. Заготівлю, що вийшла, акуратно вирізають; просвердлюють лонжеронний центр, а для правильної установки на стапелі відповідні отвори. Це своєрідний новий шаблон для виготовлення ще восьми заготовок (по 3 шт. на кожну лопату).

Ребра-«сандвічі» отримують, «прошаровуючи» заготовки між двома формувальними блоками (підкладками). Жорсткої фіксації добиваються, вставляючи 5-мм болти через отвір у стапелі та отвір лонжеронного центру у формуючі блоки із заготовками. А щоб «прослаювання» йшло успішніше, майбутні «сандвічі» затискають у ковальських лещатах. Відгинання фланців у потрібні сторони досягають, використовуючи гумовий молоток.

Формування фланця завершують, використовуючи м'який свинцевий припій. Після чого ребро виймають, підрізають задній край, щоб максимально пристосувати до лонжерону. Тепер справа за рештою деталей лопаті.”

Стикувальні кронштейни виготовляють із алюмінієвого куточка 25X25 мм. З нього ж виконують розпірки для утримання каната та натягнення задньої кромки в основі, в середині та на закінченні лопаті. Роблять їх дуже своєрідно: не з одного, а їх двох відрізків алюмінієвого куточка, склепаних та «епоксидованих» разом. Довжина такої заготовки 2,4 м. У своєму перерізі вона нагадує букву Т. Висока якість шва досягається ретельним очищенням поверхонь до їх з'єднання, для чого використовують сильні миючі засоби з подальшим «прополіскуванням водою і протиранням до блиску металевою «плутанкою».

Потрібної форми в розпір домагаються, скориставшись ножівкою по металу. А виріз для лонжерону, заклепувальні та тросові отвори висвердлюють електродрилем. Як, втім, і отвори в розпірці-основі для прикріплення притискної планки, щоб надійно утримувати вітрило на лопаті навіть під час найбільших вітрових навантажень.

Щодо стикувальних кронштейнів, то вони приклепуються і «епоксидуються» і до розпірок (див. ілюстрації), і до ребрів-«сандвічів», і до лонжерону лопаті. Причому зручніше це робити на спеціальному пристрої - стапелі, завдяки якому забезпечується однакове виконання лопатей і правильно встановлюються кути тангажу.

Ось одна з таких операцій.

Ребра-«сандвічі» прикріплюють болтами до стапеля на передбачені для них місця (у напрямках, вказаних на рис. 7 відповідними стрілками, і по отворах установок, які зроблені як у стапелі, так і в самих ребрах). Потім акуратно укладають, починаючи з законцювання, «бічні полички» тросових розпірок на призначені для них «постаменти», що розташовуються під необхідними кутами базису до торці фанерних виступів: стійки 7, стійки-фіксатора 6 і шаблону 4 (див. рис. 7). Лопатевий лонжерон простягають в отвори, що утворилися на стапелі, благо напівкруглі виїмки радіусом 25 мм для цього спеціально і передбачені.

Виконують розмітку заклепувальних отворів у лонжероні. Потім останній виймають, свердлять у ньому отвори. А встановивши лонжерон знову у стапелі, приклепують та «епоксидують» стикувальні кронштейни.

Алюмінієву обшивку передньої кромки лопаті виконують з 6-мм листа АЛ9-1, попередньо зігнувши його у вигляді параболи. Причому останнє краще зробити на рівній підлозі за допомогою довгої дошки, накладеної руба по осі вигину. Упершись колінами дошку, руками, всім тілом створюють необхідний тиск на лист, домагаючись отримання бажаної форми.

Наступна операція – прикріплення обшивки до лопатевого скелета. При цьому доцільно скористатися спеціальними С-подібними затискачами (на ілюстраціях не показано).

Починаючи з законцювання, просвердлюють заклепувальні отвори в покритті, лонжероні та в ребрах. Деталі, що з'єднуються, «епоксидують» і приклеюють. А після того як «епоксид» затвердіє остаточно, виконують обрізання «надлишкового» алюмінію з тирсою гострих країв, що утворилися.

Тепер - кілька слів про задній край лопаті. Монтується вона з 3-мм гнучким сталевим тросом, який простягають через призначені йому отвори в розпірках. Трос встановлюють у хлорвінілові трубки та закріплюють у законцювання, затиснувши його у свинцевій гільзі. Після чого на лопатевий скелет натягують вітрило.

Таку відповідальну операцію краще виконувати вдвох. Одна людина встає на стіл, утримуючи в своїх руках лопату таким чином, щоб розпірка-основа знаходилася внизу, а трос задньої кромки розташовувався вертикально з навішеною на кінці двопудовою гирею. Тоді інший (помічник), переконавшись, що необхідного натягу досягнуто, запресовує на тросі другу свинцеву гільзу, що знаходиться у розпірки-основи. Надлишок троса та гільзи обточують. А «відкритий» кінець вітрила загортають із наступним закріпленням на розпірці-основі за допомогою притискної планки та болтів із гайками.

Інші лопаті виготовляють аналогічним чином. Що ж до інших вузлів і деталей, їх виконання особливих труднощів, зазвичай, ні в кого немає. Те саме можна сказати і про складання всієї вітроелектроустановки в цілому. Проста та налагодження. Наважуйтеся!

Матеріал підготував до публікації М. КОЧЕТОВ

Любителям поговорити про КИЕВ присвячується!

У вітчизняній аеродинаміці питань утилізації енергії вітрових потоків, що розглядають (іноді), абсолютно необґрунтовано введено вульгарними (саме так) підприємцями визначення - КИЕВ коефіцієнт використання енергії вітру.

Ця умовна одиниця (для моделі плоских вітрів), покликана замінити звичайний ККД.

Математично вірна логіка термодинамічних процесів покликана описувати цикли мають кінцевий (базовий) потенціал енергії, що розташовується, і дозволяє визначити наступне: якщо Ви маєте теплову машину потужністю 100 к.с. (при ККД 30%), то реально на корисну роботу припадає всього - 30 к.с.Інакше: ці 30% і є повною (100%) - наявної (реально наявної) потужності для даної конструкції.

Для теплових машин – кращого інструментарію поки що немає.

Інакше все у практичній аеродинаміці. Для визначення різниці тисків (над крилом і під крилом) використовується кількість руху, що визначається як швидкість об'єкта при русі в повітрі, або (рух повітря в якому знаходиться об'єкт). Отже, давно постульоване г.Бернуллі твердження, про залежність тиску від швидкості тут доречно, а це означає, що в кінцевому рахунку аеродинамічний К - залежить від різниці тисків, - саме тому об'єкт переміщається з області підвищеного тиску - в область зниженого тиску. атлас (будь-який) авіаційних профілів, і звернемо увагу на швидкість потоків обтікання профілю при яких перепад тисків максимальний. Вони (швидкості) всі без винятку лежать в області розташованій набагато ВИЩЕ ніж швидкість повсякденного вітру (3м/сек).

Чи можна в здоровому глузді застосовувати в малому діапазоні вітрів (швидкостей обтікання) цю методу, не маючи результатів реального продування? Виявляється "можна" - маючи на озброєнні модель плоского вітру, "теоретики" різних рангів доводять що лопатеві вітроколеса - більш повно утилізують енергію малих вітрів. про застосування лопатиків на території СНД як альтернативні джерела енергії, що утилізують слабкі потоки, - з практики відомо що на повсякденних вітрах СНД лопатки не працюють, ніколи не працювали і працювати не будуть. Всевишній пошле сильний вітер.

Вітрильники працюють - у всьому діапазоні вітрів.

Проектувальники (потужних) лопатевих швидкохідних вітроколес досить грамотно використовують вітри. Починаючи із швидкості 10м/сек. - комлева (широка) частина лопаті - рухає лопату (як вітрило) а за наявності сильного вітру кінцеві профілі (досягаючи великих швидкостей) використовують високі швидкості потоків обтікання, що вже з'явилися. Цілком розумно. Досить практично. Саме на великих швидкостях обтікання і необхідно профілювати, і "закручувати" (по розмаху) лопату. Ось тільки наявна потужність - (енергія повітряного потоку) площу, що приходить на ВРЮ, розподіляється так: центральна частина лопатевого колеса - двигун, а периферійна частина - перетворювач енергії (вже високих) швидкостей вітру в крутний момент на валу генератора.

Подвійне перетворення наявної енергії - дозволяє чудово використовувати енергію вітру від 10-12 метрів в секунду, (вирішуючи заодно проблему швидкохідності генераторів). Оскільки, корисну роботу можуть зробити тільки реальні сили (що народжуються при спрацьовуванні ПЕРЕПАДУ тисків, то «розбір польотів», необхідно робити звичними інструментами (???) для аеростатики, ніж для аеродинаміки.

Погодьтеся, телеграфний стовп, що стоїть під натиском вітру - робить роботу. Роботу - по ВІДКЛОНЕННЯ потоку, що приходить на нього. Енергію для цієї роботи постачає - той самий вітер. Якщо цей стовп підпиляти, робота відбудеться в ЯВНОМУ вигляді стовп просто - впаде. Якщо на двох стовпах натягнути вітрило (і підпиляти), ЯВНОЇ роботи відбудеться БІЛЬШЕ. Якщо ці стовпи закріпити на ВАЛУ редуктора, робота вже буде виконуватися як по відхиленню повітряного потоку, так і по обертанню валу. А якщо ще й оптимізувати конструкцію приблизно так як виконано вітрильне вітроколесо (вгорі зліва) - Ви матимете вітродвигун для малих вітрів.

Але повернемося до «аналізів» вітрильних вітроколес (блукаючим в Інтернеті). Математичний апарат заслуговує на увагу, але загальна біда кабінетних теоретиків - збочення фізичної картини процесу. Дійсно, застосовуючи до своїх міркувань цілком коректне (2.1.1)- для нерухомої пластини, і здійснюючи разом з автором невеликий екскурс до анналів загальної аеродинаміки, вже в (2.1.4) ми з Вами отримуємо точну ціну - на... дрова.

Справа в тому, що пластина (вітрило) не "як би тікає" тобто - рухається (з потоком) по потоку - а цілком реально знаходиться в потоці і більше - відхиляє потік за межі вітроколеса, зміщуючись в площині перпендикулярної до осі обертання вітроколеса.

Інакше,- невдахи опоненти, не лінуються розглядати ПРОСТО вітрило підняте на човні, що пливе під впливом вітру в той бік куди він дме.
В наявності явно виражена любов до Н.Є Жуковського, з його так і не прийнятою в практичній аеродинаміці статтею
«Вітряки типу НІЖ. Стаття 3».

Вітроколесу вітрильного типу взагалі властива інша картина обтікання. Називається вона КОНІЧНА. А вітроколесо загалом є кільцевим нескінченним щілинним крилом якого 95 років тому (час написання статті) - не існувало навіть у хворій уяві. Це зараз спільна робота передкрилка з крилом – добре описана для великих швидкостей обтікання та зрозуміла. Але серйозних робіт із надмалих повітряних потоків обтікання немає. І бути не може тому що фізичні величини такі як ТИСК (перед вітрилом швидкість вітру впала-тиск зросла) - розглядаються також і в аеростатиці. Тому мені більше підходить морська термінологія, говорячи про - тандем СТАКСЕЛЬ і ГРОТ.

Саме яхтсмени першими оцінили практично те, що зашифрували кабінетники - КИЕВ(я нічого не маю проти "лопатечників" - на сильних вітрах ці машини працювали і працюватимуть (незважаючи на києви) - на благо людини.

На малюнках вище представлені вітрильне ветроколесо і -пропелер. Як бачимо, діаметри площ, що омітаються, рівні. А ось робочі органи – відрізняються не тільки конструкцією. Вони відрізняються насамперед - розмірами, а значить і робочою ПЛОЩОДЮ. Теоретично гвинтів і озвучується - площа робочих органів. А співвідношення ометаної площі до сумарної площі робочих органів має назву - коефіцієнт заповнення гвинта. Якщо вже пояснювати зовсім простіше, то "пропелер" накладений на площу, що ометається, покриє приблизно лише 10 відсотків усієї ометаної площі. Вітрильне вітроколесо в аналогічних умовах закриє майже ВРЮ площу, що омітається. Коментарі потрібні?

Якщо розглянемо картину обтікання лопатевого вітроколеса в конкретному АЗІМУТАЛЬНОМУ положенні, то легко здогадаємося що елементарний струмінь повітря, що проходить між лопатями - НЕ Здійснює роботи навіть марною. Струмінь проходить крізь сито... З вітрильним вітроколесом такий номер (вибачте), не прокотить - приходячи на ометану площу, елементарна цівка повітря натикається (нехай пробачать мене фахівці) на ПАРУС. Далі все просто - вона відхиляється на 90 градусів (якщо утримувати колесо) і виходить (на периферію), - ЗА межі ометаної площі (прискорюючись). Або, (якщо колесо не утримувати) вона відхилиться на МЕНШИЙ кут, віддавши енергію вітрилу, який у свою черга передасть КОРИСНУ енергію на вал генератора. А якщо взагалі відмовитися від псевдоученого аналізу, і повернутися обличчям до практики, то - на полігоні часто доводиться бачити таку картину, вітрильне вітроколесо ВЕУ 10.380(сх) при вітрі 5м/сек. не можуть утримати від обертання ціла група студентів.

Лопатевий вітряк при такому вітрі не варто утримувати. Бо взагалі не розкручується. Але повернемось до наших опонентів. У всіляких опусах виявляємо, що ... якщо пластина нерухома, то корисна потужність дорівнює нулю. Якщо пластина рухається зі швидкістю вітру, то вона не відчуває тиску і потужність теж дорівнює нулю ... » - Це звичайно - від великого розуму. На думку авторів, човен з піднятим вітрилом, що рухається за вітром - картина нереальна в силу своєї марності. Яка стоїть на якорі, але з піднятим вітрилом, начебто і реальна картина, але корисна потужність знову - дорівнює нулю.

Наївна помилковість полягає у повному нерозумінні роботи вітрила. Справа в тому, що вітрило робить роботу і коли рухається і коли стоїть, опираючись вітру. В останньому випадку, ВСЯ потужність потоку, що приходить, перетворюється на робота вітрила по відхиленню повітряного потоку приходить на ометаєму площу. Потрібно небагато - цю роботу направити в корисне русло (знятися з якоря,- або зняти з гальма вітряк). Лопата ж, встановлена ​​на човні замість вітрила, вимагатиме для цього дуже сильного вітру. Те саме - і для лопатевого вітряка. А ось вітрило рухає човен (крутить генератор) і на малих вітрах. На великих вітрах він просто робить більше корисної роботи. Щоб переконатися в цьому достатньо зміцнити на човні Лопатеве вітроколесо і на іншому човні вітрильне вітроколесо, результати "експерименту" зрозумілі ... В "наукових роботах" опонентів нерідко звучить "... Тобто для досягнення максимального КИЕВ швидкість пластини повинна бути в тричі менше швидкості вітру." - залишаю без коментарів, тому що зрозуміло - вітрило реагує на БУДЬ-ЯКИЙ вітер і створює необхідний ПЕРЕПАД тисків. Решта все від лукавого.

Розглянемо невелике (крайній праворуч верхи) «кіно»: тут представлений робочий зразок вітрильного вітрячка з Прибалтики, створений спеціально для перевірки можливостей вітрильного вітряка. Креслення конструктор, не купував, користувався методом ППП (підлога, палець, стеля) та інтуїцією, але говорити про ККД цього вітроколеса все одно варто. Він вищий ніж у лопатника (того ж діаметра), у всьому Діапазон вітрів, починаючи від 0,5 м.сек.Це висновки порівняльного аналізу виробленим самим умільцем. Але нас цікавить усі принади вітрильного вітроколеса, яку і можна відстежити на цьому примірнику.

Зрозуміло, що підхід вітру (до ометаної площі) здійснюється з тильного боку. Вітрила наповнені вітром у наш бік, і трохи під кутом. Для фахівця ясно, що вітер пригальмовувавшись перед колесом і здійснивши роботу випускається через щілину (задня непідкріплена кромка вітрила). Через ці щілини погодьтеся, йде вже відпрацьоване повітря (підпирається знову прибувають порціями повітря). зниження швидкості потоку зростає тиск. В результаті ми маємо підвищений тиск з НАВІТРЕНОГО боку вітроколеса та РОЗРЯДЖЕННЯ з підвітряного боку. Саме спрацьовування енергії цього перепаду тисків і кількісно визначає роботу вітряка. Лопатевому вітроколесу, таке й не снилося... Згадайте, - між лопатями вітер безперешкодно проникає на протилежний бік вітроколеса - ВИРІВНЮЮЧИ тиску. А це погано.

Якщо немає різниці (перепаду) тисків, то про яку РОБОТУ може йтися взагалі? Отже - основний недолік лопатевого вітроколеса (для малих вітрів): окреслена кінцями лопатей площа (обметувана) використовується до не можна СКВЕРНО. Дане твердження може спростовувати тільки - дурень. Аргумент: якщо опонуючого суб'єкта примусово змусити вистрибнути з літака, що летить, запропонувавши на вибір (замість парашута) лопатеве і вітрильне вітроколесо тримаю парі - нещасний ІНТУІТИВНО вибере вітрильне рятівне.

До речі, серійний мотодельтаплан МД-20 з «вертушкою» (замість штатного крила) успішно відпрацював сезон на авіахімробітах, показавши чудові результати - при вітрі 5 м.сек, довжина розбігу зі штатним 100 літровим хім.баком склала 20(!)метрів, скоропідйом. 4м. Повернемося до нашого кіно. Оскільки вітрячок був піднятий над землею всього на 1.5 м. Турбулізований приземний шар повітря (дивіться в якому квадранті площі, що омітається, «флатерит» задній край) - неважливо наповнює вітрило. Але підняте над землею (перевірено!) на висоту ОДНОГО діаметра - вітрильне вітроколесо включається в роботу повністю. А далі - ще цікавіше: відпрацьоване повітря, що йде з робочої зони (підпирається ззаду) потрапляючи в конічний розтруб - знову прискорюється (згадаймо про тиск з навітряного боку). Якщо згадати закон збереження кількості руху, то половина енергії кінетичного руху повітря (мова про друге, додаткове прискорення) дістається - знову того ж вітрильного колеса. Бо щілина є ні чим іншим як звичайним реактивним соплом, що створює пропульсивну силу.

Приріст реактивної складової при 10м.сек. дорівнює 40 відсотків від всієї енергії, що приходить на омітається, енергії вітру. Про те, що пусковий момент, більше робочого моменту (лопаті відпочивають) і говорити тепер уже не треба. Для особливо войовничих опонентів, спробую пояснити суть різниці між вітрилом і лопаттю на основі молекулярно - кінетичної теорії, не вдаючись до мат.апарату. (конкретна) енергія.

Природа походження «аргументу» проста. У відому формулу кінетичної енергії підставляється щільність і швидкість (щодо чого?) у квадраті. Потім все це задоволення розділене на 2. Але пилити дрова все ж таки краще пилкою, ніж рубанком ... Рекомендую звернутися до процесу ВИСНОВКУ цієї формули. Для того щоб тіло куди рухалося (летіло, бігло ...) необхідно стільки ж енергії віддати і 2 тілу з яким те, що рухається (летить і стрибає) ВЗАЄМОДІЯЛО для отримання необхідної кількості руху. Саме тому у формулі потенційної енергії відсутня дробова риса. А в кінетичній – є.

У випадку з вітроколесом (будь-якого типу) ми працюємо з повною енергією потоку так, як не МИ з Вами запускали в рух потік повітря (вітер). І назад. Розглядаючи крило літака (гвинт вертольота) ми повинні керуватися тільки КИНЕТИЧНОЮ енергією (ділити на 2) оскільки МИ самі змушуємо тіло (літак) - рухатися в повітрі і не навпаки. І весь запас енергії треба возити із собою у вигляді палива. Інакше він просто не полетить.

Справа в тому, що енергія вітру, що утворилася в результаті гравітаційних взаємодій - для звичайних громадян 100 відсотковою (повною енергією) яку лопата повинна зняти з заданої (конкретної) площі. Повинна. Але, - не може фізично - розміри лопаті непорівнянні з площею перерізу струменя. Розглядаючи повітряний потік (у світлі МКТ) - виявимо, що вітер це - спрямований (упорядкований) потік молекул повітря. Кожна молекула несе енергію (байдуже хто їй надав енергію – важливо як її грамотно зняти) – а ми раптом на її шляху поставили лопату.

Отрикошетів, молекула віддала частину енергії і обійшовши перешкоду короткочасно змінила напрямок власного руху (турбулізувала потік) і підхоплена сусідками помчала далі несучи і свій імпульс - а значить і енергію. Довідка: будь-яка зміна напряму руху матеріальної точки ІНШИМ суб'єктом фізичного світу - є ЕНЕРГООБМІННИМ процесом. Кут зміни напрямку руху молекули, - визначає КІЛЬКІСТЬ енергії переданої другому тілу. Зупинка молекули перешкодою повністю - означає 100-відсоткову передачу енергії перешкоді.

Загальмувавши, а точніше відхиливши більше молекул, ми отримуємо і більше енергії. Здогадайтеся, яке з двох аналізованих вітроколес гальмує більше молекул? Правильно. Але і "лопаті" (якщо їх примусово) обертати-зіберуть (відхилять) ці самі молекули. І чим більша кутова швидкість обертання лопаті тим з великою кількістю молекул вони зіткнуться (знімуть енергію), а на великих швидкостях підключиться ще й аеродинаміка.

Парусне колесо взагалі не потрібно крутити для цих цілей. Воно відразу контактує з усіма молекулами, що приходять на площу, що ометається. А отримуючи енергію від безлічі молекул одночасно - просто крутиться разом із валом редуктора.

Чи всі переваги вітрильного колеса представлені тут? Ні, звичайно. Відкрию ще одну таємницю. Вітрильне вітроколесо не розкидає елементарні цівки повітря в різні боки, а дбайливо збирає їх у свої гнучкі конуси (робочі органи), і випускає через реактивні щілини за межі площі, що омітається. І куди б не потрапила цівка повітря - на край вітрила або в центр, вона буде зупинена, перенаправлена, знову прискорена (відповідними струменями - тиском) і випущена через реактивну щілину, віддавши всю початкову енергію і половину (тепер уже точно кінетичної) енергії отриманої в час прискорення у «жолобі» конуса.

Звідки взялася ця друга кінетична енергія на прискорення? Ну, якщо вітер не скасували - з тиску створеного елементарними струмками повітря, що прибувають на ометану площу.

Ну такі вони, - цівки.

Володимир із Таганрога

Екологія споживання. Наука і техніка: Можна сказати, що вітрильний вітряк один із найпростіших, але водночас один із найнеефективніших існуючих вітряків. КИЕВ вітрильного вітряка не може бути вищим за 20% навіть теоретично.

Людство використовує вітрила з давніх-давен, вже багато тисяч років. Втім, скільки себе пам'ятає. Коли про аеродинаміку ще й гадки не мали. Але вітряки вже крутилися і човни під вітрилами вже плавали. Щоправда на ті часи користувалися зазвичай плоскими вітрилами. У середні віки були винайдені вітрила більш досконалі, що відразу спричинило різкий стрибок у розвитку мореплавання, і як наслідок - найгучніші географічні відкриття. Але досі вітрило продовжує служити і служитиме людям доти, доки дме вітер.

Як виглядає вітрильний вітряк вам має бути зрозуміло з фотографій. Не вдаючись у нетрі аеродинаміки, можна сказати, що вітрильний вітряк один із найпростіших, але водночас один із найнеефективніших існуючих вітряків. КИЕВ вітрильного вітряка не може бути вищим за 20% навіть теоретично. Це означає, що ви отримуватимете лише 1/5 частину потужності вітрового потоку, що потрапляє на лопаті вітрильного вітряка. Наприклад, якщо вітер дме зі швидкістю 5 м/с, а вітряк у вас 5 метрів у діаметрі, то потужність вітрового потоку буде прибл. 1500 Ватт. Ви ж реально можете зняти з вітряка лише 300 Ватт (у кращому разі). І це із п'ятиметрової конструкції!

На щастя лише низьким КИЕВ (коефіцієнтвикористання енергії вітру) недоліки вітрильного вітряка та обмежуються. Далі йдуть лише переваги.

Вітрильний вітряк - найтихохідніший вітряк. Його швидкохідність рідко наближається до 2, зазвичай знаходиться в діапазоні від 1 до 1,5. І все через його жахливу аеродинаміку.

З іншого боку, вітрильний вітряк - один із найчутливіших вітряків. Він працює з самого низу діапазону швидкостей вітру, починаючи буквально від штилю, з 1-2 метрів на секунду. А це важливий фактор в умовах центральної Росії, де вітер рідко буває більше 3-5 метрів за секунду. Тут, де більш швидкохідні вітряки здебільшого б'ють байдики, вітрильний вітряк хоч щось видаватиме. Хоча, як вам напевно відомо, Росія не славиться вітряками, тут не приморська Голландія і вітру нас не балують. Натомість було багато водяних млинів.

Ще однією перевагою вітрильного вітряка є дивовижна простота його конструкції. Вал вітряка, на підшипниках, звичайно, на валу - маточина. До маточини прикріплені «щогли», зазвичай від 8 до 24-х. А від щоглів відходять косі вітрила із міцної тонкої матерії, як правило, синтетичної. Інша частина вітрила кріпиться шкотами, які виконують роль регуляторів кута повороту вітрил і роль протиштормового захисту. Тобто. найпримітивніше вітрильне озброєння, простіше, ніж на найпростішій яхті.

Саме ця простота конструкції і не дозволяє відправляти вітрильний вітряк до архіву технічних досягнень людства. Для переносного, перевізного, похідного, аварійного варіанта вітрильний вітряк досить гідна конструкція. У зібраному варіанті він є упаковкою не більше, ніж намет. Вітрила згорнуті, щогли складені. Навіть 2-х метровий вітрильний вітряк на вітрі в 5 метрів/сек дасть вірних 25-40 Ватт енергії, чого з лишком вистачить для заряджання акумуляторів і зв'язкової та навігаційної апаратури, та й для нехитрої системи освітлення на потужних світлодіодах вистачить.

Невисока за визначенням потужність вітрильного вітряка наводить на думку про застосування в якості генератора крокового двигуна аналогічної потужності (30-40 Ватт). Йому теж не потрібні високі обороти, 200-300 за хвилину цілком вистачить. Що ідеально узгоджується із частотою оборотів вітряка. Адже він при швидкохідності 1,5 видаватиме ці 200 оборотів вже при вітрі 4-5 метрів за секунду. Використовуючи готовий кроковий двигун ви тим самим позбавите себе досить серйозної мороки з виготовлення електрогенератора. Оскільки спочатку мається на увазі наявність редуктора або мультиплікатора, легко можна узгодити обороти вітрильного вітряка і генератора.

Якщо зробити варіант із жорсткими (пластиковими вітрилами), то можна буде дещо збільшити швидкохідність, правда, за рахунок деякого зниження мобільності. У розібраному вигляді вітряк займатиме більше місця.

Тому якщо ваші амбіції щодо запрягання вітру у свій віз обмежуються потужністю в пару-трійку десятків Ватів для зарядки невеликих та середніх акумуляторів, (до 100 А.год.), організацією простого освітлення за допомогою інвертора до 220 вольт і енергозберігаючих ламп, вельми гідний варіант. Це буде нехай і не найефективніший у плані використання енергії вітру, але дуже бюджетний варіант, що швидко окупається. 2-3 метровий вітряк видаватиме вам до 1 кВт енергії в добу.

Як похідний, вітрильний вітряк буде дешевшим за найдешевший бензиновий електрогенератор і окупить себе спочатку.

Стаціонарні вітрильні вітряки будують спочатку великі саме через їх невисокий КИЕВ. Не менше 5-6 метрів діаметром, інакше немає сенсу. Такий вітряк вже стабільно видаватиме до 2-3 кВт енергії на добу. І при дбайливому її використанні їх можна перетворити на 3-5 КВт освітлювальної енергії (наприклад для освітлення теплиці або парника). А при використанні теплового насоса - в 5-6 кВт теплової енергії, що дозволить опалювати невеликий садовий будиночок в 20-30 кв. метрів та серйозно економити паливо.

Тому вітрильний вітряк, незважаючи на свою архаїчність конструкції залишається способом використання вітру все ще заслуговує на увагу. Особливо у зоні слабких вітрів.

Верхня межа робочої швидкості вітру у вітрильного вітряка трохи більше 10-12 метрів на секунду. І то у найнадійніших вітряків. Тому при конструюванні вітрильного вітряка слід серйозно перейматися штормовим захистом. Наприклад зробити «щогли, що ламаються», на основі конструкції антени Куликова, або придумати пристрій розслаблюючі шкоти, щоб перетворити вітрила на прапори, або складати щогли за допомогою тросів-розтяжок, і т.д. опубліковано

Росія щодо вітроенергетичних ресурсів займає подвійне становище. З одного боку, завдяки величезній загальній площі та розмаїттю рівнинних місцевостей вітру загалом багато, і він переважно рівний. З іншого боку – наші вітри переважно низькопотенційні, повільні, див. рис. З третьої, мало обжитих місцевостях вітри буйні. Виходячи з цього, завдання завести на господарстві вітрогенератор є цілком актуальним. Але, щоб вирішити - купувати досить дорогий пристрій, або зробити його своїми руками, потрібно добре подумати, який тип (а їх дуже багато) для якої мети вибрати.

Основні поняття

1. КИЕВ – коефіцієнт використання енергії вітру. У разі застосування для розрахунку механістичної моделі плоского вітру (див. далі) він дорівнює ККД ротора ветросилової установки (ЗСУ).
2. ККД – наскрізний ККД ЗСУ, від вітру, що набігає, до клем електрогенератора, або до кількості накачаної в бак води.
3. Мінімальна робоча швидкість вітру (МРС) – швидкість його, коли він вітряк починає давати струм у навантаження.
4. Максимально допустима швидкість вітру (МДС) – його швидкість, при якій вироблення енергії припиняється: автоматика або відключає генератор, або ставить ротор у флюгер, або складає його і ховає, або сам ротор зупиняється, або ЗСУ просто руйнується.
5. Стартова швидкість вітру (ССВ) – при такій швидкості ротор здатний провернутися без навантаження, розкрутитися і увійти в робочий режим, після чого можна включати генератор.
6. Негативна стартова швидкість (ОСС) – це означає, що ЗСУ (або ВЕУ – вітроенергетична установка, або ВЕА, вітроенергетичний агрегат) для запуску за будь-якої швидкості вітру вимагає обов'язкового розкручування від стороннього джерела енергії.
7. Стартовий (початковий) момент – здатність ротора, примусово загальмованого в потоці повітря, створювати крутний момент на валу.
8. Вітродвигун (ВД) – частина ЗСУ від ротора до валу генератора чи насоса, чи іншого споживача енергії.
9. Роторний вітрогенератор - ЗСУ, в якій енергія вітру перетворюється на момент обертання на валу відбору потужності за допомогою обертання ротора в потоці повітря.
10. Діапазон робочих швидкостей ротора – різниця між МДС та МРС під час роботи на номінальне навантаження.
11. Тихохідний вітряк - у ньому лінійна швидкість частин ротора в потоці значно не перевищує швидкість вітру або нижче її. Динамічний напір потоку безпосередньо перетворюється на тягу лопаті.
12. Швидкохідний вітряк – лінійна швидкість лопат істотно (до 20 і більше разів) вище швидкості вітру, і ротор утворює свою власну циркуляцію повітря. Цикл перетворення енергії потоку в складний тягу.

Примітки:

1. Тихохідні ЗСУ, як правило, мають КИЕВ нижче, ніж швидкохідні, але мають стартовий момент, достатній для розкручування генератора без відключення навантаження та нульову ССВ, тобто. абсолютно самозапускаються і застосовні при слабких вітрах.
2. Тихохідність та швидкохідність – поняття відносні. Побутовий вітряк на 300 об/хв може бути тихохідним, а потужні ЗСУ типу EuroWind, з яких набирають поля вітроелектростанцій, ВЕС (рис.) і ротори яких роблять близько 10 об/хв – швидкохідні, т.к. при такому їх діаметрі лінійна швидкість лопатей та їх аеродинаміка на більшій частині розмаху – цілком «літакові», див. далі.

Який потрібний генератор?

Електричний генератор для вітряка побутового призначення повинен виробляти електроенергію в широкому діапазоні швидкостей обертання і мати здатність самозапуску без автоматики та зовнішніх джерел живлення. У разі використання ЗСУ з ОСС (вітряки з розкруткою), які мають, як правило, високі КИЕВ та ККД, він повинен бути і оборотним, тобто. вміти працювати і як двигун. При потужностях до 5 кВт цій умові задовольняють електричні машини з постійними магнітами на основі ніобію (супермагнітами); на сталевих чи феритових магнітах можна розраховувати лише на 0,5-0,7 кВт.

Примітка: асинхронні генератори змінного струму або колекторні з ненамагніченим статором не годяться зовсім. При зменшенні сили вітру вони згаснуть задовго до того, як його швидкість впаде до МРС, і потім самі не запустяться.

Відмінне «серце» ЗСУ потужністю від 0,3 до 1-2 кВт виходить із автогенератора змінного струму з вбудованим випрямлячем; таких зараз більшість. По-перше, вони тримають вихідну напругу 11,6-14,7 В досить широкому діапазоні швидкостей без зовнішніх електронних стабілізаторів. По-друге, кремнієві вентилі відкриваються, коли напруга на обмотці досягне приблизно 1,4, а до цього генератор «не бачить» навантаження. Для цього генератор потрібно вже досить пристойно розкрутити.

У більшості випадків автогенератор можна безпосередньо, без зубчастої або ремінної передачі, з'єднати з валом швидкохідного ВД, підібравши оберти вибором кількості лопат, див. нижче. "Швидкоходки" мають малий або нульовий стартовий момент, але ротор і без відключення навантаження встигне достатньо розкрутитися, перш ніж вентилі відкриються і генератор дасть струм.

Вибір за вітром

Перш ніж вирішувати, як зробити вітрогенератор, визначимося з місцевою аерологією. У сіро-зелених(безвітряних) областях вітрової карти хоч якийсь толк буде лише від вітрильного вітродвигуна(І їх далі поговоримо). Якщо необхідно постійне енергопостачання, то доведеться додати бустер (випрямляч зі стабілізатором напруги), зарядний пристрій, потужну акумуляторну батарею, інвертор 12/24/36/48 постійки в 220/380 В 50 Гц змінного струму. Обійдеться таке господарство не менше $20.000, і зняти довготривалу потужність понад 3-4 кВт навряд чи вийде. Загалом, при непохитному прагненні альтернативної енергетики краще пошукати інше її джерело.

У жовто-зелених, слабовітряних місцях, при потребі в електриці до 2-3 кВт, самому можна взятися за тихохідний вертикальний вітрогенератор.. Їх розроблено немає числа, і є конструкції, за КИЕВ та ККД майже не поступаються «лопатеві» промислового виготовлення.

Якщо ж ВЕУ для дому передбачається купити, то краще орієнтуватися на вітряк із вітрильним ротором. Спорів і їх багато, і теоретично поки що все ясно, але працюють. У РФ «вітрили» випускають у Таганрозі на потужність 1-100 кВт.

У червоних, вітряних регіонах вибір залежить від потрібної потужності.У діапазоні 0,5-1,5 кВт виправдані саморобні вертикалки; 1,5-5 кВт – покупні вітрильники. «Вертикалка» теж може бути покупною, але обійдеться дорожче за ЗСУ горизонтальної схеми. І, нарешті, якщо потрібно вітряк потужністю 5 кВт і більше, то вибирати потрібно між горизонтальними покупними "лопатями" або "вітрильниками".

Примітка: багато виробників, особливо другого ешелону, пропонують комплекти деталей, з яких можна зібрати вітрогенератор потужністю до 10 кВт самостійно. Обійдеться такий набір на 20-50% дешевше від готового з установкою. Але перш покупки потрібно уважно вивчити аерологію передбачуваного місця встановлення, а потім за специфікаціями підібрати відповідні тип та модель.

Про безпеку

Деталі вітродвигуна побутового призначення в роботі можуть мати лінійну швидкість, що перевищує 120 і навіть 150 м/с, а шматочок будь-якого твердого матеріалу вагою 20 г, що летить зі швидкістю 100 м/с, при «вдалому» попаданні вбиває здорового мужика наповал. Сталева, або з жорсткого пластику, пластина товщиною 2 мм, що рухається зі швидкістю 20 м/с, розтинає його навпіл.

Крім того, більшість вітряків потужністю понад 100 Вт досить сильно шумлять. Багато хто породжує коливання тиску повітря наднизькою (менше 16 Гц) частоти – інфразвуки. Інфразвуки нечутні, але згубні здоров'ю, а поширюються дуже далеко.

Примітка: наприкінці 80-х у США був скандал – довелося закрити найбільшу на той момент у країні ВЕС. Індіанці з резервації за 200 км від поля її ЗСУ довели в суді, що різко почастішали в них після введення ЗЕЗ в експлуатацію розлади здоров'я обумовлені її інфразвуками.

Через зазначені вище причини встановлення ЗСУ допускається на відстані не менше 5 їх висот від найближчих житлових будівель. У дворах приватних домоволодінь можна встановлювати вітряки промислового виготовлення, сертифіковані відповідним чином. На дахах ставити ЗСУ взагалі не можна – при їх роботі навіть у малопотужних виникають знакозмінні механічні навантаження, здатні викликати резонанс будівельної конструкції та її руйнування.

Примітка: висотою ЗСУ вважається найвища точка диска, що омітається (для лопатевих роторів) або геомеричної фігури (для вертикальних ЗСУ з ротором на держаку). Якщо щогла ЗСУ або вісь ротора виступають вгору ще вище, висота вважається за їхньою топою - верхівкою.

Вітер, аеродинаміка, КИЕВ

Саморобний вітрогенератор підпорядковується тим самим законам природи, як і заводський, розрахований на комп'ютері. І саморобнику основи його роботи потрібно розуміти дуже добре – у його розпорядженні найчастіше немає дорогих суперсучасних матеріалів та технологічного обладнання. Аеродинаміка ж ЗСУ ох як непроста…

Вітер та КИЕВ

Для розрахунку серійних заводських ЗСУ використовується т. зв. плоскі механістичні моделі вітру. У її основі такі припущення:

• Швидкість та напрямок вітру постійні в межах ефективної поверхні ротора.
• Повітря – суцільне середовище.
• Ефективна поверхня ротора дорівнює площі, що омітається.
• Енергія повітряного потоку – суто кінетична.

За таких умов максимальну енергію одиниці об'єму повітря обчислюють за шкільною формулою, вважаючи густину повітря за нормальних умов 1,29 кг*куб. м. При швидкості вітру 10 м/с один куб повітря несе 65 Дж, і з одного квадрата ефективної поверхні ротора можна, при 100% ККД всієї ЗСУ, зняти 650 Вт. Це дуже спрощений підхід - всі знають, що вітер ідеально рівним не буває. Але це доводиться йти, щоб забезпечити повторюваність виробів – звичайне у техніці справа.

Плоскую модель не слід ігнорувати, вона дає чіткий мінімум доступної енергії вітру. Але повітря, по-перше, стискаємо, по-друге, дуже плинний (динамічна в'язкість всього 17,2 мкПа * с). Це означає, що потік може обтікати площу, що ометається, зменшуючи ефективну поверхню і КИЕВ, що найчастіше і спостерігається. Але в принципі можлива і зворотна ситуація: вітер стікається до ротора і площа ефективної поверхні тоді виявиться більше омітається, а КИЕВ - більше 1 щодо його для плоского вітру.

Наведемо два приклади. Перший - прогулянкова, досить важка, яхта може йти не тільки проти вітру, а й швидше за нього. Вітер мається на увазі зовнішній; вимпельний вітер все одно має бути швидшим, інакше як він судно потягне?

Другий – класика авіаційної історії. На випробуваннях МІГ-19 виявилося, що перехоплювач, який був на тонну важчий за фронтовий винищувач, за швидкістю розганяється швидше. З тими ж двигунами в тому ж планері.

Теоретики не знали, що і думати, і всерйоз засумнівалися у законі збереження енергії. Зрештою виявилося - справа в конусі обтічника РЛС, що виступає з повітрозабірника. Від його носка до обічайки виникало ущільнення повітря, яке ніби згрібало його зі сторін до компресорів двигунів. З того часу ударні хвилі міцно увійшли в теорію як корисні, і фантастичні льотні дані сучасних літаків значною мірою зумовлені їх умілим використанням.

Аеродинаміка

Розвиток аеродинаміки прийнято ділити на дві епохи - до Н. Г. Жуковського та після. Його доповідь «Про приєднані вихори» від 15 листопада 1905 р. стала початком нової ери в авіації.

До Жуковського літали на поставлених плашмя вітрилах: вважалося, що частинки потоку, що набігає, віддають весь свій імпульс передній кромці крила. Це дозволяло відразу позбавитися векторної величини – моменту кількості руху – породжувала зубодробну і найчастіше неаналітичну математику, перейти до куди зручнішим скалярним суто енергетичним співвідношенням, і отримати в результаті розрахункове поле тиску на несучу площину, більш-менш схоже на сьогодення.

Такий механістичний підхід дозволив створити апарати, здатні сяк-так піднятися в повітря і здійснити переліт з одного місця в інше, не обов'язково впавши на землю десь по дорозі. Але прагнення збільшити швидкість, вантажопідйомність та інші льотні якості дедалі більше виявляло недосконалість початкової аеродинамічної теорії.

Ідея Жуковського була така: вздовж верхньої та нижньої поверхонь крила повітря проходить різний шлях. З умови безперервності середовища (бульбашки вакууму самі по собі в повітрі не утворюються) випливає, що швидкості верхнього та нижнього потоків, що сходять із задньої кромки, повинні відрізнятися. Внаслідок нехай малої, але кінцевої в'язкості повітря там через різницю швидкостей має утворитися вихор.

Вихор обертається, а закон збереження кількості руху, настільки ж незаперечний, як закон збереження енергії, справедливий й у векторних величин, тобто. повинен враховувати напрям руху. Тому тут же, на задній кромці, повинен сформуватися вихор, що протилежно обертається, з таким же обертальним моментом. За рахунок чого? За рахунок енергії, що виробляється двигуном.

Для практики авіації це означало революцію: обравши відповідний профіль крила, можна було приєднаний вихор пустити навколо крила як циркуляції Р, що збільшує його підйомну силу. Тобто, витративши частину, а для великих швидкостей і навантажень на крило - більшу частину, потужності мотора, можна створити навколо апарату повітряний потік, що дозволяє досягти кращих льотних якостей.

Це робило авіацію авіацією, а не частиною повітроплавання: тепер літальний апарат міг сам створювати собі необхідне для польоту середовище і не бути іграшкою повітряних потоків. Потрібен тільки двигун потужніший, і ще й ще потужніший.

Знову КИЇВ

Але у вітряка двигуна немає. Він, навпаки, повинен відбирати енергію у вітру та давати її споживачам. І тут виходить – ноги витяг, хвіст ув'яз. Пустили надто мало енергії вітру на власну циркуляцію ротора – вона буде слабкою, тяга лопатей – малою, а КИЕВ та потужність – низькими. Віддамо на циркуляцію багато - ротор при слабкому вітрі буде на холостому ходу крутитися як шалений, але споживачам знову дістається мало: трохи дали навантаження, ротор загальмувався, вітер здув циркуляцію, і ротор став.

Закон збереження енергії «золоту середину» дає саме посередині: 50% енергії даємо в навантаження, а на інші 50% підкручуємо потік до оптимуму. Практика підтверджує припущення: якщо ККД хорошого пропелера, що тягне, становить 75-80%, то КИЕВ так само ретельно розрахованого і продутого в аеродинамічній трубі лопатевого ротора доходить до 38-40%, тобто. до половини від того, чого можна досягти при надлишку енергії.

Сучасність

Нині аеродинаміка, озброєна сучасною математикою та комп'ютерами, дедалі більше уникає неминуче щось та спрощують моделей до точного описи поведінки реального тіла на реальному потоці. І тут, крім генеральної лінії – потужність, потужність, та ще раз потужність! - Виявляються шляхи побічні, але багатообіцяючі якраз при обмеженій кількості енергії, що надходить в систему.

Відомий авіатор-альтернативник Пол Маккріді ще у 80-х створив літак, з двома моторчиками від бензопили потужністю 16 к.с. що показав 360 км/год. Причому шасі його було триопорним, а колеса - без обтічників. Жоден з апаратів Маккріді не вийшов на лінію і не став на бойове чергування, але два – один із поршневими моторами та пропелерами, а інший реактивний – уперше в історії облетіли навколо земної кулі без посадки на одній заправці.

Вітрильників, що породили початкове крило, розвиток теорії теж торкнувся дуже суттєво. "Жива" аеродинаміка дозволила яхтам при вітрі в 8 вузл. стати на підводні крила (див. рис.); щоб розігнати таку гігант до потрібної швидкості гребним гвинтом, потрібен двигун не менше 100 к.с. Гоночні катамарани при такому вітрі ходять зі швидкістю близько 30 вузл. (55 км/год).

Є й знахідки зовсім нетривіальні. Любителі найрідкіснішого та екстемального спорту – бейсджампінгу – одягнувши апеціальний костюм-крило, вінгсьют, літають без мотора, маневруючи, на швидкості понад 200 км/год (рис. праворуч), а потім плавно приземляються у заздалегідь обраному місці. У якій казці люди літають самі собою?

Дозволено й багато загадок природи; зокрема – політ жука. За класичною аеродинамікою він літати не здатний. Так само, як і родоначальник «стелсов» F-117 з його крилом ромбоподібного профілю теж не здатний піднятися в повітря. А МІГ-29 та Су-27, які деякий час можуть летіти хвостом уперед, і зовсім ні в які уявлення не вкладаються.

І чому тоді, займаючись вітродвигунами, не забавою і знаряддям знищення собі подібних, а джерелом життєво важливого ресурсу, потрібно танцювати неодмінно від теорії слабких потоків з її моделлю плоского вітру? Невже не знайдеться можливості рушити далі?

Чого чекати від класики?

Однак від класики відмовлятися в жодному разі не слід. Вона дає основу, не спираючись на яку не можна піднятися вище. Точно так, як теорія множин не скасовує таблицю множення, а від квантової хромодинаміки яблука з дерев нагору не відлетять.

Отже, на що можна розраховувати за класичного підходу? Подивимося на малюнок. Зліва – типи роторів; вони зображені умовно. 1 – вертикальний карусельний; 2 – вертикальний ортогональний (вітряна турбіна); 2-5 - лопатеві ротори з різною кількістю лопатей з оптимізованими профілями.

Праворуч по горизонтальній осі відкладена відносна швидкість ротора, тобто відношення лінійної швидкості лопаті до швидкості вітру. По вертикальній догори – КИЕВ. А вниз - знову ж таки відносний крутний момент. Одиничним (100%) крутним моментом вважається такий, що створює насильно загальмований у потоці ротор зі 100% КИЕВ, тобто. коли вся енергія потоку перетворюється на зусилля, що обертає.

Такий підхід дозволяє робити далекосяжні висновки. Скажімо, кількість лопатей потрібно вибирати не тільки і не стільки за бажаною швидкістю обертання: 3- і 4-лопастники відразу багато втрачають по КИЕВ і обертальному моменту порівняно з 2- і 6-лопастниками, що добре працюють приблизно в тому ж діапазоні скоростей. А зовні схожі карусель і ортогонал мають принципово різні властивості.

В цілому ж перевагу слід віддавати лопатевим роторам, крім випадків, коли потрібна гранична дешевизна, простота, самозапуск без автоматики, що не обслуговується, і неможливий підйом на щоглу.

Примітка: про вітрильні ротори поговоримо особливо - вони, схоже, в класику не вкладаються.

Вертикалки

ЗСУ з вертикальною віссю обертання мають незаперечну для побуту перевагу: їх вузли, що потребують обслуговування, зосереджені внизу і не потрібне підйом нагору. Там залишається, і то не завжди, упорно-опорний самовстановлюваний підшипник, але він міцний і довговічний. Тому, проектуючи простий вітрогенератор, вибір варіантів потрібно починати з вертикалок. Основні їх типи представлені на рис.

НД

На першій позиції – найпростіший, найчастіше званий ротором Савоніуса. Насправді його винайшли в 1924 р. в СРСР Я. А. і А. А. Вороніни, а фінський промисловець Сігурд Савоніус безсовісно привласнив собі винахід, проігнорувавши радянське авторське свідоцтво, і розпочав серійний випуск. Але впровадження у долі винаходу означає дуже багато, тому ми, щоб не ворушити минуле і не турбувати порох померлих, назвемо цей вітряк ротором Вороніних-Савоніуса, або для стислості, ВС.

ВС для самороба всім хороший, крім «паровозного» КИЕВ у 10-18%. Однак у СРСР над ним працювало багато, і напрацювання є. Нижче ми розглянемо вдосконалену конструкцію, не набагато складнішу, але по КИЕВ, що дає фору лопаткам.

Примітка: дволопатевий НД не крутиться, а смикається ривками; 4-лопатевий лише трохи плавніший, але багато втрачає в КИЕВ. Для покращення 4-«коритні» найчастіше розносять на два поверхи – пару лопатей унизу, а інша пара, повернена на 90 градусів по горизонталі, над ними. КИЕВ зберігається, і бічні навантаження на механіку слабшають, але згинальні дещо зростають, і за вітру понад 25 м/с у такої ЗСУ на держаку, тобто. без розтягнутого вантами підшипника над ротором, зриває вежу.

Дар'ї

Наступний – ротор Дар'ї; КИЇВ – до 20%. Він ще простіше: лопаті – з простої пружної стрічки без жодного профілю. Теорія ротора Дар'ї ще недостатньо розроблена. Зрозуміло тільки, що починає він розкручуватися за рахунок різниці аеродинамічного опору горба та кишені стрічки, а потім стає ніби швидкохідним, утворюючи власну циркуляцію.

Обертальний момент малий, а в стартових положеннях ротора паралельно і перпендикулярно вітру взагалі відсутня, тому саморозкручування можливе тільки при непарній кількості лопатей (крил?) У будь-якому випадку на час розкручування навантаження від генератора потрібно відключати.

Є у ротора Дар'ї ще дві погані якості. По-перше, при обертанні вектор тяги лопаті описує повний оберт щодо її аеродинамічного фокусу, і не плавно, а ривками. Тому ротор Дар'ї швидко розбиває свою механіку навіть за рівного вітру.

По-друге, Дар'ї не те що галасує, а кричить і верещить, аж до того, що стрічка рветься. Відбувається це внаслідок її вібрації. І чим більше лопатей, тим сильніше ревіння. Так що Дар'ї якщо й роблять, то дволопатевими, з дорогих високоміцних звукопоглинаючих матеріалів (карбону, майлару), а для розкручування посередині щогли-древка пристосовують невеликий НД.

Ортогонал

На поз. 3 – ортогональний вертикальний ротор із профільованими лопатями. Ортогональний тому, що крила стирчать вертикально. Перехід від ВС до ортогоналу ілюструє рис. ліворуч.

Кут установки лопатей щодо дотичної до кола, що стосується аеродинамічних фокусів крил, може бути як позитивним (на рис.), так і негативним, за силою вітру. Іноді лопаті роблять поворотними і ставлять на них флюгерки, які автоматично тримають «альфу», але такі конструкції часто ламаються.

Центральне тіло (блакитне на рис.) дозволяє довести КИЕВ майже до 50%. У трилопатевому ортогоналі воно повинно в розрізі мати форму трикутника зі злегка опуклими сторонами і округленими кутами, а при більшій кількості лопатей досить простого циліндра. Але теорія для ортогоналу оптимальна кількість лопатей дає однозначно: їх має бути 3.

Ортогонал належить до швидкохідних вітряків з ОСС, тобто. обов'язково вимагає розкручування при введенні в експлуатацію та після штилю. За ортогональною схемою випускаються серійні ВСУ, що не обслуговуються, потужністю до 20 кВт.

Гелікоїд

Гелікоїдний ротор, або ротор Горлова (поз. 4) - різновид ортогоналу, що забезпечує рівномірне обертання; ортогонал з прямими крилами «рве» лише трохи слабше за дволопатевий ВС. Вигин лопатей по гелікоїді дозволяє уникнути втрат КИЕВ через їхню кривизну. Хоча частина потоку крива лопать і відкидає, не використовуючи, зате й загрібає частину в зону найбільшої лінійної швидкості, компенсуючи втрати. Гелікоїди використовують рідше за інші вітряки, т.к. вони внаслідок складності виготовлення виявляються дорожчими за рівних за якістю побратимів.

Бочка-загребушка

на 5 поз. - Ротор типу ВС, оточений направляючим апаратом; його схема представлена ​​на рис. праворуч. У промисловому виконанні трапляється рідко, т.к. дороге відведення землі не компенсує приросту потужності, а матеріаломісткість і складність виробництва великі. Але саморобник, який боїться роботи – вже не майстер, а споживач, і, якщо потрібно не більше 0,5-1,5 кВт, то для нього «бочка-загребушка» ласий шматок:

• Ротор такого типу абсолютно безпечний, безшумний, не створює вібрацій і може бути встановлений будь-де, хоч на дитячому майданчику.
• Зігнути «корита» з оцинковки та зварити каркас із труб – робота нісенітна.
• Обертання – абсолютно рівномірне, деталі механіки можна взяти найдешевші або з непотребу.
• Не боїться ураганів - надто сильний вітер не може проштовхнутися в бочку; навколо неї виникає обтічний вихровий кокон (ми з цим ефектом ще зіткнемося).
• А найголовніше - оскільки поверхня «загребушки» в кілька разів більша за такий ротора всередині, КИЕВ може бути і надпоодиноким, а обертальним моментом вже при 3 м/с у «бочки» триметрового діаметру такий, що генератору на 1 кВт з граничним навантаженням, як кажуть, краще і не смикатися.

Відео: вітрогенератор Ленца

У 60-х у СРСР Є. С. Бірюков запатентував карусельну ЗСУ з КИЕВ 46%. Трохи пізніше В. Блінов досяг від конструкції на тому ж принципі КИЕВ 58%, але даних про її випробування немає. А натурні випробування ЗСУ Бірюкова було проведено співробітниками журналу «Винахідник і раціоналізатор». Двоповерховий ротор діаметром 0,75 м та висотою 2 м при свіжому вітрі розкручував на повну потужність асинхронний генератор 1,2 кВт та витримував без поломки 30 м/с. Креслення ВСУ Бірюкова наведено на рис.

1. ротор з покрівельної оцинковки;
2. самовстановлюваний дворядний кульковий підшипник;
3. ванти - 5 мм сталевий трос;
4. вісь-древко - сталева труба з товщиною стінок 1,5-2,5 мм;
5. важелі аеродинамічного регулятора обертів;
6. лопаті регулятора обертів - 3-4 мм фанера або листовий пластик;
7. тяги регулятора оборотів;
8. вантаж регулятора оборотів, його вага визначає частоту обертання;
9. ведучий шків - велосипедне колесо без шини з камерою;
10. підп'ятник - упорно-опорний підшипник;
11. ведений шків - штатний шків генератора;
12. генератор.

Бірюков на свою ЗСУ отримав одразу кілька авторських свідоцтв. По-перше, зверніть увагу на розріз ротора. При розгоні він працює подібно до НД, створюючи великий стартовий момент. У міру розкручування у зовнішніх кишенях лопатей створюється вихрова подушка. З погляду вітру, лопаті стають профільованими, і ротор перетворюється на швидкохідний ортогонал, причому віртуальний профіль змінюється відповідно до сили вітру.

По-друге, профільований канал між лопатями у робочому діапазоні швидкостей працює як центральне тіло. Якщо ж вітер посилюється, то в ньому створюється вихрова подушка, що виходить за межі ротора. Виникає такий самий вихровий кокон, як навколо ЗСУ з направляючим апаратом. Енергія на його створення береться від вітру, тому на поломку вітряка її вже не вистачає.

По-третє, регулятор обертів призначений насамперед турбіни. Він тримає її обороти оптимальними з погляду КИЇВ. Оптимум частоти обертання генератора забезпечується вибором передавального відношення механіки.

Примітка: після публікацій в ІР за 1965 р. ЗСУ Бірюкова канула в небуття. Відповіді від інстанцій автор так і не дочекався. Доля багатьох радянських винаходів. Кажуть, якийсь японець став мільярдером, регулярно читаючи радянські популярно-технічні журнали і патентуючи у себе все, що заслуговує на увагу.

Лопатники

Як у сказано, за класикою горизонтальний вітрогенератор із лопатевим ротором – найкращий. Але, по-перше, йому потрібний стабільний хоча б середньої сили вітер. По-друге, конструкція для саморобника таїть у собі чимало підводних каменів, через що нерідко плід довгих завзятих праць у кращому разі висвітлює туалет, передпокій або ганок, а то й виявляється здатний лише розкрутити самого себе.

За схемами на рис. розглянемо докладніше; позиції:

• Фіг. А:

1. лопаті ротора;
2. генератор;
3. станина генератора;
4. захисний флюгер (ураганна лопата);
5. струмознімач;
6. шасі;
7. поворотний вузол;
8. робочий флюгер;
9. щогла;
10. хомут під ванти.

• Фіг. Б, вид зверху:

1. захисний флюгер;
2. робочий флюгер;
3. регулятор натягу пружини захисного флюгера.

• Фіг. Г, струмознімач:

1. колектор із мідними нерозрізними кільцевими шинами;
2. пружні міднографітові щітки.

Примітка: ураганний захист для горизонтального лопатника діаметром понад 1 м абсолютно необхідний, т.к. створити навколо себе вихровий кокон він не здатний. При менших розмірах можна досягти витривалості ротора до 30 м/с з лопатями з пропілену.

Отже, де на нас чекають «спотики»?

Лопаті

Розраховувати досягти потужності на валу генератора понад 150-200 Вт на лопатях будь-якого розмаху, вирізаних з товстостінної пластикової труби, як часто радять – надії безпросвітного дилетанта. Лопата з труби (якщо тільки вона не настільки товста, що використовується просто як заготівля) матиме сегментний профіль, тобто. його верхня або обидві поверхні будуть дугами кола.

Сегментні профілі придатні для середовища, що не стискається, скажімо, для підводних крил або лопатей гребного гвинта. Для газів же потрібна лопать змінного профілю та кроку, наприклад див. рис.; розмах – 2 м. Це буде складний і трудомісткий виріб, що вимагає кропіткого розрахунку у всеозброєнні теорії, продувок у трубі та натурних випробувань.

Генератор

При насадці ротора прямо на його вал штатний підшипник швидко розіб'ється - однакового навантаження на всі лопаті у вітряках не буває. Потрібен проміжний вал із спеціальним опорним підшипником та механічна передача від нього на генератор. Для великих вітряків опорний підшипник беруть дворядний самовстановлюваний; у найкращих моделях – триярусний, Фіг. Д на рис. вище. Такий дозволяє валу ротора не тільки злегка згинатися, а й трохи зміщуватися з боку в бік або вгору-вниз.

Примітка: На розробку опорного підшипника для ЗСУ типу EuroWind пішло близько 30 років.

Аварійний флюгер

Принцип його показує Фіг. В. Вітер, посилюючись, тисне на лопату, пружина розтягується, ротор перекошується, обороти його падають і врешті-решт він стає паралельним потоку. Начебто все добре, але – гладко було на папері…

Спробуйте у вітряний день утримати за ручку паралельно вітру кришку від виварювання чи великої каструлі. Тільки обережно - вертлява залізяка може саданути по фізіономії так, що розквасить ніс, розсіче губу, а то й виб'є око.

Плоский вітер буває лише в теоретичних викладках і з достатньою для практики точністю в аеродинамічних трубах. Реально ж ураган вітряки з ураганною лопатою корежить більше, ніж беззахисні. Краще все-таки міняти зіпсовані лопаті, ніж робити знову все. У промислових установках – інша річ. Там крок лопатей, по кожній окремо, відстежує та регулює автоматика під керуванням бортового комп'ютера. І робляться вони із надміцних композитів, а не з водопровідних труб.

Струмознімач

Це – вузол, що регулярно обслуговується. Будь-який енергетик знає, що колектор із щітками потрібно чистити, змащувати, регулювати. А щогла – з водопровідної труби. Не залізеш, раз на місяць-два доведеться весь вітряк валити на землю і потім знову піднімати. Скільки він протягне від такої "профілактики"?

Відео: лопатевий вітрогенератор + сонячна панель для електропостачання дачі

Міні та мікро

Але із зменшенням розмірів лопатника проблеми падають по квадрату діаметра колеса. Виготовлення горизонтальної лопатевої ЗСУ своїми силами на потужність до 100 Вт вже можливе. Оптимальним буде 6-лопатевий. При більшій кількості лопат діаметр ротора, розрахованого на ту ж потужність, буде менше, але їх виявиться важко міцно закріпити на маточині. Ротори про менш ніж 6 лопатях можна не мати на увазі: 2-лопатникові на 100 Вт потрібен ротор діаметром 6,34 м, а 4-лопатникові тієї ж потужності - 4,5 м. Для 6-лопаткового залежність потужність - діаметр виражається наступним чином :

• 10 Вт - 1,16 м.
• 20 Вт - 1,64 м.
• 30 Вт - 2 м.
• 40 Вт - 2,32 м.
• 50 Вт - 2,6 м.
• 60 Вт - 2,84 м.
• 70 Вт - 3,08 м.
• 80 Вт - 3,28 м.
• 90 Вт – 3,48 м-коду.
• 100 Вт - 3,68 м.
• 300 Вт - 6,34 м.

Оптимальним буде розраховувати на потужність 10-20 Вт. По-перше, лопать із пластику розмахом понад 0,8 м без додаткових заходів захисту не витримає вітер понад 20 м/с. По-друге, при розмаху лопаті до тих же 0,8 м лінійна швидкість її кінців не перевищить швидкість вітру більш ніж утричі, і вимоги до профілювання з круткою знижуються на порядки; тут вже цілком задовільно працюватиме «корытце» із сегментним профілем із труби, поз. Б на рис. А 10-20 Вт забезпечать живлення планшетки, підзарядку смартфона або засвітять лампочку-економку.

Далі вибираємо генератор. Відмінно підійде китайський моторчик - маточина колеса для електровелосипедів, поз. 1 на рис. Його потужність як двигуна – 200-300 Вт, але в режимі генератора він дасть приблизно до 100 Вт. Але чи підійде він нам за оборотами?

Показник швидкохідності z для 6 лопатей дорівнює 3. Формула розрахунку швидкості обертання під навантаженням – N = v/l*z*60, де N – частота обертання, 1/хв, v – швидкість вітру, а l – довжина кола ротора. При розмаху лопаті 0,8 м та вітрі 5 м/с отримуємо 72 об/хв; при 20 м/с – 288 об/хв. Приблизно з такою ж швидкістю обертається велосипедне колесо, так що свої 10-20 Вт від генератора, здатного дати 100, ми вже знімемо. Можна садити ротор прямо на його вал.

Але тут виникає така проблема: ми, витративши чимало праці та грошей, хоч би на моторчик, отримали… іграшку! Що таке 10-20, ну, 50 Вт? А лопатевий вітряк, здатний запитати хоча б телевізор, удома не зробиш. Чи не можна купити готовий міні-вітрогенератор, і чи не обійдеться він дешевше? Ще як можна, і ще як дешевше, див. 4 та 5. Крім того, він буде ще й мобільним. Поставив на пеньок – і користуйся.

Другий варіант – якщо десь валяється кроковий двигун від старого 5- чи 8-дюймового дисководу, або від приводу паперу чи каретки непридатного струминного чи матричного принтера. Він може працювати як генератор і приробити до нього карусельний ротор з консервних банок (поз. 6) простіше, ніж збирати конструкцію на кшталт показаної на поз. 3.

Загалом щодо «лопатників» висновок однозначний: саморобні – скоріше для того, щоб помайструвати досхочу, але не для реальної довготривалої енерговіддачі.

Відео: найпростіший вітрогенератор для освітлення дачі

Вітрильники

Вітрильний вітрогенератор відомий давно, але м'які полотнища його лопатей почали робити з появою високоміцних зносостійких синтетичних тканин і плівок. Багатолопатеві вітряки з жорсткими вітрилами широко розійшлися по світу як привід малопотужних автоматичних водокачок, але їх техдані нижче навіть у каруселів.

Однак м'яке вітрило як крило вітряка, схоже, виявилося не так простим. Справа не у вітростійкості (виробники не обмежують максимально допустиму швидкість вітру): яхсменам-парусникам і так відомо, що вітру розірвати полотнище бермудського вітрила практично неможливо. Швидше шкот вирве, або щоглу зламає, або весь посуд зробить поворот оберкіль. Справа в енергетиці.

На жаль, точних даних випробувань не вдається знайти. За відгуками користувачів вдалося скласти «синтетичні» залежності для встановлення ВЕУ-4.380/220.50 таганрозького виробництва з діаметром вітроколеса 5 м, масою вітроголовки 160 кг та частотою обертання до 40 1/хв; вони представлені на рис.

Зрозуміло, гарантій за 100% достовірність бути не може, але і так видно, що плоско-механістичної моделлю тут і не пахне. Не може 5-метрове колесо на плоскому вітрі в 3 м/с дати близько 1 кВт, при 7 м/с вийти на плато за потужністю і далі тримати її до жорстокого шторму. Виробники, до речі, заявляють, що номінальні 4 кВт можна отримати і за 3 м/с, але при встановленні їх силами за результатами досліджень місцевої аерології.

Кількісної теорії також не виявляється; пояснення розробників малозрозумілі. Однак, оскільки таганрозькі ВЕУ народ купує, і вони працюють, залишається припустити, що заявлена ​​конічна циркуляція та пропульсивний ефект – не фікція. Принаймні можливі.

Тоді, виходить, ПЕРЕД ротором, за законом збереження імпульсу, повинен виникнути також конічний вихор, але повільний, що розширюється. І така вирва зганятиме вітер до ротора, його ефективна поверхня вийде більше омітається, а КИЕВ – надпоодиноким.

Пролити світло це питання могли б натурні вимірювання поля тиску перед ротором, хоча б побутовим анероїдом. Якщо воно виявиться вищим, ніж із боків осторонь, то, дійсно, вітрильні ЗСУ працюють, як жук літає.

Саморобний генератор

Зі сказаного вище ясно, що саморобам краще братися або за вертикалки, або за вітрильники. Але ті та інші дуже повільні, а передача на швидкохідний генератор – зайва робота, зайві витрати та втрати. Чи можна зробити найефективніший тихохідний електрогенератор самому?

Так, можна, на магнітах з ніобієвого металу, т. зв. супермагніти. Процес виготовлення основних деталей показано на рис. Котушки – кожна з 55 витків мідного 1 мм дроту у термостійкій високоміцній емалевій ізоляції, ПЕММ, ПЕТВ тощо. Висота обмоток – 9 мм.

Зверніть увагу на пази під шпонки половини ротора. Вони повинні бути розташовані так, щоб магніти (вони приклеюються до магнітопроводу епоксидкою або акрилом) після збирання зійшлися різними полюсами. «Млинці» (магнітопроводи) повинні бути виготовлені з магнітом'якого феромагнетика; підійде звичайна конструкційна сталь. Товщина «млинців» – не менше 6 мм.

Взагалі краще купити магніти з осьовим отвором і притягнути їх гвинтами; супермагніти притягуються зі страшною силою. З цієї ж причини на вал між «млинцями» одягається циліндрична проставка заввишки 12 мм.

Обмотки, що становлять секції статора, з'єднуються за схемами, також наведеними на рис. Спаяні кінці не повинні бути натягнуті, але повинні утворювати петлі, інакше епоксидка, якою залитиме статор, застигаючи, може порвати дроти.

Заливають статор у виливниці до товщини 10 мм. Центрувати та балансувати не потрібно, статор не обертається. Зазор між ротором та статором – по 1 мм з кожного боку. Статор у корпусі генератора потрібно надійно зафіксувати не тільки від зміщення по осі, а й від провертання; сильне магнітне поле при струмі в навантаженні тягне його за собою.

Відео: генератор для вітряка своїми руками

Висновок

І що ж ми маємо насамкінець? Інтерес до «лопатників» пояснюється скоріше їх ефектним зовнішнім виглядом, ніж дійсними експлуатаційними якостями у саморобному виконанні та на малих потужностях. Саморобна карусельна ЗСУ дасть "чергову" потужність для зарядки автоакумулятора або енергопостачання невеликого будинку.

А ось із вітрильними ЗСУ варто поекспериментувати майстрам із творчою жилкою, особливо у міні-виконанні, з колесом 1-2 м діаметром. Якщо припущення розробників вірні, то з такого можна буде зняти, за допомогою описаного вище китайського двигуна-генератора, його 200-300 Вт.

Андрій сказав(ла):

Дякую за вашу безкоштовну консультацію ... А ціни "від фірм" не реально дорогі, і я думаю, що майстрові люди з глибинки зможуть зробити генератори подібні до вашого. синусом). А вітрила, лопаті або ротори - це черговий привід для польоту думки наших рукастих Російських мужиків.

Іван сказав(ла):

питання:
Для вітряків з вертикальною віссю (позиція 1) і варіанта "Ленця" можна додати додаткову деталь - крильчатку, що виставляється за вітром, і закриває від нього ж непотрібну сторону (що йде в бік вітру). Тобто вітер не лопатиме гальмувати, а цей “екран”. Постановка за вітром "хвістом", що знаходиться за самим вітряком нижче і вище лопатей (гребенів). Читав статтю та народилася ідея.

Натискаючи кнопку «Додати коментар», я погоджуюсь із сайту.