alexxlab Макет ветряной мельницы — начальные классы, прочее
Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
дополнительного образования детей Станция юных техников
города Каменск-Шахтинский
Творческий проект
«Макет ветряной мельницы»
Автор:
Смолева Софья
ученица 4 класса
объединение « Начальное спортивное моделирование»
Руководитель:
Царева Валентина Анатольевна
педагог дополнительного образования
МБОУ ДОД СЮТ
Содержание
Аннотация 4
Цели и задачи проекта 5
История создания ветряной мельницы 5
Ветряные генераторы в современном мире 7
Создание макета ветряной мельницы 10
Источники информации 12
Фото макета ветряной мельницы.
Аннотация
В целом экологическая ситуация в мире такова, что природные ресурсы постепенно истощаются, и в скором времени такое решение, как ветряные мельницы, станут самой настоящей реальностью во всем мире.
Ветряная мельница – аэродинамический механизм, который выполняет механическую работу за счет энергии ветра.
Достоинство ветряных мельниц — генераторов это, экологически чистый, надежный, безопасный и автономный источник, энергии, для старта и дальнейшей работы требуется, ветер со скоростью 1 м/сек. Всегда находится по ветру, что не влияет на его производительность, при смене ветряного потока.
Макет ветряной мельницы может быть использован как наглядное пособие для демонстрации получения электричества нетрадиционными способами, а также как игрушка – светильник в детской комнате. После небольшой доработки, подсоединения шнура питания, для зарядки мобильного телефона.
Мощности данного генератора вполне достаточно.
Актуальность проекта заключается в изучении и использовании нетрадиционных, источников энергии в простых игрушках для полезных дел.
Цель проекта
Изучение влияния ветра в жизни человека.
Наблюдение за природными двигателями (ветер, вода).
Опытно-экспериментальная деятельность.
Задачи проекта
Формирование мировоззрения на законы природы.
Развитие интереса к технике, умение пользоваться технической литературой.
Развитие инженерно-технических и конструкторских способностей обучающихся.
История создания ветряной мельницы
На протяжении долгого времени ветряные мельницы, наряду с водяными мельницами, были единственными машинами, которые использовало человечество.
Ветряная мельница на Руси появилась не позднее XV столетия. Достоинством ветряных мельниц является то, что они строились из доступного материала – дерева. Технология строительства была несложной, поэтому хороший плотник с помощником мог построить мельницу за короткое время. По словам известного архитектора А.В. Ополовникова, старинные ветряные мельницы – «это клад крестьянской мудрости и смекалки, венец крестьянской инженерной мысли». Главным элементом ветряной мельницы был ее механизм. Под напором ветра через сложную систему шестеренчатых передач и вертикальный столб движения крыльев передавалось на жернова – сердце мельницы.
Ветряные мельницы на Руси.
История создания ветряных мельниц, как ни странно, не имеют ничего общего с Голландией, как многие считают. На самом деле, ветряные мельницы существовали в Иране еще в седьмом веке. А в Иран в свою очередь ветряные мельницы попали из Китая. Классическая ветряная мельница с горизонтальным ротором и удлиненными четырехугольными крыльями является широко распространенным элементом пейзажа в Европе, на ветряных равнинах северных регионов, а также на побережье средиземного моря
.
Ветряные мельницы в Иране. Ветряные мельницы в Киндердайке.
19 ветряных мельниц в Киндердайке включены в список мирового наследия ЮНЕСКО. Они располагаются в два ряда на берегу рек Wedernara и Oderward. Хотя сейчас они не имеют практического значения, но они находятся в рабочем состоянии и представляют большой интерес для туристов.
С развитием в 19 веке паровых машин использование мельниц, постепенно стало сокращаться.
Ветряные генераторы в современном мире
На основе природных наблюдений, связи времен, опыта — если ветер способен гонять стаи туч, почему бы не использовать его энергию на другие полезные дела. Поиски ответа на этот вопрос привели инженеров к созданию ветряного генератора. Это устройство обычно состоит из генератора, высокой башни, лопастей, которые вращаются за счет воздушного потока, аккумуляторной батареи и системы электронного управления.
Ветрогенераторы применяются для получения электроэнергии и в наши дни, имеют ветряное колесо с лопастями, направленное на ветер с помощью специальных двигателей, управляемых компьютерами.
Высота мачты промышленных ветрогенераторов варьируется в диапазоне от 60 до 90 метров. Ветряное колесо совершает 10 — 20 оборотов в минуту. В некоторых системах присутствуют подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра. Все современные ветрогенераторы снабжены системой возможности автоматической остановки на случай слишком сильных ветров. Технические принципы ветровой энергии России оцениваются свыше 50 000 миллиардов КВТ/ч в год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд. КВТ/ч. в год, то есть около 30% производства электроэнергии всеми электростанциями России.
Ветрогенераторы на Побережье Пиренейского полуострова.
В современных конструкциях вместо сложного шестеренного механизма, изготовленного из дерева, используются иные устройства для передачи вращения, Сегодня только на Побережье Пиренейского полуострова работают несколько десятков мельниц, в них использованы фрикционные вариаторы — редукторы, преобразующие направление вращения, а также обеспечивающие нужную скорость вращения рабочего вала.
В Норвегии и Исландии применяются несколько иной привод, там работают конические шестерни, изготовленные из бронзы. На улице 21 век, но ветряные мельницы, переконструированные в ветряные генераторы, все равно находят свое применение в наше время.
Получение электроэнергии из нетрадиционных, альтернативных источников становится сегодня все более популярными. Люди ищут способы получения электроэнергии. При этом широко используется энергии солнца и ветра, как неиссякаемых и практически бесплатных природных ресурсов. Ветряные генераторы являются удобными и экономичными установками, при этом полностью экологичными, они не выбрасывают в атмосферу вредные отходы, в них не используется бензин или дизельное топливо.
Ветрогенераторы в Норвегии.
Ветрогенератор это вариант для тех, кто мечтает об автономном доме и тех, у кого нет возможности, подключится к существующей электромагистрали. Назначение подобной установки в том, чтобы преобразовывать кинетическую энергию в электрическую.
Какой мощности ветрогенератор выбрать, чтобы хватило электроэнергии на следующие запросы потребителя:
300 – 500 Ватт – обеспечат зарядку мобильных устройств, просмотр телевизора или освещение нескольких помещений.
5 КВт – обеспечат работу стиральной машины, электроплиты, микроволновой печи, холодильника и другой бытовой техники.
10 КВт – электроэнергией будет обеспечен полностью частный дом или коттедж.
Создание макета ветряной мельницы
Для изготовления макета ветряной мельницы – генератора использовали следующий инструмент и материал:
Картонные коробки.
Деревянные рейки сечением 5х5мм.
Фанера толщиной 3мм.
Моторчики и шестеренки от детских игрушек.
Выключатели и провода.
Три пальчиковых батарейки напряжением 4,5 вольт.
Скульптурный пластилин.
Лак на водной основе.
Канцелярский нож, ножницы для бумаги, электрическая дрель
Клеевой пистолет.
Для форм каркаса мельницы использовали картонные коробки подходящих размеров. В макете их всего три формы, нижняя часть — основание, средняя часть, и башня. Все формы макета оклеены деревянными рейками сечением 5х5мм.
Ветряное колесо диаметром 40 см, которое закреплено на валу редуктора, составляет четыре лопасти склеенных из реек разного сечения. Окна и двери мельницы изготовлены из скульптурного пластилина. Весь макет покрашен лаком на водной основе.
В нашем макете ветряной мельницы — генераторе установлено два моторчика постоянного тока, первый моторчик будет эмитировать ветер (вращать ветряное колесо), а второй моторчик от детской игрушки установлен как генератор, источник электрического тока.
Чтобы посмотреть принцип работы ветряного генератора в помещении мы эмитируем ветер, т.е. включим вращение ветряного колеса через моторчик.
При вращении ветряного колеса, через понижающий механизм (редуктор), моторчик — генератор будет вырабатывать электрическую энергию, которая накапливается в накопителе — аккумуляторе. Далее электрическая энергия поступает к потребителю, в данном случае это лампочка на башне ветрогенератора.
Электрическая блочная схема соединений в макете.
Источники информации
П. Н. Андрианов. «Техническое творчество учащихся: пособие для учителей и руководителей кружков: из опыта работы» Москва. «Просвещение». 1986г.
А. Джексон, Д. Дэй. «Энциклопедия работ по дереву» Астрель. АСТ. 2005г.
А. П. Кашкаров. «Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции» Пресс.
2011г.
http://torba.inetvl.ru/l/node/20687 — Ветряк профессора Ложкарёва (журнал ЮТ 2-95).
http://svoy-vetrogenerator.ru — Ветрогенератор своими руками.
http://ideidetsploshad.info/publ/361-vetryanaya-melnica-iz-plastikovyh-butylok-fotourok.html — Ветряная мельница из пластиковых бутылок – фотоурок.
8
Ветряная мельница
Здравствуйте, мальчики и девочки! А знаете ли вы, как раньше люди использовали силу ветра?
– Они строили ветряные мельницы.
Правильно.
Ветряные мельницы использовались для перемалывания зерна в муку, из которой потом пекли хлеб. Людей, у которых были свои мельницы, называли мельниками. Зерно к ним привозили со всей округи. Иногда в очередь на помол записывались задолго.
Важными элементами ветряной мельницы были лопасти, которые приводились
в движение ветром. Каждая лопасть могла достигать в длину несколько метров.
– А почему лопасти делали такими большими?
Чем больших размеров были лопасти у мельницы, тем больше была площадь захвата ветра.
Вращающиеся лопасти приводили в движение механизм, который вращал тяжёлые жернова.
– А что такое жернова?
Жернова – это два каменных круга одинакового размера, которые лежали один на другом. При этом нижний круг был неподвижен, а верхний – вращался.
На прилегающих друг к другу поверхностях каменных кругов были бороздки. В них попадало зерно и перемалывалось в муку. Со временем бороздки стирались, и их необходимо было точить.
Сегодня на уроке мы с вами изготовим макет ветряной мельницы из бумаги.
Давайте подготовим рабочее место. Для работы нам понадобятся
шаблон половины лопасти, который надо вырезать из рабочей тетради, лист картона,
лист плотной цветной бумаги, лист белой бумаги, линейка, простой карандаш,
ножницы, стрежень от ручки, гладилка, пластилин, клей ПВА и кисточка для клея,
скрепка.
Прежде чем приступить к работе, вспомним правила работы с ножницами.
Не держите ножницы концами вверх.
Не оставляйте ножницы в открытом виде.
При работе следите за пальцами руки, которая держит картон, бумагу или ткань.
Кладите ножницы на стол так, чтобы они не свешивались с края стола.
Передавайте ножницы только в закрытом виде кольцами в сторону товарища.
Не режьте ножницами на ходу. Не подходите к товарищу, когда он режет.
Храните ножницы в специальном футляре.
Сейчас мы с вами сделаем основу мельницы.
Для этого возьмём лист плотной цветной бумаги и положим его перед собой лицевой стороной вниз. С помощью линейки отложим от нижних краёв по 1 сантиметру и поставим риски. Соединим поставленные риски линией.
Согнём лист по начерченной линии. Пройдёмся гладилкой по линии сгиба. Помните, что проглаживать бумагу надо по линии сгиба от середины к краям. Мы подготовили клапан для склеивания.
Сейчас сложим заготовку.
Пройдёмся по линии сгиба гладилкой.
Так же сложим её ещё раз. Снова пройдёмся по линии сгиба гладилкой.
Развернём нашу заготовку.
Намажем клеем клапан для склеивания. Склеим. У нас получилась основная часть мельницы.
Теперь положим заготовку перед собой. С помощью линейки отложим от нижних краёв по 1 сантиметру и поставим риски. Соединим поставленные риски линией. Согнём лист по начерченной линии. Пройдёмся гладилкой по линии сгиба.
Сложим заготовку. Пройдёмся по линии сгиба гладилкой.
Развернём полученную заготовку.
Сделаем по намеченным сгибанием линиям вертикальные надрезы до горизонтальных линий сгиба.
Вот такая объёмная заготовка у нас получилась. Низ мельницы будет там, где надрезы короче.
Теперь загнём эти части внутрь. Намажем их клеем.
И приклеим заготовку к листу картона.
Сделаем крепление для лопастей мельницы.
Для этого возьмём стержень от ручки и его острой частью проткнём
противоположные стороны макета.
Соберём крышу мельницы.
Две части соединим между собой скрепкой.
Края двух других частей промажем клеем и склеим.
Заготовим лопасти мельницы. Для этого нам понадобится шаблон из рабочей тетради
Возьмём лист белой бумаги и сложим его 2 раза гармошкой на ширину шаблона. Отрежем лишнюю часть листа. Сложим полученную заготовку пополам. Положим на заготовку шаблон вот таким образом и обведём его простым карандашом.
Вырежем. У нас должны получиться вот такие 2 детали.
Возьмём вырезанные детали и наденем их на стержень. Это будут лопасти нашей мельницы. Чтобы они не спадали со стержня, возьмём кусочек пластилина, скатаем из него шарик и наденем на кончик стержня.
Итак, макет ветряной мельницы готов.
Друзья, на этом мы закончим наш урок. Надеюсь, что он был для вас интересным и познавательным. До новых встреч.
Проект ветряной турбины для системы ветряных турбин
В основе любой системы производства возобновляемой энергии ветра лежит ветровая турбина .
Конструкция ветряной турбины обычно состоит из ротора, генератора постоянного тока (DC) или генератора переменного тока (AC), который установлен на башне высоко над землей.
Итак, как ветряные турбины предназначены для производства электроэнергии. Проще говоря, ветряная турбина — это противоположность домашнему или настольному вентилятору. Вентилятор использует электричество из сети для вращения и циркуляции воздуха, создавая ветер.
С другой стороны, конструкции ветряных турбин используют силу ветра для выработки электроэнергии. Движение ветра вращает лопасти турбины, которые улавливают кинетическую энергию ветра и преобразуют эту энергию во вращательное движение через вал для привода электрического генератора и выработки электроэнергии, как показано на рисунке.
Типовая конструкция генератора ветровой турбины
На изображении выше показаны основные компоненты, составляющие типичную конструкцию ветряной турбины . Ветряная турбина извлекает кинетическую энергию из ветра, замедляя его и передавая эту энергию вращающемуся валу, поэтому важно иметь хорошую конструкцию.
Доступная мощность ветра, доступная для сбора урожая, зависит как от скорости ветра, так и от площади, охватываемой вращающимися лопастями турбины.
Таким образом, чем выше скорость ветра или больше лопасти ротора, тем больше энергии можно извлечь из ветра. Таким образом, мы можем сказать, что производство энергии ветровой турбиной зависит от взаимодействия между лопастями ротора и ветром, и именно это взаимодействие важно для конструкции ветряной турбины .
Чтобы улучшить это взаимодействие и, следовательно, повысить эффективность, доступны два типа конструкции ветряной турбины. Общая горизонтальная ось и конструкция ветряной турбины с вертикальной осью. Конструкция ветряной турбины с горизонтальной осью улавливает больше ветра, поэтому выходная мощность выше, чем у конструкции ветряной турбины с вертикальной осью. Недостатком конструкции с горизонтальной осью является то, что башня, необходимая для поддержки ветряной турбины, намного выше, а конструкция лопастей ротора должна быть намного лучше.
Типовая конструкция ветряной турбины
Турбина с вертикальной осью или VAWT проще в проектировании и обслуживании, но обеспечивает более низкую производительность, чем ветряная турбина с горизонтальной осью, из-за высокого сопротивления простой конструкции лопасти ротора. Большинство ветряных турбин, вырабатывающих электроэнергию сегодня, как в коммерческих, так и в домашних условиях, представляют собой машины с горизонтальной осью, поэтому именно эти типы конструкции ветряной турбины
Ротор — это основная часть конструкции современной ветровой турбины, которая собирает энергию ветра и преобразует ее в механическую энергию в форме вращения. Ротор состоит из двух или более лопастей из ламинированного дерева, стекловолокна или металла и защитной втулки, которая вращается (отсюда и название) вокруг центральной оси.
Подобно крылу самолета, лопасти ветряной турбины благодаря своей изогнутой форме создают подъемную силу.
Лопасти несущего винта извлекают часть кинетической энергии из движущихся воздушных масс по принципу подъемной силы со скоростью, определяемой скоростью ветра и формой лопастей. Конечным результатом является подъемная сила, перпендикулярная направлению потока воздуха. Затем хитрость заключается в том, чтобы спроектировать лопасть несущего винта так, чтобы она создавала необходимую подъемную силу и тягу лопасти несущего винта, обеспечивая оптимальное замедление воздуха и не более того.
К сожалению, лопасти ротора турбины не улавливают на 100% всю мощность ветра, так как это означало бы, что воздух за лопастями турбины был бы совершенно неподвижным и, следовательно, не позволял бы ветру проходить через лопасти. Теоретический максимальный КПД, который лопасти ротора турбины могут извлекать из энергии ветра, составляет от 30 до 45% и зависит от следующих переменных лопастей ротора: Конструкция лопасти , Номер лопасти , Длина отвала , Шаг/угол отвала , Форма отвала и Материалы и вес отвала и многие другие.
Конструкция лопастей – Конструкции лопастей ротора работают либо по принципу подъемной силы, либо по принципу сопротивления для извлечения энергии из движущихся воздушных масс. В конструкции подъемных лопастей используется тот же принцип, который позволяет самолетам, воздушным змеям и птицам летать, создавая подъемную силу, перпендикулярную направлению движения. Лопасть несущего винта представляет собой аэродинамическое крыло или крыло, по форме похожее на крыло самолета. Когда лопасть рассекает воздух, между верхней и нижней поверхностями лопасти создается перепад скорости ветра и давления.
Давление на нижнюю поверхность больше и, таким образом, «поднимает» лезвие вверх, поэтому мы хотим сделать эту силу как можно большей. Когда лопасти прикреплены к центральной оси вращения, как ротор ветряной турбины, эта подъемная сила преобразуется во вращательное движение.
Этой подъемной силе противодействует сила сопротивления, параллельная направлению движения и вызывающая турбулентность вокруг задней кромки лопасти, когда она рассекает воздух.
Конструкции сопротивления больше используются для вертикальных конструкций ветряных турбин, которые имеют большие чашеобразные или изогнутые лопасти. Ветер буквально расталкивает лопасти, прикрепленные к центральному валу. Преимущества лопастей несущего винта с тормозной конструкцией заключаются в более низких скоростях вращения и высоком крутящем моменте, что делает их полезными для перекачки воды и питания сельскохозяйственной техники. Ветряные турбины с подъемным двигателем имеют гораздо более высокую скорость вращения, чем тяговые, и поэтому хорошо подходят для выработки электроэнергии.
Количество лопастей — количество лопастей ротора в конструкции ветряной турбины обычно определяется аэродинамической эффективностью и стоимостью. Идеальная конструкция ветряной турбины должна иметь много тонких лопастей ротора, но большинство генераторов ветряных турбин с горизонтальной осью имеют только одну, две или три лопасти ротора.
Увеличение количества лопастей ротора выше трех дает лишь небольшое увеличение эффективности ротора, но увеличивает его стоимость, поэтому обычно не требуется более трех лопастей, но для домашнего использования доступны небольшие многолопастные турбогенераторы с высокой скоростью вращения. Как правило, чем меньше количество лопастей, тем меньше материала требуется при изготовлении, что снижает их общую стоимость и сложность.
Однолопастные роторы имеют противовес на противоположной стороне ротора, но страдают от высокого напряжения материала и вибрации из-за их неплавного вращательного движения одиночной лопасти, которая должна двигаться быстрее, чтобы улавливать такое же количество энергии ветра.
Также с одним или даже двумя лопастными роторами большая часть доступного движения воздуха и, следовательно, ветровой энергии проходит через непроходимую площадь поперечного сечения турбины, не взаимодействуя с ротором, что снижает их эффективность.
С другой стороны, многолопастные роторы имеют более плавное вращение и более низкий уровень шума.
Более низкие скорости вращения и крутящий момент возможны с многолопастными конструкциями, что снижает нагрузку на трансмиссию, что приводит к снижению затрат на редуктор и генератор. Однако конструкции ветряных турбин с большим количеством лопастей или очень широкими лопастями будут подвергаться воздействию очень больших сил при очень сильном ветре, поэтому в большинстве конструкций ветряных турбин используются три лопасти ротора.
Нечетное или четное количество лопастей ротора – конструкция ветряной турбины с «ЧЕТНЫМ» количеством лопастей ротора, 2, 4 или 6 и т. д., может страдать от проблем со стабильностью при вращении. Это связано с тем, что каждая лопасть ротора имеет точно противоположную лопасть, расположенную под углом 180 9 .0065 или в обратном направлении.
Когда ротор вращается, в тот самый момент, когда самая верхняя лопасть направлена вертикально вверх (положение на 12 часов), самая нижняя лопасть направлена прямо вниз перед опорной башней турбины.
В результате самая верхняя лопасть изгибается назад, потому что она получает максимальную силу от ветра, называемую «распорной нагрузкой», а нижняя лопасть проходит в свободную от ветра зону непосредственно перед опорной башней.
Уже в продаже
Технология ветряных турбин: принципы и конструкция
Это неравномерное изгибание лопастей ротора турбины (самая верхняя изогнута на ветру, а самая нижняя прямая) при каждом вертикальном выравнивании создает нежелательные силы на лопасти ротора и вал ротора, когда две лопасти изгибаются вперед и назад. как они вращаются. Для небольшой турбины с жесткими алюминиевыми или стальными лопастями это может не быть проблемой, в отличие от более длинных лопастей из пластика, армированного стекловолокном.
Конструкция ветряной турбины с нечетным числом лопастей ротора (не менее трех лопастей) вращается более плавно, поскольку гироскопические и изгибающие силы более равномерно распределяются между лопастями, что повышает устойчивость турбины.
Наиболее распространенная конструкция ветряной турбины с нечетными лопастями – это трехлопастная турбина. Энергетическая эффективность трехлопастного ротора немного выше, чем у двухлопастного ротора аналогичного размера, а благодаря дополнительной лопасти они могут вращаться медленнее, что снижает износ и шум.
Кроме того, чтобы избежать турбулентности и взаимодействия между соседними лопастями, расстояние между каждой лопастью многолопастной конструкции и скорость ее вращения должны быть достаточно большими, чтобы одна лопасть не встречала возмущенный, более слабый воздушный поток, вызванный предыдущей лезвие проходит ту же точку непосредственно перед ним. Из-за этого ограничения большинство ветряных турбин нечетного типа имеют максимум три лопасти на роторе и обычно вращаются с более низкой скоростью.
Как правило, трехлопастные роторы турбин лучше вписываются в ландшафт, более эстетичны и более аэродинамически эффективны, чем конструкции с двумя лопастями, что способствует тому, что трехлопастные ветряные турбины доминируют на рынке ветроэнергетики.
Хотя отдельные производители выпускают двух- и шестилопастные турбины (для парусных лодок).
Другие преимущества роторов с нечетными (тремя) лопастями включают более плавную работу, меньший уровень шума и меньшее количество столкновений с птицами, что компенсирует недостаток более высоких материальных затрат. Количество лопастей существенно не влияет на уровень шума.
Длина лопасти ротора. Три фактора определяют, сколько кинетической энергии может быть извлечено из ветра ветряной турбиной: «плотность воздуха», «скорость ветра» и «площадь ротора». Плотность воздуха зависит от того, насколько вы находитесь над уровнем моря, а скорость ветра зависит от погоды. Однако мы можем контролировать площадь вращения, охватываемую лопастями ротора, увеличивая их длину, поскольку размер ротора определяет количество кинетической энергии, которую ветряная турбина может получить от ветра.
Лопасти ротора вращаются вокруг центрального подшипника, образуя идеальный круг 360 o , когда он вращается, и, как мы знаем из школы, площадь круга определяется как: π.
r 2 . Таким образом, по мере увеличения охватываемой площади ротора площадь, которую он покрывает, также увеличивается пропорционально квадрату радиуса. Так, удвоение длины лопастей турбины приводит к увеличению ее площади в четыре раза, что позволяет получать в четыре раза больше энергии ветра. Однако это значительно увеличивает размер, вес и, в конечном счете, стоимость конструкции ветряной турбины.
Одним из важных аспектов длины лопасти является вращательная конечная скорость ротора, являющаяся результатом угловой скорости. Чем больше длина лопасти турбины, тем быстрее вращение наконечника при данной скорости ветра. Точно так же для данной длины лопасти ротора чем выше скорость ветра, тем быстрее вращение.
Тогда почему бы нам не разработать конструкцию ветряной турбины с очень длинными лопастями ротора, работающую в ветреную среду и производящую много бесплатной электроэнергии из ветра. Ответ заключается в том, что возникает точка, в которой длина лопастей ротора и скорость ветра фактически снижают выходную эффективность турбины.
Вот почему многие более крупные конструкции ветряных турбин вращаются с гораздо меньшей скоростью.
Эффективность зависит от того, насколько быстро вращается наконечник ротора при заданной скорости ветра, создавая постоянное отношение скорости ветра к скорости вращения наконечника, называемое «отношением скорости вращения наконечника» ( λ ), которое представляет собой безразмерную единицу, используемую для максимизации эффективности ротора. Другими словами, «отношение скорости кончика лопасти» (TSR) — это отношение скорости конца вращающейся лопасти в об/мин к скорости ветра в километрах в час (км/ч) или милях в час (миль в час). ).
Хорошая конструкция ветряной турбины определяет мощность ротора при любом сочетании ветра и скорости вращения ротора. Чем больше этот коэффициент TSR, тем быстрее вращение ротора ветродвигателя при заданной скорости ветра. Скорость вращения вала, на которой закреплен ротор, также указывается в оборотах в минуту (об/мин) и зависит от скорости вращения наконечника и диаметра лопастей турбины.
Скорость вращения турбины определяется как: об/мин = скорость ветра x передаточное отношение x 60 / (диаметр x π).
Если ротор турбины вращается слишком медленно, он позволяет беспрепятственно проходить слишком большому количеству ветра и, таким образом, не извлекает столько энергии, сколько мог бы. С другой стороны, если лопасть ротора вращается слишком быстро, она кажется ветру одним большим плоским вращающимся круглым диском, который создает большое сопротивление и потери на острие, замедляющие ротор. Поэтому важно согласовать скорость вращения ротора турбины с конкретной скоростью ветра, чтобы получить оптимальный КПД.
Роторы турбины с меньшим количеством лопастей достигают максимальной эффективности при более высоком соотношении скоростей вращения лопастей, и, как правило, трехлопастные ветряные турбины для выработки электроэнергии имеют отношение скоростей лопастей от 6 до 8, но они будут работать более плавно, поскольку они имеют три лопасти. С другой стороны, турбины, используемые для перекачивания воды, имеют более низкое передаточное число от 1,5 до 2, поскольку они специально разработаны для создания высокого крутящего момента на низких скоростях.
Шаг/угол лопасти ротора — лопасти ротора ветряной турбины с фиксированной конструкцией, как правило, не являются прямыми или плоскими, как крылья аэродинамического профиля самолета, а вместо этого имеют небольшой изгиб и сужение по длине от кончика до основания, чтобы обеспечить различные скорости вращения вдоль клинок. Этот поворот позволяет лопасти поглощать энергию ветра, когда ветер дует на нее с разных тангенциальных углов, а не только прямо. Прямая или плоская лопасть перестанет создавать подъемную силу и может даже остановиться (заглохнуть), если лопасть обдувается ветром под разными углами, называемыми «углом атаки», особенно если этот угол атаки слишком крутой.
Поэтому, чтобы лопасть ротора имела оптимальный угол атаки, увеличивающий подъемную силу и эффективность, лопасти конструкции ветряной турбины обычно скручены по всей длине лопасти. Кроме того, этот поворот в конструкции ветряной турбины предотвращает слишком быстрое вращение лопастей ротора при высоких скоростях ветра.
Однако для очень крупных конструкций ветряных турбин, используемых для выработки электроэнергии, такое скручивание лопастей может сделать их конструкцию очень сложной и дорогой, поэтому используется какая-то другая форма аэродинамического контроля, чтобы удерживать угол атаки лопастей идеально выровненным. с направлением ветра.
Аэродинамическую мощность, создаваемую ветровой турбиной, можно контролировать, регулируя угол наклона ветряной турбины в зависимости от угла атаки ветра при вращении каждой лопасти вокруг своей продольной оси. Затем лопасти несущего винта с регулируемым шагом могут быть более плоскими и более прямыми, но, как правило, эти большие лопасти имеют аналогичную крутку по своей геометрии, но намного меньше, чтобы оптимизировать тангенциальную нагрузку на лопасть несущего винта.
Каждая лопасть ротора имеет вращательный механизм скручивания, пассивный или динамический, встроенный в основание лопасти, обеспечивающий равномерное увеличение шага по всей длине (постоянное скручивание).
Требуемый шаг составляет всего несколько градусов, так как небольшие изменения угла наклона могут иметь существенное влияние на выходную мощность, поскольку мы знаем из предыдущего урока, что энергия, содержащаяся в ветре, пропорциональна кубу скорости ветра.
Одним из основных преимуществ управления шагом лопастей несущего винта является увеличение окна скорости ветра. Положительный угол наклона создает большой пусковой момент, когда ротор начинает вращаться, уменьшая скорость ветра при включении. Точно так же при высоких скоростях ветра, когда достигается предел максимальной скорости несущих винтов, можно управлять шагом, чтобы не допустить превышения предела скорости вращения несущих винтов за счет снижения их эффективности и угла атаки.
Регулирование мощности ветряной турбины может быть достигнуто за счет управления шагом лопастей ротора для уменьшения или увеличения подъемной силы на лопастях путем управления углом атаки. Меньшие лопасти ротора достигают этого за счет небольшого поворота в своей конструкции.
Большие коммерческие ветряные турбины используют управление шагом либо пассивно, с помощью центробежных пружин и рычагов (аналогично винтам вертолета), либо активно, используя небольшие электрические двигатели, встроенные в ступицу лопастей, чтобы повернуть ее на несколько градусов. Основными недостатками управления шагом являются надежность и стоимость.
Уже в продаже
Power from the Wind — 2nd Edition: A Practice…
Конструкция лопастей – кинетическая энергия, извлекаемая из ветра, зависит от геометрии лопастей несущего винта, поэтому важно определить аэродинамически оптимальную форму и конструкцию лопастей.
Но наряду с аэродинамическим дизайном лопасти несущего винта не менее важен конструктивный дизайн. Конструктивный дизайн состоит из выбора материала лопастей и прочности, поскольку лопасти изгибаются и изгибаются под действием энергии ветра во время их вращения.
Очевидно, что идеальный конструкционный материал для лопасти несущего винта должен сочетать в себе необходимые конструкционные свойства, такие как высокая удельная прочность, высокая усталостная долговечность, жесткость, частота собственных колебаний и сопротивление усталости, а также низкая стоимость и способность легко формоваться.
в желаемую аэродинамическую форму.
Лопасти ротора небольших турбин, используемых в жилых помещениях, мощностью от 100 Вт и выше, как правило, изготавливаются из цельного резного дерева, древесных ламинатов или композитов с деревянным шпоном, а также из алюминия или стали. Деревянные лопасти ротора прочны, легки, дешевы, гибки и популярны в большинстве самодельных конструкций ветряных турбин, поскольку их легко изготовить. Однако низкая прочность древесных ламинатов по сравнению с другими древесными материалами делает их непригодными для лопастей тонкой конструкции, работающих при высоких скоростях острия.
Алюминиевые лезвия также легкие, прочные и с ними легко работать, но они дороже, легко гнутся и подвержены усталости металла. Точно так же стальные лопасти используют самый дешевый материал и могут быть сформированы в виде изогнутых панелей в соответствии с требуемым профилем аэродинамического профиля. Однако в стальные панели гораздо труднее придать изгиб, а в сочетании с плохими усталостными свойствами, означающими, что они ржавеют, сталь используется редко.
Лопасти несущего винта, используемые для очень большой горизонтальной оси 9Ветряная турбина 0003 конструкции изготавливается из армированных пластиковых композитов, наиболее распространенными из которых являются композиты из стекловолокна/полиэфирной смолы, стекловолокна/эпоксидной смолы, стекловолокна/полиэфира и углеродного волокна. Композиты из стекловолокна и углеродного волокна имеют значительно более высокое отношение прочности на сжатие к весу по сравнению с другими материалами. Кроме того, стекловолокно легкое, прочное, недорогое, обладает хорошими усталостными характеристиками и может использоваться в различных производственных процессах.
Размер, тип и конструкция ветряной турбины, которая может вам понадобиться, зависят от вашего конкретного применения и требований к мощности. Конструкции малых ветряных турбин варьируются в размерах от 20 Вт до 50 киловатт (кВт), а меньшие или «микро» (от 20 до 500 Вт) турбины используются в жилых районах для различных применений, таких как производство электроэнергии для зарядки аккумуляторов и питания.
огни.
Энергия ветра является одним из самых быстрорастущих источников возобновляемой энергии в мире, поскольку это чистый, широко распространенный энергетический ресурс, который имеется в изобилии, имеет нулевую стоимость топлива и технологию производства электроэнергии без выбросов. Большинство современных генераторов ветряных турбин, доступных сегодня, предназначены для установки и использования в жилых помещениях.
В результате они изготавливаются меньше и легче, что позволяет быстро и легко монтировать их непосредственно на крышу, на короткую опору или башню. Установка более нового турбогенератора как части вашей домашней ветроэнергетической системы позволит вам сократить большую часть более высоких затрат на обслуживание и установку более высокой и дорогой турбинной башни, как это было раньше.
В следующем уроке о Энергия ветра мы рассмотрим работу и конструкцию генераторов ветряных турбин, используемых для выработки электроэнергии как части домашней ветряной генераторной системы.
Ветряная мельница (DB-400) 400W 12V Генератор ветряной турбины…
2000 Вт 11 Blade Missouri General™ Freedom II…
Уже в продаже
Комплект солнечной энергии ветра ECO-WORTHY 500 Вт: 1x 400 Вт…
ALEKO WG450A 450 Вт, 24 В, ветровой…
Стили дизайна
Небольшие многолопастные турбины все еще используются для перекачивания воды. Они имеют относительно низкую аэродинамическую эффективность, но при большой площади лопастей могут обеспечить высокий пусковой момент (крутящее усилие). Это позволяет ротору вращаться при очень слабом ветре и подходит для перекачки воды.
Большинство современных ветряных турбин имеют три лопасти, хотя в 1980-х и начале 1990-х годов были предприняты некоторые попытки вывести на рынок одно- и двухлопастные ветряные турбины.
Однолопастная конструкция (рис. 3.4) является наиболее конструктивно эффективной для рабочей лопатки, так как имеет наибольшие размеры сечения лопатки при всей установленной площади поверхности лопатки в одной балке. Выключение (парковка) ветряных турбин при очень сильном ветре является нормальным явлением, чтобы защитить их от повреждений. Это связано с тем, что они, как правило, испытывают гораздо более высокие нагрузки на лопасти и башни, если продолжают работать. Конструкция с одной лопастью позволяет использовать уникальные стратегии парковки — с одной лопастью, действующей как флюгер или с подветренной стороны за башней, — что может свести к минимуму воздействие штормовой нагрузки. Однако есть ряд недостатков. С противовесом для статической балансировки ротора снижается аэродинамическая эффективность и сложная динамика, требующая шарнира лопасти для снятия нагрузки. Конструкции Riva Calzoni, MAN, Messerschmidt и других имели слишком высокую скорость наконечника, чтобы быть приемлемыми на современном европейском рынке с акустической точки зрения.
Рисунок 3.4 Однолопастная ветряная турбина
Двухлопастная конструкция несущего винта (рис. 3.5) технически не уступает устоявшейся трехлопастной конструкции. В интересах потенциально более простой и эффективной конструкции несущего винта с большим количеством вариантов установки несущего винта и гондолы необходимо либо принять более высокую циклическую нагрузку, либо ввести сложный шарнир качания. Шарнир качания позволяет двум лопастям несущего винта двигаться как одна балка обычно на ± 7 ° при вращении вне плоскости. Допуск этого небольшого движения может значительно снизить нагрузку на систему ветровой турбины, хотя некоторые критические нагрузки возвращаются, когда движение качания достигает своих конечных пределов. Двухлопастной несущий винт аэродинамически немного менее эффективен, чем трехлопастной.
В целом, роторы с увеличенным числом лопастей имеют небольшие преимущества. Это связано с минимизацией потерь на концах лопастей.
При проектировании ротора рабочая скорость или диапазон рабочих скоростей обычно выбирается в первую очередь с учетом таких факторов, как эмиссия акустического шума. При выбранной скорости следует, что существует оптимальная общая площадь лопастей для максимальной эффективности ротора. Количество лопастей, в принципе, открытое, но большее количество лопастей означает более тонкие лопасти для фиксированной (оптимальной) общей площади лопастей. Это суммирует общие принципы, влияющие на количество лезвий.
Заметьте также, что было бы полным заблуждением полагать, что удвоение количества лопастей удвоит мощность ротора. Скорее, это уменьшило бы мощность, если бы ротор был изначально хорошо сконструирован.
Рисунок 3.5 Двухлопастные ветряные турбины, Carter Wind Turbines Ltd
Трудно выделить общую экономическую выгоду двух- и трехлопастной конструкции.
Таким образом, однолопастной ротор технически более проблематичен, в то время как двухлопастный ротор технически приемлем. Решающим фактором в устранении однолопастной конструкции ротора с коммерческого рынка и почти полном отказе от двухлопастной конструкции был визуальный эффект. Явно неустойчивое прохождение лопастей через цикл вращения часто вызывает возражения.
Эти потери в совокупности меньше для большого числа узких концов лопаток, чем для нескольких широких.
В общем случае неверно предполагать, что при двухлопастной конструкции экономится стоимость одной из трех лопастей, так как две лопасти двухлопастного винта не тождественны двум лопастям трехлопастного винта. Роторы с двумя лопастями обычно работают с гораздо более высокой скоростью вращения, чем роторы с тремя лопастями, поэтому у большинства исторических конструкций были проблемы с шумом. Тем не менее, нет никакой фундаментальной причины для более высокой скорости острия, и это следует не принимать во внимание при объективном техническом сравнении конструктивных достоинств двух и трех лопастей.Первоначально большинство ветряных турбин работали с фиксированной скоростью при производстве электроэнергии.
Впоследствии была введена работа с переменной скоростью. Это позволило согласовать ротор и скорость ветра, и, таким образом, ротор мог поддерживать наилучшую геометрию потока для максимальной эффективности. Ротор может быть подключен к сети на низких скоростях при очень слабом ветре и будет ускоряться пропорционально скорости ветра. По мере приближения к номинальной мощности и, конечно же, после достижения номинальной мощности ротор возвращался к работе почти с постоянной скоростью, при этом лопасти наклонялись по мере необходимости для регулирования мощности.
- Переменная скорость при работе ниже номинальной мощности может обеспечить увеличение захвата энергии
- Способность изменять скорость выше номинальной мощности (даже в довольно небольшом диапазоне скоростей) может существенно снизить нагрузку, облегчить режим работы системы шага и значительно снизить изменчивость выходной мощности
Конструктивные вопросы шага по отношению к срыву и степени изменения скорости вращения ротора, очевидно, связаны.
В 1980-х преобладала классическая датская трехлопастная конструкция с фиксированной скоростью и регулируемой скоростью. Аэродинамики за пределами ветроэнергетики (например, для вертолетов и газовых турбин) были шокированы идеей использования срыва. Тем не менее, из-за постепенного срыва ротора ветряной турбины он оказался полностью жизнеспособным способом эксплуатации ветряной турбины и использования, а не предотвращения срыва.
Активное управление шагом — это термин, используемый для описания системы управления, в которой лопасти качаются вдоль своей оси, как лопасть гребного винта. Этот подход, на первый взгляд, предлагал лучшее управление, чем регулирование сваливания, но опыт показал, что управление шагом ветряной турбины с фиксированной скоростью при высоких рабочих скоростях ветра выше номинальной скорости ветра (минимальная устойчивая скорость ветра, при которой турбина может производить свою номинальную выходную мощность). ) может быть весьма проблематичным. Причины сложны, но в условиях турбулентного (постоянно меняющегося) ветра требуется поддерживать регулировку шага до наиболее подходящего угла и высоких нагрузок, а чрезмерные колебания мощности могут возникать всякий раз, когда система управления «захватывается» лопастями в направлении. неправильное положение.
Ввиду таких трудностей, наиболее остро проявлявшихся при высоких эксплуатационных скоростях ветра (скажем, от 15 м/с до 25 м/с), управление по тангажу в сочетании с жестко фиксированной скоростью стало считаться «сложной» комбинацией.
Переменная скорость имеет некоторые преимущества, но также вызывает вопросы относительно стоимости и надежности. Это рассматривалось как путь в будущее с ожидаемым снижением затрат и улучшением производительности технологии привода с регулируемой скоростью. В какой-то степени это было реализовано. По экономическим соображениям никогда не было явных аргументов в пользу использования переменной скорости, при этом небольшой выигрыш в энергии компенсировался дополнительными затратами, а также дополнительными потерями в приводе с переменной скоростью.
Другим важным стимулом для применения управления шагом, и в частности управления шагом с независимым шагом каждой лопасти, является признание сертификационными органами того, что это позволяет рассматривать несущий винт как имеющий две независимые тормозные системы, воздействующие на низкоскоростной вал.
В последовательности запуска ротор может быть припаркован (остановлен), а при отпускании тормозов будет ускоряться ветром до тех пор, пока не будет достигнута требуемая фиксированная скорость. В этот момент будет выполнено подключение к электросети, а затем сеть (через генератор) будет поддерживать постоянную скорость. Когда скорость ветра превышала уровень, при котором вырабатывалась номинальная мощность, мощность регулировалась одним из ранее описанных способов: срывом или наклоном лопастей.
Важные различия между работой с переменной скоростью, используемой в современных больших ветряных турбинах, и более старой обычной работой с фиксированной скоростью:
Это один из уникальных аспектов ветроэнергетики.
Vestas первоначально решила эту проблему, внедрив OptiSlip (степень активной переменной скорости с управлением шагом в режиме ограничения мощности, которая позволяет изменять скорость примерно на 10% с использованием индукционного генератора с высоким скольжением). Suzlon в настоящее время использует аналогичную технологию Flexslip с максимальным проскальзыванием 17%. Изменение скорости помогает регулировать мощность и снижает потребность в быстром тангаже.
Текущее стремление к переменной скорости в новых больших ветряных турбинах связано с большей эксплуатационной гибкостью и опасениями по поводу качества электроэнергии традиционных ветряных турбин с регулируемым остановом. Двухскоростные системы появились в 1980-х и 1990-х годов в качестве компромисса, улучшающего улавливание энергии и характеристики шума ветряных турбин с регулируемой остановкой. Конструкция с регулировкой останова остается жизнеспособной, но технология переменной скорости обеспечивает лучшее качество выходной мощности в сеть, и в настоящее время она определяет путь проектирования самых больших машин. Некоторые эксперименты проводятся с комбинацией переменной скорости и регулирования сваливания, но переменная скорость естественным образом сочетается с регулировкой шага. По причинам, связанным с методами управления мощностью, электрическая система с регулируемой скоростью позволяет эффективно управлять шагом, а не чрезмерно активно.