Парусный ветрогенератор
Парусный ветрогенератор отличается материалом своих рабочих лопастей. Если в ветрогенераторах обычных типов лопасти – жёсткие, то здесь они изготавливаются из материалов, которые могут под действием ветра изменять площадь своей рабочей поверхности: парусины, брезента, нетканых слоистых материалов.
О недостатках ветрогенераторов с жёсткими лопастями
Ветрогенераторы традиционного исполнения – системы весьма инерционные: для того, чтобы раскрутить лопасти до более-менее значительной угловой скорости, необходим сильный ветер. Это подтверждается и многочисленными теоретическими выкладками, и практическими вариантами различных конструкций данных ветрогенераторов. Итог неутешителен: например, для лопастей или винта с размахом 3 м, и при минимально необходимом числе оборотов генератора 400 мин -1 , окружная скорость винта/лопасти должна быть не менее 500 км/ч! Иначе, требуемый перепад давлений, при котором жёсткая лопасть не только начнёт вращаться, но и станет при этом вырабатывать хоть какую-нибудь электроэнергию, соответствует скорости ветра не менее 10 м/с. Но и это ещё не всё. Распределение давления ветра на жёсткие лопасти происходит крайне неравномерно: большая часть приходится на центральную часть лопасти, угловая скорость которой намного ниже, чем периферийных областей. Такой неприятный факт приводит к тому, что для увеличения коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) – аналог более привычного термина КПД — необходимо увеличивать размах лопастей до неприлично больших размеров – 10 и более метров! И сразу возникают проблемы – где установить такой монстр, как защитить птиц от истребления вращающимися лопастями, каким образом обслуживать и т.д. И даже в наиболее оптимистичных конструкциях ветрогенераторов с жёсткими лопастями их КИЭВ не превышает 20%.
Виды парусных ветрогенераторов
Практически разрабатываются в двух вариантах:
- с круговыми парусными лопастями;
- с круговым парусным колесом.
Ветрогенераторы первого исполнения используют парусные лопасти треугольной формы. Форма треугольника подбирается индивидуально, в зависимости от силы ветра в данной местности. Во многих случаях из-за простоты используют заваленный прямоугольный треугольник (см. рис. 1), хотя для промышленного изготовления более технологичными будут парусные лопасти в виде равнобедренных треугольников (см. рис.2).
В чём же эффективность использования парусных лопастей?
Весь секрет – в упругости материала лопасти, благодаря чему струя воздуха при встрече с поверхностью паруса отклоняется на некоторый угол в сторону и передаёт при этом свою кинетическую энергию парусной лопасти. Последняя начинает вращаться (быстрее это получится у лёгких лопастей с большой площадью) и передавать полезную энергию валу электрогенератора. Вследствие этих особенностей парусный ветрогенератор начинает производить полезную работу уже при скоростях ветра 5 м/с – вдвое меньших, чем для генератора с жёсткими лопастями.
Такие парусные генераторы разрабатываются и производятся во многих странах мира: в США, Франции, России (СКТБ «Энергия-гравио», г.Таганрог) и др.
Вместе с тем парусные ветрогенераторы лопастного исполнения обладают существенными недостатками – низкой стойкостью лопастей (вызванной ограничениями по применяемым материалам) и всё же недостаточным (хотя и большим, чем у ветрогенераторов с жёсткими лопастями) КИЭВ. Объясняется это тем, что круговой парус по определению не сбалансирован, не уравновешен и, следовательно, активен только с одной стороны. При внезапном изменении направления ветра такая лопасть сначала остановится, а потом очень медленно начнёт набирать обороты.
Таких недостатков лишен парусный ветрогенератор с парусным колесом, разрабатываемый и производимый фирмой Saphon Energy (Тунис). В генераторе Saphonian лопасти и вращающиеся части отсутствуют. Внешне конструкция схожа со спутниковой антенной (см. рис. 3).
С помощью воздушных клапанов парус ветрогенератора совершает возвратные высокочастотные колебательные движения. При помощи механической системы эти колебания воспринимаются поршнями гидравлической системы, которые преобразуют энергию получаемой энергии в давление несжимаемой жидкости. Именно энергия давления этой жидкости и используется в дальнейшем для вращения вала электрогенератора.
КИЭВ генератора Saphonian достигает 80%, что в 2 раза превышает эффективность лопастных парусных генераторов. И хотя, строго говоря, Saphonian не представляет собой парусный ветрогенератор в «чистом» виде, его принцип работы заслуживает самого широкого рассмотрения и внедрения.
Подводим итоги
В чём заключаются плюсы парусных ветрогенераторов:
- более высокий, по сравнению с традиционными ветрогенераторами, КИЭВ;
- меньший уровень шума;
- работоспособность при меньших значениях силы и скорости ветра;
- лёгкость и доступность для внедрения;
- безопасность в эксплуатации и обслуживании.
Источник
История проекта Парусный ветрогенератор часть 1
Все строительство ветрогенератора с начала построения макета и до готовой конструкции растянулась с декабря 2005г. по сентябрь 2009г. Сперва была сделана модель парусного ветряка чтобы понять как работает ветрогенератор и на что он вообще способен, как ведут себя парусные лопасти. В начале декабря 2005-го года сделал простенькую модель из подручного материала. Основа парусника — оси фиксатора 5-дюймового дисковода и оказалось, что модель прекрасно крутится и вполне работоспособна. Так как до этого с ветряками не сталкивался, то нужно было понять с самого начала как это все работает.
Дальше буду размещать фотографии почти в хронологическом порядке, по порядку пойдут по мере изготовления узлы и детали ветряка. Так сейчас выглядит ступица, а вначале была без ”оттяжек”, пока в октябре 2006-го ветер 20-22 м/с аккуратно не согнул 7мм диск в ”крышку кастрюли” с 8 мм глубиной прогиба. На 2-oм фото — в сборе со спицами, потом — первая сборка февраль 2006г.
Одна из первых фотографий, ступица со спицами и примерка паруса
Сначала паруса решили сделать из имеющейся в наличие ткани, кроме старых простыней подобрать в нужном количестве ничего не удалось, решили шить из простыней. Как два первых паруса были готовы решил сразу их опробовать, раздобыл подходящий столбик и установил колесо прямо во дворе, ось на высоте 2,5 м. Вращение снимал на видео, на раскадровке анализировалась работа паруса и каждая следующая пара изготавливалась с учетом недостатков предыдущей.
После установки и натяжки всех парусов ветряк стал страгиваться от любого малейшего ветерка. Проверял когда начинает страгиваться по по крыльчатому анемометру, оказалось что при ветре 0,3-0.4 м/с, если конечно это можно назвать ветром, вот оно преимущество паруса над лопастью, больше площадь больше стартовый момент. Дальше пошли испытания на тягу и мощность. На хвост оси установил шкив диаметром 7,5см, на него — шнур, к шнуру — груз, отметил метр на столбe и теперь с секундомером можно замерять мощность. Во-первых по отрыву груза от земли определил ”стартовый” крутящий момент: примерно 5 н/м при ветре в 0,8-1,0 м/с.
Двухмесячные испытания ветряка с лопастями из простыней показали что ткань никуда не годится, слишком слабый материал. Зато выработалась некоторая концепция формы парусов, и способ их установки и растяжки. Эту схему изготовления и монтажа парусов использую до сих пор (сегодня август 2009). Новые паруса сделали из баннерной ткани, такую ткань применяют для наружной рекламы, материал очень прочный с очень гладкой поверхностью. Бывает разной толщины, 600-900 г/кв.м. Это не-тканный материал, запеченный между слоями ПВХ. За первые 7 месяцев испытаний (май-ноябрь 2006) они неоднократно рвались и я усиливал слабые места. На первом фото — шкотовый угол. Теперь, то-есть до сих пор держат нормально. На следующем фото статические испытания. По Бернулли ветер 25 м/сек давит на 1 кв.м. с силой в 40 кг.
Весной, в мае появилась первая листва на деревьях, которая перекрыла доступ ветра к моему ветроколесу, по-этому пришлось искать ветер и перенести всю конструкцию на берег озера. Ветряк удален от дома около 100 метров, поставил так чтобы из окна дома его можно было видеть. Так как ветряк теперь от дома далеко, а все технические изменение получается делать только дома, то пришлось звать на помощь соседей чтобы приносить и уносить ветроколесо, которое весит 48 килограмм. Звать соседей приходилось с частотой 2-3 раза в месяц, ох и интересно им было наверно таскаться с моим чудом техники. Ниже на фото тормозная система ветряка.
Ветроколесо как оказалось имеет огромный крутящий момент на валу. Уже при ветре в 4-5 м/с руками колесо не остановишь. При этом обороты колеса вхолостую 40-50 об/мин. Вначале для торможения использовал лассо, набрасывая его на спицы, а потом пришлось делать тормоз. Колодки, и диск — из коробки сцепления Гольфа. Рычаг тянется вниз, тяги прижимают колодку. Там-же видна и резина между обоймами подшипников оси и площадкой головки — вибрации снимать. Последующие испытания показали неэффективность этого тормоза и я его снял. На ветрах выше 6-7м/с он уже не тормозит. Оказалось что у меня эффективно работает электро тормоз генератором. С передачей 15:1 закорачивание обмоток генератора настолько замедляет колесо, что его можно остановить рукой.
Теперь нужно было определить мощность и КИЭВ ветрколеса моего парусного ветрогенератора. В теории все очень просто, шкив на оси наматывает на себя шнур с грузом, который проходит определенное расстояние по вертикали за определяемое время, и одновременно определяется скорость ветра и скорость вращения колеса. Но практически это оказалось очень трудно. Как груз использовал ведра с кирпичами, на шкив наматывал шнур и давал пару метров слабины чтобы колесо разогналось и смотрел с какой скоростью поднимается груз по отметкам на столбе и секундомеру, при этом одновременно надо было зафиксировать скорость ветра и обороты ветроколеса.
Испытания показали что при ветре до 2 – 2.5 м/с ветроколесо хоть как-то реагировало на вес снижением оборотов, и хоть как-то замеры можно было сделать, а вот после 3.5- 4 м/сек груза оно вообще не замечало, два ведра с кирпичами = 68 кг и + кусок рельса – в сумме = 115 кг и больше мне подвесить было нечего.
Испытания проводил когда тормоз еще не сделал, бывало что ведра утягивало вверх так что рвался шнур или накручивало душки ведер на шкив, так что кирпичи летели во все стороны. Пришлось срочно делать тормоз.
Это просто шкив на оси с охватывающей его металлической лентой, один конец которой закреплен, а второй, через динамометр, рычаг тянет вниз, прижимая к шкиву. Сила тяги и параметры шкива и ленты позволяют рассчитать тормозное усилие. Лента – обычная обвязочная, железная, мягкая. К тому времени обзавелся и показателем оборотов, велосипедным. Результаты – как и с грузом, до 2-2.5 м/сек все работает, а выше – лента за секунды раскаляется докрасна и рвется. Бросил я тогда эти замеры и только много позже додумался – привязал колесо за конец спицы через динамометр. Ветер 5-6 м/сек дует, колесо привязано, не крутится, но тянет (страгивающий момент) и динамометр показывает 18 кг на плече в 210 см, а это на шкиве 3.5 см радиуса дает тягу более тонны. Понятно стало, почему с грузом замеры не получились.
С генератором решил не мучится и купить готовый. Генератор — купил на 48V, 1KW. Трехфазный, обмотки соединены треугольником. Вес генератора около 7 кг. Прокрутил на токарном станке при нагрузке по 5 ом на фазу — на 630 об/мин выдал 11А и 54В (около 1,7 KW). Момент страгивания без нагрузки 4-4,5 Нм. Приделал к нему шкив под ремень.
Генератор закреплен на пластине, которая притягивается на болтах к кронштейну и двигается чтобы натянуть ремень. Мультипликатор делался на глазок так как быстроходность ветроколеса так и осталась неизвестной. Первый мультипликатор был 8:1 под зубчатый ремень. Вырезал болгаркой из фанеры толщиной 25 мм. 3убчики рисовал и выпиливал тоже болгаркой. Получилось правда не точно как не старался, зубья набегали друг на друга и дергали генератор. Потом сделал еще один мультипликатор 5:1 и тоже с зубчиками не получилось. Тогда заказал из алюминия, работало нормально. Но оказалось что выше 3-4 м/сек колесо генератором (даже короткозамкнутым) не нагружается. Поставил колесо от мопеда под поликлиновый ремень, вышло 10:1. Но за пару дней при умеренном ветре колесо стало яйцом. Перетянул и через два дня опять яйцо. Тогда вырезал такой-же диск из фанеры и он до сих пор нормально держит. Замеры при 6-8 м/сек показали снижение холостых оборотов на 20-30% при нагрузке, а по теории надо было — до 50%, так что колесо остается недогруженным. Если когда сподвигнусь — сделаю 16:1 и двухступенчатый.
Далее на следующей странице продолжение строительства парусного ветрогенератора, щеточный узел, установка мачты, оборудование мачты, электрическая часть и другое. Фото и данные взяты с источник
Вторая часть, продолжение строительства парусного ветрогенератора
Источник
Особенности парусного ветрогенератора: история, современная конструкция и создание своими руками
Обновлено: 15 января 2021
Ветрогенераторы как источники электроэнергии появились достаточно давно, чтобы успеть обрасти массой вариантов конструкции. Одним из старых, но до сих пор успешно применяющихся и развивающихся вариантов конструкции является парусный ротор. Долговечность конструкции вызвана высокой чувствительностью — большая площадь лопастей позволяет эффективно принимать энергию ветра.
На потоках с низкой скоростью, когда обычные лопастные турбины еще не запустились, парусники уже вращаются и вырабатывают энергию. Эти преимущества заставляют конструкторов постоянно совершенствовать конструкцию, создавать новые, более эффективные разработки.
Ветряк-водокачка
Прототипом нынешних парусных турбин был ветряк-водокачка. Он преобразовывал энергию ветра во вращательное, а затем — в возвратно-поступательное движение, заставляя двигаться помпу, подающую из скважины воду на поверхность. Конструкция была проста и весьма надежна, такие ветряки существуют до сих пор.
Примечательно, что внешний вид ветроколеса был практически таким же, что и на нынешних моделях, хотя со времени появления первых промышленных образцов прошло более 100 лет. Единственным отличием является жестяные лопасти у старых образцов и мягкие тканевые у современных.
Современные ветрогенераторы с парусным ротором
Нынешние конструкции выполняют несколько другую задачу. Они вырабатывают электроэнергию, хотя принцип действия остается прежним — превращение энергии ветра во вращательное движение.
С появлением новых технологий и материалов изменился и внешний вид парусного ротора. Лопасти теперь представляют собой рамы лепестковой формы из трубы. На нее натягиваются паруса из плотной синтетической ткани, не боящейся влаги или перепадов температуры. Иногда рама не имеет замкнутой формы, представляя собой подобие буквы «Г».
Обычно парус имеет треугольную форму с вершиной у центра вращения. Одна из сторон треугольника, примыкающая к вершине, не присоединена к раме. Под давлением ветра она несколько выгибается, образуя лопасть с оптимальным для данной силы ветра профилем. Вращение начинается при малых скоростях ветра — уже при 3-4 м/сек генератор способен заряжать аккумуляторные батареи.
Основное преимущество парусников — простота конструкции и возможность отремонтировать или целиком изготовить ее самостоятельно. По сравнению с лопастями, склеенными из стеклоткани или нарезанными из полипропиленовых труб, изготовление и замена не составляют никакого труда. При этом, существуют и промышленные образцы. Они, как правило, производятся небольшими коллективами, но конструкции весьма интересны. Так, есть модели, объединяющие парус и диффузор.
Лопасти расположены не в плоскости, а наподобие лепестков полураскрывшегося цветка. Поток ветра попадает в такой раструб, уплотняется и с максимальным усилием действует на основание лопасти. Давление на этот участок не опасно, а энергия передается наиболее эффективным образом.
Известны также парусники с вертикальной осью вращения. Они во многом повторяют обычные конструкции, в основном, карусельного типа. Строение паруса имеет специфический тип, исключающий одинаковое воздействие на рабочую и тыльную стороны лопастей.
Парусник своими руками
Высокие достоинства парусных ветрогенераторов побудили многих любителей заняться изготовлением подобных конструкций. Принципиальным отличием от других типов ветряков является только сам ротор, остальные элементы установки у всех разновидностей ветрогенераторов одинаковы.
Крыльчатка парусного типа имеет малую массу и вес. Это означает, что инерция покоя мала, нагрузка на опорные конструкции и подшипники также невелика. Еще одной особенностью является способность парусников самостоятельно наводиться на ветер, что снижает сложность создания ротора. Диаметр крыльчатки можно сделать достаточно большим, увеличивая способность принимать энергию потока с большей эффективностью.
Для изготовления лопастей используются металлические трубы. Распространенный вариант — изготовление замкнутой окружности наподобие обруча, от центра расходятся радиусные планки, являющиеся креплениями парусов. Их количество может быть разным, в зависимости от силы ветров в регионе — чем сильнее поток, тем большее число лопастей понадобится сделать. Такое соотношение делается для образования большего количества щелей в плоскости крыльчатки, пропускающих ветер и снижающих излишнюю нагрузку.
Крыльчатка должна быть качественно отбалансирована. Это особенно важно при больших диаметрах (для мощных ветряков, способных обеспечить весь дом, понадобится до 10 м диаметра). Кроме того, надо предусмотреть возможность торможения колеса и смены парусов при выходе их из строя. Установка ветряка производится на отдалении от дома или построек, высота мачты должна обеспечивать контакт с достаточно мощными потоками ветра.
Источник