Почему у ветряков три лопасти

В чем отличия многолопастных винтов и малолопастных

Очень часто люди заблуждаются в том что многолопастные винты для слабого ветра, а трех-двух лопастные для сильного. И многие считают что для слабых ветров более эффективен именно многолопастной винт, ведь много лопастей, от этого тяга выше, больше ветра охватывают лопасти, крутящий момент выше, и следовательно мощность, но это не так. Из за большего количества лопастей выше стартовый момент, поэтому если генератор имеет сильное магнитное залипание, то приходится что-то делать чтобы увеличить стартовый момент, и обычно это добавление лопастей.

Давайте представим сначала одну лопасть и действующие на нее физические факторы. Лопасть имеет крутку, углы относительно потока ветра, и ветер налегая на нее, заставляет лопасть под давлением двигаться (выдавливаться вперед по оси вращения). Но лопасть двигаясь в своей плоскости преодолевает лобовое (фронтальное) сопротивление плотного воздушного потока. Этот поток и тормозит лопасть не давая ей набрать больше оборотов, и чем выше обороты, тем выше аэродинамическое сопротивление.

Если же лопастей больше чем одна, две-три, или 12 штук, то аэродинамическое сопротивление всех лопастей не остается равным одной, оно складывается, потери складываются в общие и обороты винта падают. Много энергии тратится просто на вращение. Плюс проходящие лопасти сильно возмущают поток закручивая его, от этого позади идущие лопасти получают еще большее лобовое сопротивление и снова тратится отнимаемая у ветра мощность и падают обороты. Именно на обороты тратится много мощности отбираемой у ветра.

Так же когда по кругу целый лес из лопастей, то ветру становится труднее проваливаться сквозь винт. Ветроколесо задерживает поток ветра, спереди винта образуется воздушная «шапка», и новые порции ветра натыкаясь на эту «шапку» рассеиваются в стороны. Знаете как ветер огибает препятствия, вот так и винт для ветра как сплошной щит.

Но многие подумают что чем больше лопастей тем больше энергии можно отнять у ветра за единицу времени, но это тоже не так, здесь важно не количество лопастей, а обороты и быстроходность винта. Например 6 лопастей скажем при 60об/м сделают один оборот пропустив куб ветра и отняв у него некую порцию энергии, а 3 лопасти сделают два оборота за это же время, и отнимут столько же энергии. Если поднять быстроходность еще, то отнимется больше энергии. Не важно сколько лопастей, одна или десять, так как одна лопасть вращаясь в десять раз быстрее отнимет столько же энергии, сколько и десять медленно вращающихся лопастей.

Быстроходность ветроколеса.

Так же чем быстрее движется лопасть тем сильнее изменяется угол атаки ветра на лопасть. Давайте представим что вы сидите в машине и вам в боковое стекло бьет снег, но когда вы начнете ехать, то снег уже будет бить и в лобовое, а когда вы наберете скорость, то снег уже будет бить напрямую в лобовое стекло, хотя когда вы остановитесь снег снова будет бить сбоку. Так и лопасть когда наберет скорость, то ветер будет налегать на нее под другим углом. Поэтому кончик лопасти делают всего 2-5 градусов, так как разогнавшись она выйдет на оптимальный угол атаки ветра и будет отнимать максимум возможной энергии. В середине лопасти быстроходность в два раза меньше, поэтому и угол в два раза больше, 8-12градусов, а у корня еще больше, ведь там быстроходность в разы меньше.

Подробнее про расчет углов можно прочитать здесь Расчет лопастей ветрогенератора

Для быстроходных малолопастных винтов углы делаются меньше. Например для трехлопастных винтов обычная быстроходность около Z5, то-есть винт имеет максимальную мощность вращаясь со скоростью в пять раз выше скорости ветра. В этом случае кончик лопасти имеет около 4 градуса, середина 12 градусов, а у корня около 24 градуса.Если лопастей шесть, то быстроходность в два раза ниже, значит и углы в два раза больше. Ну и еще чем тоньше лопасть и меньше ее площадь, тем она быстроходнее, и меньше ее аэродинамическое сопротивление, поэтому и три лопасти если они широкие будут иметь низкую быстроходность, а шесть или двенадцать тонких, узких лопастей будут иметь большую быстроходность.

В итоге например трехлопастной и шестилопастной винт будут иметь равную мощность на малом ветру, потому что три лопасти быстроходностью Z5 сделают в два раза больше оборотов чем шесть лопастей быстроходностью Z2,5 за тоже время , а значит отнимут у ветра тоже количество энергии. Но на более сильном ветру шестилопастной винт проиграет и сильно трехлопастному, так как три лопасти имеют меньшее аэродинамическое сопротивление и смогут набрать большие обороты, и следовательно отработать за единицу времени с большим количеством ветра, ведь чем быстрее лопасть движется, тем больше мощности у ветра она отберет.

Единственный плюс что чем больше лопастей, тем лучше стартовый момент, и если генератор имеет магнитное залипание, то многолопастной винт будет стартовать раньше, но крутящий момент и мощность будут выше у малолопастных винтов.

Да, и крутящий момент, так как скоростной винт наберет обороты, углы лопасти станут оптимальны для реально набегающего на лопасть потока ветра, а мы знаем что реальный угол меняется в зависимости от скорости движения самой лопасти и крутящий момент будет выше, так как меньше потери энергии на лобовое сопротивление лопастей.

Так-же многолопастные винты более тяжелые, а значит работают как маховик. Если колесо набрало обороты, то сам винт запасает энергию и его труднее резко остановить, но и когда ветер подует сильнее этот маховик надо еще раскрутить, поэтому многолопастные винты хуже реагируют на изменение силы ветра, и кратковременные порывы ветра могут даже не заметь. А легкие винты могут дать энергию даже с короткого порыва ветра. Это хорошо заметно по амперметру когда наблюдаешь за силой тока. Шестилопастной работает более мягко, нет больших скачков по току. А трехлопастной отрабатывает каждый порыв и стрелка живо бегает туда сюда, а ведь это энергия, которая в итоге накапливается в аккумуляторе, и разница в отдаче может быть очень значима, особенно на порывистом ветре и если мачта установлена низко где поток ветра турбулентный.

Еще один фактор это обороты, многолопастной винт значит тихоходный, значит и генератор такой-же, значит генератор больше, магнитов больше, провода обмотки больше, вес железа больше, в итоге и цена значительно больше. А генератор это обычно самая дорогая часть ветрогенератора. И обороты имеют самую важную роль, ведь чем выше обороты винта при той-же скорости ветра тем генератор выдаст больше мощности, и тут если оборотов не хватает, то или генератор больше и мощнее, или мультипликатор придумывать.

Но везде есть свои но, конечно самые дешевые и эффективные винты однолопастные, но их нужно делать очень точно и отбалансированно, все рассчитывать, аэродинамика лопасти должна быть идеальной, иначе вибрации и биения винта, а потом и развалившийся ветряк вам гарантированы. В принципе по этому даже заводские однолопастные ветряки почти никто не выпускает. Более оптимальными оказались трехлопастные винты, они не такие скоростные, поэтому и некоторый дисбаланс винта не страшен, но и обороты высокие, а значит и генератор дешевле.

Но все таки скоростные лопасти требуют правильной аэродинамики, иначе вся эффективность может упасть в разы. Поэтому в домашних условиях часто проще, хоть и дороже делать грубый, большой, малоэффективный, но простой в изготовлении ветряк, без всяких расчетов и походу его улучшать, переделывать, и опять переделывать, и наконец или набраться знаний и довести все до ума, или бросить и сказать что все это фигня, купил у китайцев и не мучайся, все равно лучше чем на заводе не сделаешь, только деньги зря на ветер выкенеш.

Источник

Почему у ветрогенераторов три лопасти, а не две или четыре?

Ежегодно во всем мире фиксируется активное развитие ветровой энергетики. Для получения электричества из возобновляемого природного источника необходимо лишь одно условие – стабильно дующий ветер. Его энергию устройство использует за счет вращающейся турбины, которая, как правило, состоит из трех лопастей.

Виды и принцип работы ветрогенераторов

Разнообразие ветроэлектрических установок (ВЭУ) на самом деле огромное. Изначально по способу расположения и вращения турбины они делятся на две большие категории:

Стоит отметить, что в промышленных масштабах используются горизонтальные ветрогенераторы, о которых как раз идет речь – с тремя лопастями. Вертикальные модели начали появляться сравнительно недавно и применяются в основном для удовлетворения небольших потребностей в энергии.

Пример вертикального ветрогенератора

Генераторы с вертикальной осью вращения также называют карусельными. Они имеют свою классификацию в зависимости от типа используемого ротора. Для таких устройств характерен необычный дизайн, отсутствие зависимости от силы и направления ветра, низкий уровень шума, простая конструкция и короткая мачта. Слабыми сторонами вертикальной ВЭУ считаются невысокая вращательная скорость и использование не всей энергии ветра.

Интересный факт: самая крупная ВЭС в мире по количеству годовой выработки электроэнергии – китайский комплекс Ганьсу (7000-10000 млн кВт⋅ч)

Из горизонтальных генераторов состоят самые большие ветряные фермы в мире. Хотя в последнее время ведутся активные дискуссии по поводу потенциала применения вертикальных установок. Основными компонентами горизонтальной ВЭУ являются фундамент, башня, электрогенератор, ротор, лопасти, поворотный механизм.

Устройство горизонтального ветрогенератора

Главным недостатком такого устройства считается зависимость от направления ветра. Поэтому на нем имеется анемометр и механизм, с помощью которого поворачивается гондола – часть генератора с электрооборудованием и лопастями. Также предусмотрена тормозная система, которая не дает лопастям бесконтрольно увеличивать скорость вращения.

Таким образом, под воздействием ветра раскручивается ротор. Электричество подается на контроллеры, оттуда – на аккумуляторы. Затем происходит преобразование напряжения в пригодное для использования.

Общемировая годовая динамика установленной мощности ВЭС

Преимущества трехлопастной конструкции

Количество лопастей в горизонтальном ветрогенераторе варьируется и может составлять 2-4 и более. Однако в промышленности используется только трехлопастная конструкция, которая признана оптимальным вариантом. Все дело в соотношении скорости вращения лопастей и крутящего момента – физической величины, которая показывает действие силы ветра на ротор. Чем больше лопастей у ВЭУ, тем больше крутящий момент и ниже скорость вращения.

Схема распределения энергии

Например, ветрогенератор с 2 лопастями вращается очень быстро, но крутящий момент его будет недостаточным, а это ключевая составляющая работы устройства. Вариант с четырьмя лопастями тоже не подходит, так как имеет сразу несколько недостатков. Во-первых, снижается скорость вращения при незначительном увеличении момента силы.

Во-вторых, возникает необходимость в более сложной системе редукторов, которые передают мощность вращения. Наконец, дополнительная лопасть повышает стоимость всей установки. А конструкция с тремя лопастями является золотой серединой. Мощность современных моделей ВЭУ достигает 8 МВт.

Источник

Зачем ветрогенераторам только 3 лопасти?

С тех пор как человечество открыло для себя энергию ветра, воды и солнца, ученые смогли совершить множество открытий, благодаря которым современные села и города частично обеспечиваются мощностями, достигающим порой не одного десятка гигаватт. А технологии настолько продвинулись вперед, что сегодняшние реалии еще 10 лета назад были невообразимы. Но все равно на протяжении длительного времени в конструкциях ветряков и фотоэлементов всегда оставалось что-то неизменное.

Немного интересных фактов о ветрогенераторах

Мало кто задумывался над тем, почему ветрогенераторы имеют всего три лопасти? Почему не четыре или не пять? Ведь во всех торговых представительствах и даже тут турбины поставляются исключительно с тремя продолговатыми лопастями. Вопрос, как и всегда, содержит в себе половину ответа, но заниматься ребусами никто не будет, просто перечислим объективные причины:

• оптимальная цена готового продукта;
• усредненная нагрузка на генератор;
• лучшее соединение цены и качества.

По затратам четырех-лопастные установки будут окупаться куда дольше, при соотношении всех показателей. Поэтому тот вид, который сегодня имеют ветряки, является самым сбалансированным. Правда, бытует мнение, что при уменьшении размеров лопастей, можно увеличить их количество.

Увы, но оно является неверным. Дело в том, что при добавлении четвертого вращающегося элемента, увеличится и скорость вращения на 22,5%. В свою очередь этот показатель приведет к возрастанию шума, которого так стараются избежать владельцы ВИЭ.

Но децибелы в жилых районах это еще полбеды. Нагрузка на центральный ротор станет последним гвоздём в гроб ветрогенератора. Ведь замена именно данной детали составляет почти половину стоимости устройства. А создание более мощного и прочного ротора приведет к удорожанию конструкции. Таким образом, трех-лопастной ветряк это золотая середина. Однако совершенству никогда не было предела.

Солнечные электростанции сохранят свою форму

Несмотря на то, что последний год появляются новости о прототипах фотоэлементов в виде конусов. Большинство создателей экзотических аналогов предполагает, что солнечные электростанции так и останутся параллелепипедами. Такими, как здесь за виртуальной витриной и с приятной ценой. Главное чтобы панели постоянно наращивали КПД и тогда, их перспективность для населения окажется приятнее чеков за коммунальные услуги.

Источник

Ветрогенераторы: почему у конструкции не две лопасти и не четыре, а именно три

Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.

На самом деле ничего странного нет, так как эта особенность является промышленным стандартом, обоснованным научно.

Чем меньшее количество лопастей у сооружения, тем с большей скоростью она вращается, а крутящий момент, возникающий на валу, снижается. Если же количество их будет больше, то крутящий момент соответственно повысится, а скорость, с которой они будут крутиться, снизится в связи с ростом сопротивления.

Другими словами, если «крыльев» будет только два, турбина будет намного быстрее крутиться, но крутящий момент будет не таким, как нужно. Плюс к этому появляется дополнительная проблема – это шум и повышенные вибрационные показатели, которые изнашивают сооружение. Четыре лопасти обеспечивали бы незначительное увеличение крутящего момента, но вращение было бы гораздо более медленным.

Кроме технических моментов есть и экономический. Одна лишняя лопасть прибавила бы стоимости конструкции. Цена выросла бы в разы. В связи со всем перечисленным оптимальным признали трехлопастной вариант конструкции. При этом она приобрела еще и привлекательный внешний вид.

Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:

Источник