Ветряк с одной лопастью эффективнее

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

Плюсы и минусы вертикальных ветрогенераторов, их виды и особенности

Использование энергии ветра для выработки электричества – одна из перспективных форм развития альтернативной энергетики. Вертикальный ветрогенератор является перспективным направлением развития отрасли, т.к. имеет ряд преимуществ по сравнению с горизонтальными аналогами.

Принцип работы

Вертикальный ветряк представляет собой цилиндр, устанавливаемый на основание. Благодаря своей форме, работает вне зависимости от направления ветра. Вне зависимости от вида вертикального ветрогенератора, он устроен таким образом, чтобы давление потока воздуха на одну из его сторон было выше, чем на другую.

Благодаря такой разнице в давлении происходит вращение оси генератора и выработка электричества. Из-за того, что сила ветра направлена на обе стороны ветрогенератора, показатель стартовой скорости ветра немного больше, чем у горизонтальных ветряков, но при должном качестве деталей, существует самораскрутка – т.е. значительное увеличение оборотов генератора даже при небольшом (от 3,5 м/с) ветре.

Какая конструкция лучше

Существует несколько принципиально разных конструкций вертикальных ветрогенераторов, каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками.

Ветряк Савониуса — полукруглые лопасти

На ортогональный ротор устанавливают дополнительные статические экраны для увеличения производительности

Геликоидный ротор имеет сложную конструкцию

Плюсы вертикальной оси

Положительные качества всех вертикальных ветрогенераторов:

1. Не направляются по ветру, работают при любой его направленности.
2. В отличие от ветрогенераторов с горизонтальной осью, имеет только одну ось вращения, следовательно бо́льший срок службы.
3. Возможна установка на небольшой высоте — от 1,5м, в зависимости от модели.
4. Все важные подвижные элементы находятся в нижней части генератора, что позволяет удобно его обслуживать.

Важно. При необходимости вал ротора увеличивается до необходимой длины для удобства доступа к статору, без существенной потери КПД.

Минусы

1. Громоздкость конструкции. Самые легкие вертикальные ветряки весят не менее 300 кг вместе со стойкой.
2. Низкая эффективность по сравнению с горизонтальным.
3. Шумность. Ветряк издает шум от лопастей во время работы.

Видео. Геликоидный ветрогенератор

В ролике наглядно показана работа геликоидного ветряка, установленного на специальной мачте

Источник

Ветряк для частного дома — деньги на ветер. Весь расклад по цифрам в рублях и киловаттах.

Вопрос ветроэнергетики в наше инновационное время интересует очень многих. Те, кто хоть раз посещал Европейские страны на своем авто, наверняка видели огромные ветропарки.
Сотни генераторов встречаются по пути.

Наблюдая такую картину, многие начинают верить, что получение эл.энергии при помощи ветра, весьма перспективное и выгодное занятие. Мудрые европейцы ошибаться то не могут.

Наверняка после очередного подорожания электроэнергии, вы задумывались об установке у себя на участке ветрогенератора. Тем самым, обеспечив если не всю, то большую часть своих потребностей в электричестве.

Некоторые даже подумывают таким образом стать независимыми от электросетей. Насколько это реально и возможно? К сожалению, для 90% владельцев частных домов, эти мечты так и останутся мечтами.

К сожалению, в нашей стране не так много регионов, где скорость ветра находится хотя бы на уровне 5-7 метров в секунду. Берутся данные в среднем за год. В подавляющем большинстве широт, пригодных для проживания, эта самая скорость равняется максимум 2-4 м/с.

Это говорит о том, что ваша ветроустановка большую часть времени, элементарно не будет работать. Для стабильной выработки электричества, ей нужен ветер около 10 м/с.

Фактически за час, 2квт генератор подарит вам не более 100Вт.

Еще вы столкнетесь с другой проблемой ветра, о которой умалчивают производители. Около земли, его скорость гораздо меньше чем наверху, там где ставятся промышленные установки высотой 25-30м.

Вы же свой агрегат будете монтировать максимум на десяти метрах. Поэтому даже не ориентируйтесь на таблицы ветров с разных сайтов. Эти данные вам не подходят.

Производители скромно умалчивают, что для их карт ветроресурсов, замеры производятся на высоте от 50 до 70 метров! К тому же там не учтены данные по турбулентности, завихрениям.

Попробуете задрать повыше чем 10м, обязательно задумаетесь о молниезащите. Наэлектризованные трением воздуха лопасти, очень вкусная приманка для разрядов!

К тому же, почему-то все беспокоятся только о таком параметре, как скорость ветра, и при этом забывают про его плотность или давление. А разница для энергетики весьма существенная. Зависимость выработки электроэнергии от давления ветра непропорциональная.

Кроме того, есть определенное лукавство в указанных технических характеристиках генераторов.

Верить им конечно можно, но только для идеальных условий. Потому что:

показания эти снимаются в аэротрубе

и в ламинарном потоке при неизменном направлении и повышенной плотности

У вас же на дачном участке скорость ветра может быть такой, что не получится и вал прокрутить, не то что вырабатывать энергию.

И это весной или осенью. Именно в этот период происходят наиболее активные перемещения воздушных масс.

Не забывайте, что ветряк работает не в режиме холостого хода вертушки, а должен раскрутить ротор генератора в окружении неодимовых магнитов.

И это только до тех пор, пока электрический потенциал ветряка ниже напряжения АКБ. При достижении напряжения достаточного для начала заряда, аккумулятор превращается в нагрузку.

Если применить тихоходные конструкции с вертикальной осью вращения, то здесь уже присутствует повышающий редуктор. Вы пытались раскрутить повышающий редуктор? Такая конструкция усложняется, увеличивается вес, парусность, стоимость.

Даже на маяках Северного флота, учитывая там постоянные ветра и полярную ночь, специалисты предпочитают использовать солнечные батареи. На вопрос почему так, отвечают по-простому – проблем меньше!

Большие промышленные ветротурбины могут передавать энергию напрямую в сеть, минуя всякие аккумуляторы.

А вот вы без них обойтись никак не сможете. Без АКБ не будет работать ни телевизор, ни холодильник. Даже освещение будет светить урывками, в зависимости от порывов ветра.

При этом за 12-15 лет работы генератора, вы обязаны будете сменить 3-4 комплекта АКБ, тем самым вдвое увеличив свои начальные расходы. Причем мы берем чуть ли не идеальный вариант, когда аккумуляторы будут разряжаться не больше половины от своей емкости.

Конечно вы можете купить дешевые модели АКБ, но затраты от этого не станут меньше. Просто поход в магазин за новыми батареями будет осуществлен не 4 раза, а уже 8.

Еще о чем стоит серьезно задуматься — это наличие свободного места. Причем по площади оно может уходить на 100 и более метров в каждую сторону от мачты.

Ветер должен свободно гулять по лопастям, и без помех их достигать со всех сторон. Получается, что вы должны проживать либо в степи, либо возле моря (лучше непосредственно на его берегу).

Идеальное место будет на вершине холма. Где с позиции аэродинамики, воздушный поток уплотняется с соответствующим увеличением скорости и давления ветра.

О соседях рядом забудьте. Их сады и двух-трехэтажные особняки, здорово “попьют вашу кровушку”, каждый раз перекрывая попутный ветерок. Также как и соседние лесопосадки.

Те же самые промышленные ветряки, не располагают непосредственно друг за другом, а монтируют их по диагонали. Каждый последующий, не должен закрывать предыдущий.

4-я причина – высокая цена. Не ведитесь на цены продавцов в прайс листах. В них никогда не показывается реальная стоимость всего необходимого оборудования.
Поэтому цены всегда умножайте на 2, даже при выборе так называемых готовых комплектов.

Но и это еще не все. Не забудьте про эксплуатационные расходы, доходящие до 70% от стоимости ветряков. Попробуйте поремонтировать генератор на высоте, либо каждый раз демонтировать и разбирать-собирать мачту.

Еще не забудьте про периодическую замену АКБ. Поэтому не рассчитывайте, что ветряк может вам обойтись в 1 доллар за 1квт эл.энергии.

Когда вы посчитаете все реальные затраты, окажется что каждый киловатт мощности такого ветрогенератора, обошелся вам минимум в 5 баксов.

Пятая причина, неразрывно связана с первыми четырьмя. Это срок окупаемости затрат.

Стоимость ветряка, мачты и доп.оборудования для 2-х киловаттных качественных моделей будет доходить в среднем до 200 тыс. рублей. Производительность таких установок – от 100 до 200квт в месяц, не более. И это при хороших погодных условиях.

Даже осадки снижают мощность ветряков. Дождь на 20%, снег – на 30%.

Вот и получается вся ваша экономия – это 500 рублей. За 12 месяцев непрерывной работы, набежит уже чуть больше – 6 тысяч.

При этом, 2-х киловаттный агрегат не будет закрывать на 100% ваши потребности. Максимум на треть! Если захотите целиком все подключить от него, то берите 10-ти киловаттную модель, не меньше. Срок окупаемости от этого не изменится.

Но тут уже будут совсем другие габариты и масса.

И закрепить его просто так на трубе через чердак своей крыши, точно не получится.

Однако некоторые все равно убеждены, что из-за бесконечного подорожания электроэнергии, ветрогенератор в один прекрасный момент, по любому станет выгоден.

Безусловно, электроэнергия с каждым годом дорожает. К примеру 10 лет назад, ее цена была на 70% ниже. Давайте проведем примерные расчеты и выясним перспективу выхода на окупаемость ветряка, с учетом резкого удорожания электричества.

Рассматривать будем генератор мощностью 2квт.

Как мы уже выяснили ранее, стоимость такой модели около 200тысяч. Но с учетом всех доп.расходов, нужно умножить ее на два. Получится минимум 400 тыс.руб. затрат, при сроке службы в двадцать лет.

То есть, за год получается 20 тысяч. При этом по факту, за этот год агрегат выдаст вам максимум 900 квт. Из-за коэфф. установленной мощности (он для маленьких ветряков не превышает пяти процентов), за месяц вы накрутите 75квт.

Даже если взять 1000 квт в год для простоты расчетов, стоимость 1квт/ч полученная от ветряка, для вас составит 20 рублей. Если и предположить что электричество от ТЭС подорожает в 4 раза, то случится такое не завтра, и даже не через 5 лет.

Какие выводы можно сделать из всего вышесказанного?

Ветрогенератор в нынешних российских условиях – это убыточный агрегат.

Чтобы хоть как-то обосновать его применение, цена электроэнергии уже сегодня должна доходить до 30 рублей за 1 квт.

Использование ветряка может быть обосновано в двух случаях:

у вас поблизости нет внешних электросетей или вам не дают к ним подключаться

у вас есть дизель генератор, но доставить для него топливо нет возможности

При этом, устанавливаться ветряк должен в районе со средне годовой скоростью ветра не менее 5-6 м/с. Только в этих случаях ветроустановка будет хорошей альтернативой.

Фактически, в таких условиях вы просто вынуждены выбрать из всех зол наименьшее. При этом, не верьте в суперэффективность других моделей вертикальной или шарообразной формы, собранных на неодимовых магнитах.

Конечный результат будет всегда один. Энергия, которую производит ветряк, зависит только от:

площади, которую описывают лопасти

Поэтому, если вы уже подключены к электросети, не ищите себе лишних приключений и головных болей. Выгоды никакой вы не найдете, по крайне мере на сегодняшний день.

Ну а тем, кто живет далеко от подстанций и ВЛ-0,4кв, стоит приобретать наиболее мощные модели ветряков, какие вы только можете себе позволить. Так как от той мощности, что указана на картинках, вам достанется не более 15%.

Другая категория потребителей, вполне заслужено делает выбор не в пользу китайских заводских моделей, а наоборот, предпочитает самодельные ветряки от мастеров самоучек. Свои выгоды в этом тоже имеются.

В большинстве своем, изобретатели подобных девайсов, это грамотные и ответственные ребята. И практически в 100% случаев, без проблем им можно вернуть установку, если что-то пошло не так, или ее нужно подремонтировать. С этим проблем уж точно не будет.

У промышленных китайский ветряков, внешний вид конечно посимпатичнее. И если вы все-таки решились прикупить именно его, сразу после проверки электродрелью, сделайте профилактический ремонт и замените китайский металлолом на подшипники с качественной смазкой.

Если поблизости от вас есть крупные гнездовья птиц, не помешает закупить дополнительный комплект лопастей.

Птенцы иногда попадают под раздачу крутящейся “мини мельницы”. Пластиковые лопасти ломаются, а металлические гнутся.

А закончить хотелось бы мудростью от тех пользователей, которые не послушались всех доводов и вплотную столкнулись со всеми вышеописанными проблемами. Запомните, самый дорогой флюгер для дома – это ветрогенератор!

Источник