Символ ОСТ

оформление - PDA | Полная версия сайта

Орден Современной Технократии

Главная » Статьи » Технологии, сделай сам. » сделай сам

Философия конструирования ветроустановок

Оригинал статьи на немецком языке

Трехлопастной вращающийся ветряк


  Точно также, как кто-то клянется на 6 цилиндровом моторе, а на всех 4-цилиндровых водителей посматривает свысока, при проектировании ветряков встречаются в разной степени конструкторско-философские преференции, которые опираются преимущественно на опыт и собственные конструкторские убеждения, но не всегда выражают чисто теоретически выводимые соотношения. Это обстоятельство объясняет, почему лекция с заголовком "Конструирование", часто просто не имеет никакого отношения к заявленой теме.

   Ульрих Хюттер, ветропатриарх современности, замечательный конструктор, говорил всегда о "Зеленой шляпе" конструктора. Он поговаривал: "Если женщина хочет иметь зеленую шляпу, то она получает ее, именно такую и никакую другую". При помощи этого высказывания Хюттер объяснял студентам про особенности некоторых установок и сильное влияние личных пристрастий конструктора.




Философия конструирования ветроустановок



Для дизайнера или конструктора установок, использующих ветровую энергию, не существует однозначных ответов, тем более единственного решения. Как и во всех областях техники, сначала должны быть выяснены пограничные условия или выдвинуты прогнозируемые преимущества. Какой вид энергии, например, необходим? Планируется ли производство электрической энергии, или достаточно механической энергиии (вал отбора мощности) для вращения водяного насоса? Для названных 2 видов энергии применяются 2 различных типа установок. Для водяного насоса нет лучшей установки, чем многолопастный ветряк "western mill". Если, однако, речь идет о высококачественной электроэнергии, то в повестке дня может стоять только быстроход с высшей аэродинамическим качеством лопастей. Не все золото, что блестит. Другими словами говоря, не все то, что вращается, является установкой, эффективно использующей ветер.

  Виды установок:
Классификация всех возможных установок непроста, однако легко осуществляется при использовании трех критериев:

  - Положение оси вращения (горизонтально/вертикально),
- Вид силы,
возникающей под действием набегающего потока (Подъемная сила/Напор)
- Быстроходность (Z=Окружная скорость/Скорость ветра) т.е. Тихоходные/Быстроходные установки
(В иностранной литературе принято быстроходность обозначать буквой лямбда, в русской - буквой Z)
Картинки представляют типы всех вообразимых устройств, использующих энергию ветра.


Вертоустановки движимые подъемной силой

Вертикальная ось Дарье

Напорные установки Савониус



  Здесь, в этой статье будем рассматривать только быстроходные пропеллерные турбины с горизонтальной осью вращения.



  Замечания в форме словарных статей 



  Количество лопастей пропеллера:

   Конструктор принимает решение, какое количество лопастей будет в ветряке. Теория говорит, что каждая новая лопасть добавляет больше мощности, но не пропорционально, т.е. двухлопастной пропеллер по сравнению с однолопастным пропеллером ни в коем случае не даст удвоение мощности.

   Кроме того, надо обращать внимание на нюансы коэффициента быстроходности. При высокой быстроходности влияние трения становится все больше. Наибольшую мощность достигают увеличением аэродинмического качества профиля К, а не увеличением числа лопастей (см. следующую диаграмму)

КИЭВ в зависимости от быстроходности и числа лопастей



При малом коэффициенте быстроходности, как например, в многолопастных ветряках, каждая дополнительная простая лопасть из железа приносит заметный скачек роста мощности. Много лопастей дают тихоходу также высокий стартовый момент, что особенно желательно для водяных насосов. Быстроходный пропеллер с несколькими лопастями имеет проблемы при старте, вследствие незначительного стартового момента. В этом случае качество страгивания можно улучшить принудительной системой поворота лопастей.

   Однолопастной ветряк (природа все же симметрична!) не дает экономии одной лопасти. Требуется противовес (материал, масса). Кроме того следом подсоединенные узлы (подшипник, редуктор, электромашина) испытывают несимметричную нагрузку при каждом обороте. Увеличение количества лопастей дает наряду с повышением мощности сравнительное смягчение работы. Спокойнее ездить все-таки на 12 - цилиндровом моторе, чем на 6 - цилиндровом!

  Правда стоимость ротора составляет порядка 40% всей системы, поэтому при больших размерах установки возникает вопрос о рациональности применения 2 или 3 лопастей.


  Рекомендация:
Установки диаметром до 60 метров имеют 3 лопасти, свыше 60 метров в диаметре 2 лопасти.


  Положение ротора:

  Подветренное положение ротора, или положение за башней обеспечивает устойчиво стабильное положение. Если ротор находится перед башней, в наветренном положении, то такая позиция неустойчива. (Конечно ротор в наветренном положении вращается в невозмущенном потоке.) Если бы пропеллер мог свободно вращаться вокруг вертикальной оси, то он бы пропутешествовал на подветренную сторону при малейшем возмущении, он хочет плавать вместе с потоком.

  У всех машин с горизонтальной осью должно иметься устройство установки по направлению ветра, независимо от того, с какой стороны мачты вращается ротор, также должно быть предусмотрено демпфирование слежения за ветром, чтобы ротор поворачивался бы только при длительных изменениях направления ветра. На свободу выбора конструктора, с какой стороны мачты расположен ротор, будет оказывать влияние запланированная форма мачты. Самая дешевая мачта или башня - это решетчатая мачта. Однако эта мачта при подветренной позиции ротора является абсолюной убийцей потока. Лопасть, проходящая через тень башни, освобождается от всех сил ветра и тем самым подвергается ненормальной разгрузке. Это крайне вредно для долговечности. Мачта, сделанная из трубы, едва ли имеет проблемы с тенью, еще меньше проблем будет в сегодняшних свобднонесущих трубчатых конструкциях. Эти мачты хотя и дороги, но они приятны глазу, и соблюдают эстетические условия.

  Рекомендация:
Для установок с горизонтальной осью ротору лучше вращаться пред башней в невозмущенном потоке.


  Быстроходность:

   Теория гласит, чем выше быстроходность, тем выше мощность установки. Однако этот теоретический вывод ведет к более узким лопастям. При высокой окружной скорости нет необходимости в большой хорде профиля для создания необходимой силы. Однако этот вывод ведет к статическим и динамическим проблемам. Узкие лопасти будут также и тонкими. Несушее поперечное сечение станет слишком маленьким, фактически уже не остается материала для обеспечения необходимой жесткости. Стройные лопасти склонны к изгибу и работают в установке, как длинные кнуты. Такая убегающая от аэродинмики лопасть не может быть построена даже с использованием самого лучшего углепластика.

  Конструктор должен искать и находить компромисс.

  Современные коэффициенты быстроходности лежат в диапазоне от 6 до 12. Конструктор сам выбирает исходную величину. Он утверждает номинальное число оборотов для номинальной мощности. Причем он держит в поле зрения всю цепочку передачи энергии ротор/редуктор/генератор, и их обороты. Окружная скорость кончика лопасти не должна по возможности превосходить 100 м/с. При данном диаметре установки и выбранном параметре быстроходности можно высчитать номинальное число оборотов.

   Для получения стабильного переменного тока (50 Гц в Германии, 60 Гц в США) необходимо будет применять генератор с числом оборотов 1500 об/мин. Из этого можно найти передаточное отношение мультипликатора.

  Вторым значением, определяющим быстроходность, является скорость ветра в точке установки ветряка. Это значение тоже должен установить конструктор. Можно исходить из самой частой в месте установки скорости, или среднегодовой, или максимальной или минимальной скорости. Это предоставлено конструктору и вытекает из исповедуемой им философии конструирования. Конечно при этом берут во внимание добавку скорости ветра при увеличении высоты над поверхностью земли в зависимости от класса шероховатости местности. Очень важно при этом описание территории вокруг меса установки. Выбор номинальной скорости ветра отразится также в годовой выработке энергии. Это зависит также от распределения частот скоростей ветра в этой местности. Частоту распределения можно получить математически без измерений на местности. Для этого нужны константы, описывающие местность. Годовая выработка энергии зависит также от выбора установленной мощности.

  Вывод:
Конструктор должен выбрать быстроходноость в пределах 6 - 8 для установки с горизонтальной осью вращения с 2 или 3 лопастями .



  Установленная мощность:
Ветровая энергия представляет собой тонкую окружающую материю. Это означает, как и при использовании солнечной энергии, что для получения больших мощностей необходимы большие площади (диаметры) установок. Это дает в итоге большие диаметры сооружений (70 метров и более) для установок в мегаваттной области.

  Один из конструктивных параметров - удельная мощность, или установленная мощность приходящаяся на ометаемую лопастями окружность. При этом конструктор должен решить каков будет характер ожидаемой и получаемой мощности. Хочет ли потребитель в течение всего года по возможности получать постоянный уровень мощности (смотри диаграмму), или подключенная к сети установка должна "укрощать" все скорости ветра до самых больших величин? Это означало бы, что установка оптимизируется для получения максимального энергодохода. Если хотят иметь постоянный уровень получаемой энергии, то выбирают низкую удельную мощность. Рекомендуется несколько десяток ватт на квадратный метр ометаемой площади.

   Например небольшая ветроустановка 100 м2 ометаемой площади, или 11,28 м в диаметре, может быть оснащена генератором 3,5,8 или 10 кВт. Удельная мощность составит тогда 30,50,80 или 100 Вт/ м2. Такая низкая нагрузка ведет к продолжительному периоду постоянной мощности.

  Если на установку той же величины установить генератор 50 кВт, то удельная мощность составит 500 Вт/ м2. Лопасти, подшипники, башня, и.т.д. могут без особых проблем воспринять и эту мощность, разумеется при другом сроке службы. Число часов в году с максимальной мощностью незначительно по отношению к количеству часов с маленькой нагрузкой машины. Количество часов простоя будет больше, т.к. более мощные установки нуждаются в более сильном ветре для начала работы.

мощность получаемая от ветряка


Исскуство оптимизации лежит в том, чтобы найти такую удельную мощность, которая дает самый экономичный энергодоход, а именно, площадь под кривой диаграммы время/мощность. Стремятся достигнуть большой площади под диаграммой в том случае, когда цель состоит в получении возможно большего количества энергии. При этом учитывают пики энергодобычи в определенные периоды года и небольшую мощность в течение продолжительных периодов.

  Опытные конструкторы ветроустановок рекомендуют:
- маловетренные области w = 30 до 60 Вт/ м2, max. 100 Вт/ м2
- ветрообильные области w = 100 до 300 Вт/ м2, max. 500 Вт/ м2
  Верхние значения выбираются при высоких башнях, сосответственно при большой высоте осей ветряков.

   Если конструктор задался определенной удельной мощностью, например w = 100 Вт/ м2, и хочет получить определенную мощность в соответствии с номинальой скоростью ветра и достижимой для строящегося ветряка КИЭВ, то он может подсчитать размеры установки.

  Пример:
Исходные данные:
Vном.= 11.5 m/s, ¶= 400 Вт/ м2, возможный КИЭВ СP=0.45,
требуемая мощность порядка 500 кВт
Расчет дает:
Pном.=507,7 кВт при диаметре ротора 40 м, с ометаемой площадью
Sом. = 1256,64 м2 и удельной мощностью 403,8 Вт/ м2.

   Приведенные величины конечно же не являются независимыми друг от друга, Существует формула мощности.


P = Сp · ρ/2 · V3ном.· Sом.


  Выбор профиля:

  В основном роторы должны применяться быстроходные, иначе говоря, в роторе с небольшим количеством лопастей берут лопасти с возможно более хорошей аэродинамикой. Для этого выбирают профили с возможно большим аэродинамическим качеством К (отношением Cy/Cx), т.е. с наибольшой подъемной силой и незначительным сопротивлением.

  Рекомендуется использовать ламинаризированные профили. Эти профили отличаются изгибом внутрь профиля на нижней поверхности.

   Конструктор должен принимать решение о выборе профиля, учитывая в том числе и осуществимость изготовления. Профили, изготавливаемые из древесины должны иметь плоскую нижнюю поверхность, то же относится к листовому металлу, например, мах из трубы с нанизанным на него жестяными неврюрами и жестяной обшивкой. Для этих двух технологий практически неосуществимо выполнить вогнутую нижнюю поверхность. Эти технологии вызовут некоторое уменьшение возможно достижимого КИЭВ.

   Если же планируют серийное производство высококачественных лопастей из волокнистых материалов, связанных искусственными смолами (стекловолокно/углеволокно/арамид) и проходят при этом недешевый путь через шаблон, негативные полуформы, и отливки заготовок в формах, которая (отливка) стоит не много, то применяют лучшие аэродинамические профили. воблер
воблер
  Рекомендация:
Для быстроходных ветряков необходимо применять высококачественные профили, и в особенности рекомендуется ламинарные профили(например, FX 63-127 или NACA 642-415).
При ограниченных возможностях по технологии изготовления лопастей, подойдут профили с прямой нижней поверхностью (например NACA 4415 или Clark Y)




doerner@ifb.uni-stuttgart.de От 7 Марта 1997

Математики подобны французам. Всякий раз, когда Вы им что-то говорите, они переводят это на собственный язык и это "что-то" становится неузнаваемым.

Гёте.

К началу страницы

Читать другие метериалы по экопоселениям:



Источник: http://www.rosinmn.ru/vetro/heiner_doerner/sein_oder_nicht_sein.html
Категории: экопоселение, сделай сам | Добавил: mnemonik (01.05.2010)
Просмотров: 6425 | Комментарии: 1 | Рейтинг: 0.0/0 |
похожие статьи:


Всего комментариев: 1
avatar
0
1 ZolotarevaL • 02:17, 26.09.2012 [Материал]
нужна
avatar
[сделай сам]

Ключевые слова:


[ Категории каталога ]
сделай сам [55]
Аномальные технологии [1]
полезные устройства [4]
домашние технологии [1]

[ Поиск ]


[ Друзья сайта ]

Мембрана

КосмоБлог


Total online: 1
Guests: 1
Users: 0

Copyright ОСТ © 2024