L'intento di questo progetto, realizzato in collaborazione con Mech425, è quello di identificare l'angolazione migliore per pale piatte ed uniformi in relazione al flusso d'aria. L'angolo delle pale dovrebbe essere ottimizzato per convertire la maggior quantità di energia in movimento rotatorio. Le pale piatte vengono utilizzate in combinazione con turbine ad asse verticale e il design viene generalmente selezionato quando si preferisce la semplicità o quando l'accesso agli strumenti e alle forniture è limitato.
- Il progetto è stato selezionato per fornire supporto alle persone che cercano di generare elettricità raccogliendo il vento
- Il pubblico di destinazione è costituito da persone che non possono permettersi modelli disponibili in commercio e hanno scelto di costruirne uno proprio
I mulini a vento hanno molte funzioni e possono essere azionati ovunque ci sia accesso al vento. I mulini a vento usano le loro pale per convertire l'energia del vento in movimento rotatorio. Questo movimento rotatorio può essere utilizzato per il lavoro diretto o riconvertito in elettricità. In origine, i mulini a vento venivano utilizzati per eseguire la macinazione nei mulini. Oggi sono ancora utilizzati per questo scopo, ma hanno esteso il loro campo di utilizzo al pompaggio dell'acqua e alla produzione di elettricità. Nei paesi economicamente meno sviluppati, l'elettricità generata dai mulini a vento fatti in casa viene spesso utilizzata per caricare batterie e telefoni cellulari o per far funzionare dispositivi di illuminazione, radio e pompe per l'irrigazione.
Le moderne turbine eoliche disponibili in commercio sono state adattate per affrontare specifiche velocità del vento e sono in grado di generare megawatt di elettricità da ciascuna turbina. Tuttavia, le soluzioni fatte in casa sono spesso a bassa tecnologia e sono state sottoposte a pochi controlli in termini di ottimizzazione. Questo rapporto intende identificare l'angolo migliore per inclinare le pale in relazione al vento in arrivo per generare la maggior quantità di elettricità.
William Kamkwamba è un fantastico esempio di qualcuno che potrebbe beneficiare dell'analisi presentata in questo rapporto. È stato in grado di costruire il mulino a vento usando la sua ingegnosità e una mentalità per tentativi ed errori. Ha trasformato con successo i materiali di scarto intorno a lui in un mulino a vento funzionale che offre sia luce che irrigazione. Il suo lavoro ha fornito una vita migliore alla sua famiglia e ai suoi amici, ispirando persone in tutto il mondo. Tuttavia, sulla base della sua limitata istruzione formale, non ha incorporato calcoli ingegneristici per ottimizzare il progetto. Poiché sempre più persone cercano di sfruttare il potenziale del vento, è molto utile ottimizzare questi dispositivi per massimizzare il loro vantaggio sociale.
Per ulteriori informazioni su William, la sua storia ispiratrice può essere visualizzata di seguito:
Indice
Benefits of Flat Blades
Le lame piatte sono meno comuni rispetto ad altri design ma offrono vantaggi significativi, specialmente nelle aree a basso reddito o remote. Di seguito è riportato un elenco dei vantaggi offerti dall'utilizzo di lame piatte:
- Facile da costruire
- Meno progettazione e conoscenza locale richiesta
- Durante la costruzione sono necessari meno attrezzature e tempo
- È più facile garantire che le lame abbiano forma e dimensioni coerenti
Engineering Calculations
L'energia cinetica immagazzinata nel vento può essere trovata secondo il principio di Bernoulli:
KE = 1 / 2( m * v 2 )
Per trovare l'energia del vento, dobbiamo trovare la massa del cilindro. Questo si basa sul volume del cilindro moltiplicato per la densità del fluido:
m = π * V
Il volume totale del fluido rappresentato dalla colonna cilindrica è:
V = LA * L
Possiamo calcolare l'area della base del cilindro con:
LA = 1 / 4(π * D 2 )
La lunghezza del cilindro rappresenta la quantità di fluido che è passata attraverso l'area spazzata del mulino a vento. Questo è calcolato moltiplicando la velocità del vento per il tempo:
L = v * t
Questo può essere semplificato come segue:
KE = 1 / 8(ρ * π * D 2 ) * v 3 * t
Infine, la potenza del vento è semplicemente l'energia per unità di tempo
P = π / 8(ρ * D 2 * v 3 )
Come dimostrato, la potenza del vento è fortemente correlata alla velocità dell'aria e in misura minore al diametro delle pale. La quantità di energia nel fluido è correlata alla velocità del fluido al cubo e indica l'importanza delle alte velocità del vento. Pertanto, per aumentare la produzione di energia, il fattore più importante è trovare un luogo con velocità del vento elevate. Ciò può essere ottenuto creando una torre per posizionare il mulino a vento in una posizione più elevata. Ciò contribuirà a ridurre l'impatto di eventuali ostacoli dal livello del suolo. Anche la dimensione delle pale della turbina è importante e dovrebbe essere considerata anche come un metodo per ottenere più potenza.
Maximum Possible Efficiency
Il limite di Betz è stato sviluppato da Albert Betz e intende rappresentare la massima energia possibile che un dispositivo può derivare da un flusso di fluido a una data velocità. Nel caso del mulino a vento, la massima efficienza teorica di un rotore sottile può essere trovata sulla base delle seguenti ipotesi:
- Il rotore è considerato ideale, avendo un numero infinito di pale e nessuna resistenza.
- Il flusso in entrata e in uscita dal rotore è assiale e secondo le equazioni di conservazione.
- Il fluido è modellato in base al flusso incomprimibile.
Il limite di Betz ha previsto che il valore massimo teorico per il coefficiente di potenza sia 0,593. Ciò significa che il limite teorico di potenza sottratta al fluido è del 59,3%. In confronto, le turbine eoliche commerciali sono attualmente in grado di ottenere una conversione del 40-50% a causa di lievi inefficienze legate al design delle pale e al processo meccanico. [1]
Optimal Angle of blades
La quantità di energia disponibile in un flusso di fluido è stata indicata di seguito ed è strettamente correlata sia alla velocità del fluido che all'area spazzata delle pale. L'altro componente importante è quanta energia può essere derivata dal fluido in arrivo. Per le pale piatte, l'angolo di inclinazione delle pale del mulino a vento rispetto al flusso di fluido determinerà quanta energia può essere convertita in movimento rotatorio e quindi catturata dal sistema per un lavoro significativo. L'angolo ottimale è stato calcolato di seguito:
La pressione del vento è la quantità di forza esercitata dal vento per unità di superficie delle pale ed è data da: P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v 2
- Dove c è una costante ed è uguale a 1,0 per piatti piatti lunghi.
La forza del vento contro la pala del mulino a vento si basa sulla pressione del vento moltiplicata per l'area della pala rivolta verso il flusso in arrivo. Nel caso in cui la pala sia inclinata ad angolo rispetto al flusso d'aria in arrivo, l'area della pala esposta al fluido viene ridotta di un fattore sin θ . Pertanto, il calcolo della pressione del vento viene moltiplicato per A * sin θ per ottenere la forza del vento sulle pale. Inoltre, la forza del vento convertita in moto rotatorio è correlata all'angolo della pala rispetto al flusso del fluido in arrivo. Questa relazione è data da un fattore di cos θ .
Inoltre, le pale incontreranno un coefficiente di resistenza relativo all'angolo delle pale mentre ruotano sul proprio asse perpendicolare al flusso di fluido in arrivo. Questo coefficiente di resistenza sarà rappresentato da D * cos θ .
Pertanto, il calcolo combinato per determinare il bilanciamento della forza sulle pale è:
F = ρ * v 2 * A * sin θ * cos θ * D * cos θ
Una relazione importante da notare è quella tra forza e θ . Il bilancio combinato delle forze indica una relazione tra forza e sin θ * cos θ * cos θ .
Di conseguenza, l'inclinazione ottimale delle pale fornirebbe un angolo al flusso d'aria tale che sin θ * cos θ * cos θ è un massimo. Questo valore è stato presentato nel grafico sottostante per mostrare come cambia il valore quando θ viene regolato.
L'angolo è regolato in radianti e sembra indicare un valore massimo a circa 0,62 radianti, o circa 35,5 gradi. Ciò si traduce in una conversione massima del 38,5% della forza del vento in moto rotatorio. Pertanto, le pale dovrebbero essere inclinate di un angolo di circa 35,5 gradi rispetto al flusso d'aria in arrivo per ottenere la quantità ottimale di energia utilizzando mulini a vento a pale piatte.
Un'analisi fluidodinamica computazionale (CFD) era destinata a questo angolo della pala per studiare la distribuzione della pressione e il flusso d'aria mentre passa le pale. Sfortunatamente, la licenza per il software CFD, Fluent, è scaduta. Il modello a maglie del design della lama, utilizzando il programma Gambit, è stato incluso di seguito.
L'analisi CFD completata verrà pubblicata non appena sarà disponibile l'accesso a Fluent oa un programma software equivalente.
Regional Considerations
Le regioni target per questa tecnologia sono luoghi in cui le persone hanno un accesso limitato a strumenti o forniture, come l'Africa subsahariana. Inoltre, l'area deve avere accesso a una ragionevole risorsa eolica e accesso a determinati materiali chiave. Questi materiali includono molti materiali tecnologicamente avanzati come generatori e motori. Tuttavia, questi possono essere trovati nei depositi di rottami purché siano funzionali e possano soddisfare i loro requisiti fondamentali. Mentre molte persone non sono in grado di permettersi questi articoli, ci sono molte auto ed elettrodomestici in panne che sarebbero sufficienti.
In termini di impatto sociale, la possibilità di accedere all'elettricità è un potente dispositivo che ha la capacità di aiutare a far uscire le comunità dalla povertà. Al contrario, è stato ripetutamente dimostrato che aiuta a perpetuare e ad ampliare il divario economico. È importante che l'energia sia gestita con rispetto e che non sia usata come strumento per impoverire ulteriormente gli sfortunati.
Materials
L'elenco seguente rappresenta i materiali di base necessari per realizzare un mulino a vento in casa o utilizzando materiali di scarto. Come William Kamkwamba ha mostrato ciò che è possibile e le persone ispirate sono il mondo, i materiali che ha usato per costruire il suo primo mulino a vento sono mostrati di seguito: [2]
- Ventilatore del trattore
- Ammortizzatore
- Telaio della bicicletta
- tubi di pvc
- Generatore di biciclette
- Pali di bambù
- Dinamo da bicicletta
- Cintura in gomma
- Pulegge
- Anello della catena della bicicletta
- Pistone
- Filo di rame
Se il mulino a vento è in costruzione e l'intento è immagazzinare elettricità, sono necessari anche i seguenti materiali: [3]
- Batterie a ciclo profondo 12V (Se l'utente intende immagazzinare energia elettrica)
- Regolatore di carica per regolare la carica della batteria
- Convertitore CC/CA
- Raddrizzatore a ponte (per garantire che l'elettricità scorra nelle batterie)
Tools
Se non ci sono vincoli sugli strumenti a portata di mano, sarebbe utile avere una sega, un cacciavite, viti, un martello, chiodi, rondelle, dadi e bulloni, una livella e un pennarello. Inoltre, il lavoro elettrico sarebbe più facile con pinze e anche misuratori di tensione, amperaggio e resistenza. Tuttavia, nelle zone rurali del mondo le persone sono costrette a essere più creative con le risorse disponibili. Ecco un paio di esempi di come questo è il caso: [4]
- Le lame piatte possono essere create tagliando longitudinalmente un tubo in PVC, utilizzando una sega o un dispositivo simile, e quindi riscaldando il tubo sul fuoco. Una volta caldo, può essere modellato in una lama lunga e piatta.
- Le rondelle possono essere realizzate martellando i tappi di bottiglia per appiattirli e quindi praticando un foro nel mezzo.
In queste circostanze chiodi, sassi, fuoco e legno diventano gli strumenti per costruire la turbina eolica. L'acciaio o le rocce possono essere usati come martelli e i raggi della bicicletta possono essere raschiati lungo una roccia per creare un bordo piatto e i sacchetti di plastica possono essere fusi per costruire una maniglia attorno a un'estremità. Inoltre si possono realizzare trapani ricavati da una pannocchia di mais come manico e da un chiodo espulsore. L'unghia può quindi essere riscaldata su un fuoco aperto finché non diventa incandescente e quindi essere utilizzata per penetrare attraverso determinati materiali.
Skills and Knowledge
Per beneficiare del potenziale di generazione di energia delle turbine eoliche, è importante capire quanto vento è disponibile in un determinato luogo. Una scala Beaufort fornisce un'indicazione della velocità del vento sulla base di vari indizi visivi. Sebbene questi indizi offrano indicazioni sulla velocità del vento al suolo, è probabile che vi sia una maggiore quantità di energia nel vento all'aumentare dell'altitudine. Questo si basa sullo strato limite che si sviluppa sulla superficie terrestre, insieme a vari ostacoli sul terreno che influenzano il flusso del vento. La scala Beaufort è fornita di seguito: [5]
Per ottenere un elenco più completo dei fattori di identificazione fisica, segui questo link.
Inoltre, per trasmettere l'elettricità generata da utilizzare per applicazioni come luci operatorie, radio o ricarica di batterie, è fondamentale avere una comprensione della teoria elettrica come la tensione e l'amperaggio richiesti per alimentare il dispositivo desiderato. Uno schema di questa conoscenza può essere trovato qui.
Technical Specifications
William è stato in grado di costruire il suo mulino a vento sulla base dello schema mostrato di seguito. [6] Fu poi montato su una grande torre da lui creata in legno. Nel complesso, la macchina ha un concetto abbastanza semplice, con i maggiori limiti che sono i materiali disponibili e l'accesso limitato agli strumenti. Attraverso i test, William ha scoperto che utilizzando il suo progetto, un mulino a vento a quattro pale era in grado di generare più potenza rispetto alla sua controparte a tre pale. [7]
Estimated Costs
William ha rivelato che la produzione del suo mulino a vento è costata circa $ 15 e che il generatore di biciclette era il più difficile da ottenere. [8] Una stima dei costi per i vari componenti è stata compilata sulla base di quanto ha potuto reperire gratuitamente in discarica o presso la famiglia.
Negli ambienti rurali, il costo delle parti varierà in modo significativo in base ai materiali che possono essere recuperati o devono essere acquistati localmente o dai villaggi vicini. Pertanto, è più appropriato offrire una gamma di costi previsti in base alla variabilità dell'accessibilità di determinati materiali. Sebbene questa sia puramente una stima, offre un'idea di quanto ci si potrebbe aspettare di pagare per le parti.
Come indicato, l'intervallo di costi è di circa $ 0 - $ 99 e fornisce un intervallo generale di costi del progetto basato su quanto può essere recuperato. Sulla base di queste stime, il budget di $ 15 di William sembra essere all'estremità inferiore dell'intervallo poiché è stato in grado di trovare la maggior parte dei suoi materiali da ciò che altri consideravano rifiuti.
Al di là del costo iniziale, l'energia sfruttata dal vento ha l'opportunità di diventare una tecnologia che genera reddito. I telefoni cellulari hanno fornito lavoro a molte persone che affittano i loro telefoni a persone che cercano di chiamare i mercati vicini per determinare il prezzo di vari beni. Allo stesso modo, l'energia può essere venduta a persone che cercano di ricaricare i propri telefoni cellulari o altre batterie che possono essere utilizzate per applicazioni di illuminazione o per ascoltare la radio.
Common Mistakes
Ci sono molte varianti al design del mulino a vento usato da William Kamkwamba e perfezionato in questa sezione. Tuttavia, esistono alcune varianti comunemente utilizzate che hanno un impatto negativo sulle prestazioni. Uno di questi esempi è l'utilizzo del legno come materiale per creare lame. Il legno è una scelta sbagliata in quanto è una sostanza più pesante e quindi richiede più energia per iniziare la rotazione e ottenere più spin. Altri materiali dovrebbero essere considerati.
Inoltre, è molto importante che le lame abbiano una forma uniforme in quanto ciò può causare oscillazioni. L'oscillazione si tradurrà in prestazioni ridotte e ridurrà la vita del mulino a vento sulla base di ulteriori vibrazioni. Le pale del mulino a vento dovrebbero anche essere posizionate in alto sopra tutti gli altri ostacoli per ottenere un flusso di vento più potente e consistente. Una buona regola empirica è quella di posizionare la turbina a un'altezza doppia rispetto a qualsiasi ostruzione vicina.
Other Designs
Se ti capita di avere accesso ad attrezzature aggiuntive come seghe e carta vetrata, allora potrebbe essere possibile utilizzare il design mostrato nel video qui sotto. Inoltre, assicurati di notare che la turbina eolica è in grado di ruotare e utilizza una coda per dirigere le pale nel vento.
References
- ^ Gorlov AM, Silantyev VM, Limits of the Turbine Efficiency for Free Fluid Flow, Journal of Energy Resources Technology - Dicembre 2001 - Volume 123, Numero 4, pp. 311-317.
- ↑ Kamkwamba, William. Il ragazzo che catturò il vento.fckLRWilliam Morrow, 2009.
- ↑ Costruisci una turbina eolica. Disponibile su: http://web.archive.org/web/20210101102628/http://makeawindturbine.com/ [Consultato il 9 aprile 2010].
- ↑ Il club dei praticanti. Disponibile su: http://web.archive.org/web/20100822115207/http://changeobserver.designobserver.com:80/entryprint.html?entry=10707 .[Consultato il 4 aprile 2010]
- ↑ La Scala Beaufort. Disponibile su: http://web.archive.org/web/20100822162021/http://gcaptain.com:80/maritime/blog/beaufort-scale-images [Consultato il 4 aprile 2010].
- ↑ Il club dei praticanti. Disponibile su: http://web.archive.org/web/20100822115207/http://changeobserver.designobserver.com:80/entryprint.html?entry=10707 .[Consultato il 4 aprile 2010]
- ↑ Kamkwamba, William. Il ragazzo che imbrigliava il vento. William Morrow, 2009.
- ↑ Accademia della leadership africana. Disponibile su: http://www.alagapyear.org/community/african_students/williamk.htmlfckLR [Consultato il 16 aprile 2010].