Optimized Blade Design for Homemade Windmills/pl

Dane projektu

Lokalizacja	Kingston , Kanada
Status	Zaprojektowany Modelowany
Manifest OKH	Pobierać

Celem tego projektu, stworzonego we współpracy z Mech425, jest określenie najlepszego kąta dla płaskich, jednolitych łopatek w odniesieniu do strumienia powietrza. Kąt łopatek powinien być zoptymalizowany, aby przekształcić jak najwięcej energii w ruch obrotowy. Płaskie łopatki są używane w połączeniu z turbinami o pionowej osi, a projekt jest zazwyczaj wybierany, gdy preferowana jest prostota lub gdy dostęp do narzędzi i materiałów jest ograniczony.

• Projekt został wybrany w celu zapewnienia wsparcia osobom zainteresowanym wytwarzaniem energii elektrycznej poprzez wykorzystanie wiatru
• Grupą docelową są osoby, których nie stać na modele dostępne w sprzedaży i które zdecydowały się na zbudowanie własnego

Wiatraki mają wiele funkcji i mogą być używane wszędzie tam, gdzie jest dostęp do wiatru. Wiatraki wykorzystują swoje łopatki do przekształcania energii wiatru w ruch obrotowy. Ten ruch obrotowy może być wykorzystany do bezpośredniej pracy lub ponownie przekształcony w energię elektryczną. Pierwotnie wiatraki były używane do mielenia w młynach. Obecnie nadal są używane w tym celu, ale rozszerzyły zakres swoich zastosowań o pompowanie wody i wytwarzanie energii elektrycznej. W krajach o mniejszym stopniu rozwoju gospodarczego energia elektryczna wytwarzana przez domowe wiatraki jest często wykorzystywana do ładowania baterii i telefonów komórkowych lub obsługi urządzeń oświetleniowych, radia i pomp irygacyjnych.

Nowoczesne turbiny wiatrowe, które są dostępne w sprzedaży, zostały dostosowane do konkretnych prędkości wiatru i są w stanie generować megawaty energii elektrycznej z każdej turbiny. Jednak domowe rozwiązania są często mało zaawansowane technologicznie i poddano je niewielkiej kontroli pod kątem optymalizacji. Niniejszy raport ma na celu określenie najlepszego kąta nachylenia łopatek względem nadchodzącego wiatru, aby wygenerować jak najwięcej energii elektrycznej.

William Kamkwamba jest fantastycznym przykładem osoby, która mogłaby skorzystać z analizy przedstawionej w tym raporcie. Był w stanie zbudować wiatrak, wykorzystując swoją pomysłowość i podejście prób i błędów. Z powodzeniem przekształcił otaczające go materiały odpadowe w funkcjonalny wiatrak, który oferuje zarówno światło, jak i nawadnianie. Jego praca zapewniła lepsze życie jego rodzinie i przyjaciołom, a jednocześnie zainspirowała ludzi na całym świecie. Jednak na podstawie swojego ograniczonego formalnego wykształcenia nie uwzględnił obliczeń inżynieryjnych w celu zoptymalizowania projektu. Ponieważ coraz więcej osób próbuje wykorzystać potencjał wiatru, istnieje ogromna wartość w optymalizacji tych urządzeń w celu zmaksymalizowania ich korzyści społecznych.

Więcej informacji o Williamie i jego inspirującej historii można znaleźć poniżej:

Zalety płaskich ostrzy

Płaskie ostrza są mniej powszechne niż inne konstrukcje, ale oferują znaczące korzyści, szczególnie w obszarach o niskich dochodach lub oddalonych. Poniżej znajduje się lista korzyści oferowanych przez wykorzystanie płaskich ostrzy:

• Łatwy w budowie
• Wymagana mniejsza wiedza na temat projektu i lokalizacji
• Podczas budowy potrzeba mniej sprzętu i czasu
• Łatwiejsze zapewnienie, że ostrza mają jednolity kształt i rozmiar

Obliczenia inżynierskie

Energię kinetyczną zgromadzoną w wietrze można obliczyć zgodnie z zasadą Bernoulliego:

E = 1 / 2( m * v ² )

Aby znaleźć energię wiatru, musimy znaleźć masę walca. Opiera się ona na objętości walca pomnożonej przez gęstość płynu:

m = ρ * V

Całkowita objętość cieczy reprezentowana przez kolumnę cylindryczną wynosi:

V = A * L

Możemy obliczyć pole podstawy walca w następujący sposób:

A = 1 / 4(π * D ² )

Długość cylindra oznacza ilość płynu, która przeszła przez obszar zamiatania wiatraka. Oblicza się ją, mnożąc prędkość wiatru przez czas:

L = v * t

Można to uprościć w następujący sposób:

KE = 1 / 8(ρ * π * re ² ) * v ³ * t

Wreszcie, moc wiatru to po prostu energia na jednostkę czasu

P = π / 8(ρ * D ² * v ³ )

Jak wykazano, moc wiatru jest ściśle związana z prędkością powietrza i w mniejszym stopniu ze średnicą łopatek. Ilość energii w płynie jest związana z prędkością płynu podniesioną do sześcianu i wskazuje na znaczenie dużych prędkości wiatru. Dlatego też, aby zwiększyć wydajność energetyczną, najważniejszym czynnikiem jest znalezienie miejsca o dużych prędkościach wiatru. Można to osiągnąć, tworząc wieżę w celu umieszczenia wiatraka w bardziej podwyższonym miejscu. Pomoże to zmniejszyć wpływ wszelkich przeszkód z poziomu gruntu. Rozmiar łopatek turbiny jest również ważny i należy go również rozważyć jako metodę uzyskania większej mocy.

Maksymalna możliwa wydajność

Limit Betza został opracowany przez Alberta Betza i ma reprezentować maksymalną możliwą energię, jaką urządzenie może uzyskać ze strumienia płynu przy danej prędkości. W przypadku wiatraka maksymalną teoretyczną wydajność cienkiego wirnika można znaleźć na podstawie następujących założeń:

• Wirnik jest uważany za idealny, ponieważ posiada nieskończoną liczbę łopatek i nie stawia oporu.
• Przepływ do i z wirnika jest osiowy i zgodny z równaniami zachowania.
• Płyn modelowany jest na podstawie przepływu nieściśliwego.

Granica Betza przewiduje, że teoretyczna maksymalna wartość współczynnika mocy wynosi 0,593. Oznacza to, że teoretyczna granica mocy usuniętej z płynu wynosi 59,3%. Dla porównania, komercyjne turbiny wiatrowe są obecnie w stanie osiągnąć 40-50% konwersji ze względu na niewielkie nieefektywności związane z konstrukcją łopatek i procesem mechanicznym. ^{[ 1 ]}

Optymalny kąt ostrzy

Ilość energii dostępnej w strumieniu płynu została wskazana poniżej i jest ściśle związana zarówno z prędkością płynu, jak i powierzchnią zamiataną łopatek. Innym ważnym składnikiem jest to, ile energii można uzyskać z nadchodzącego płynu. W przypadku płaskich łopatek kąt, pod jakim łopatki wiatraka są nachylone w stosunku do strumienia płynu, określi, ile energii można przekształcić w ruch obrotowy, a następnie przechwycić przez system w celu wykonania sensownej pracy. Optymalny kąt został obliczony poniżej:

Ciśnienie wiatru to siła wywierana przez wiatr na jednostkę powierzchni łopat i jest dana wzorem: P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v ²

• Gdzie c jest stałą i wynosi 1,0 dla długich, płaskich płyt.

Siła wiatru działająca na łopatę wiatraka opiera się na ciśnieniu wiatru pomnożonym przez powierzchnię łopaty zwróconą w kierunku nadchodzącego przepływu. W przypadku, gdy łopata jest pochylona pod kątem do nadchodzącego strumienia powietrza, powierzchnia łopaty wystawiona na działanie płynu jest zmniejszana o współczynnik sin θ . W związku z tym obliczenia ciśnienia wiatru są mnożone przez A * sin θ , aby uzyskać siłę wiatru działającą na łopaty. Ponadto siła wiatru przekształcona w ruch obrotowy jest związana z kątem łopaty w stosunku do nadchodzącego przepływu płynu. Ta zależność jest podana przez współczynnik cos θ .

Ponadto łopatki napotkają współczynnik oporu związany z kątem łopatek, gdy obracają się wokół własnej osi prostopadle do nadchodzącego strumienia cieczy. Ten współczynnik oporu będzie reprezentowany przez D * cos θ .

W związku z tym łączone obliczenia służące określeniu równowagi sił na łopatkach wyglądają następująco:

F = ρ * v ² * A * grzech θ * sałata θ * D * cos θ

Ważną relacją, którą należy zauważyć, jest relacja między siłą a θ . Łączny bilans sił wskazuje na relację między siłą a sin θ * cos θ * cos θ .

W rezultacie optymalne nachylenie łopatek zapewniłoby taki kąt przepływu powietrza, że ​​sin θ * cos θ * cos θ jest maksymalny. Wartość ta została przedstawiona na poniższym wykresie, aby pokazać, jak wartość zmienia się, gdy θ jest dostosowywane. 

Kąt jest regulowany w radianach i wydaje się wskazywać maksymalną wartość około 0,62 radianów, czyli około 35,5 stopnia. Przekłada się to na maksymalną konwersję 38,5% siły wiatru na ruch obrotowy. Dlatego łopaty powinny być pochylone pod kątem około 35,5 stopnia od nadchodzącego strumienia powietrza, aby uzyskać optymalną ilość energii przy użyciu wiatraków z płaskimi łopatami.

Przewidziano analizę obliczeniową dynamiki płynów (CFD) dla tego kąta łopatki, aby zbadać rozkład ciśnienia i przepływ powietrza podczas przechodzenia przez łopatki. Niestety licencja na oprogramowanie CFD, Fluent, wygasła. Poniżej zamieszczono siatkowy model konstrukcji łopatki, wykorzystujący program Gambit.

Ukończona analiza CFD zostanie opublikowana w chwili udostępnienia dostępu do Fluent lub podobnego oprogramowania.

Rozważania regionalne

Regiony docelowe dla tej technologii to miejsca, w których ludzie mają ograniczony dostęp do narzędzi lub materiałów, takie jak Afryka Subsaharyjska. Ponadto obszar ten musi mieć dostęp do rozsądnych zasobów wiatru i dostępu do pewnych kluczowych materiałów. Materiały te obejmują wiele zaawansowanych technologicznie materiałów, takich jak generatory i silniki. Można je jednak znaleźć na złomowiskach, o ile są funkcjonalne i spełniają swoje podstawowe wymagania. Podczas gdy wiele osób nie stać na te przedmioty, istnieje wiele zepsutych samochodów i urządzeń, które byłyby wystarczające.

Jeśli chodzi o wpływ społeczny, dostęp do elektryczności jest potężnym narzędziem, które ma zdolność do pomocy społecznościom w wyjściu z ubóstwa. Z drugiej strony, wielokrotnie wykazano, że pomaga utrwalać i poszerzać podział ekonomiczny. Ważne jest, aby energia była traktowana z szacunkiem i aby nie była wykorzystywana jako narzędzie do dalszego zubożenia nieszczęśników.

Materiały

Poniższa lista przedstawia podstawowe materiały potrzebne do zbudowania wiatraka w domu lub przy użyciu złomu. Jak pokazał William Kamkwamba, co jest możliwe i zainspirował ludzi na całym świecie, materiały, których użył do zbudowania swojego pierwszego wiatraka, są pokazane poniżej: ^{[ 2 ]}

Jeżeli wiatrak jest budowany i ma służyć magazynowaniu energii elektrycznej, wymagane są również następujące materiały: ^{[ 3 ]}

• Akumulatory głębokiego rozładowania 12V (jeśli użytkownik zamierza magazynować energię elektryczną)
• Kontroler ładowania do regulacji stopnia naładowania akumulatora
• Konwerter DC/AC
• Mostek prostowniczy (zapewniający dopływ prądu do akumulatorów)

Narzędzia

Jeśli nie ma ograniczeń co do dostępnych narzędzi, to warto mieć piłę, śrubokręt, śruby, młotek, gwoździe, podkładki, nakrętki i śruby, poziomicę i marker. Ponadto prace elektryczne byłyby łatwiejsze przy użyciu szczypiec, a także mierników napięcia, natężenia prądu i rezystancji. Jednak w wiejskich częściach świata ludzie są zmuszeni do większej kreatywności w zakresie dostępnych zasobów. Oto kilka przykładów, jak to się dzieje: ^{[ 4 ]}

• Płaskie ostrza można utworzyć, przecinając rurę PVC wzdłuż, używając piły lub podobnego urządzenia, a następnie podgrzewając rurę nad ogniem. Po rozgrzaniu można ją uformować w długie, płaskie ostrze.
• Podkładki można wykonać poprzez spłaszczenie zakrętki i przebicie otworu na środku.

W takich okolicznościach gwoździe, skały, ogień i drewno stają się narzędziami do budowy turbiny wiatrowej. Stal lub skały mogą być używane jako młotki, a szprychy rowerowe można zeskrobać po skale, aby utworzyć płaską krawędź, a plastikowe torby można stopić, aby zbudować uchwyt wokół jednego końca. Ponadto wiertła można wykonać z kolby kukurydzy jako uchwyt i wytłaczany gwóźdź. Gwóźdź można następnie podgrzać nad otwartym ogniem, aż stanie się czerwony, a następnie użyć go do przebicia niektórych materiałów.

Umiejętności i wiedza

Aby skorzystać z potencjału wytwarzania energii przez turbiny wiatrowe, ważne jest zrozumienie, ile wiatru jest dostępne w danym miejscu. Skala Beauforta dostarcza wskazówek dotyczących prędkości wiatru na podstawie różnych wskazówek wizualnych. Podczas gdy wskazówki te dostarczają wskazówek dotyczących prędkości wiatru na ziemi, prawdopodobnie wraz ze wzrostem wysokości w wietrze jest większa ilość energii. Opiera się to na warstwie granicznej, która rozwija się na powierzchni Ziemi, wraz z różnymi przeszkodami na ziemi, które wpływają na przepływ wiatru. Skala Beauforta jest podana poniżej: ^{[ 5 ]}

Aby uzyskać pełniejszą listę fizycznych cech identyfikacyjnych, kliknij ten link.

Ponadto, aby przesłać wygenerowaną energię elektryczną do wykorzystania w aplikacjach, takich jak oświetlenie, radia lub ładowanie baterii, kluczowe jest zrozumienie teorii elektryczności, takiej jak wymagane napięcie i natężenie prądu do zasilania pożądanego urządzenia. Zarys tej wiedzy można znaleźć tutaj.

Dane techniczne

William był w stanie zbudować swój wiatrak na podstawie schematu pokazanego poniżej. ^{[ 6 ]} Następnie został on zamontowany na dużej wieży, którą stworzył z drewna. Ogólnie rzecz biorąc, maszyna jest dość prosta w koncepcji, a głównymi ograniczeniami są dostępne materiały i ograniczony dostęp do narzędzi. Podczas testów William odkrył, że przy użyciu jego projektu wiatrak z czterema łopatami jest w stanie wygenerować więcej mocy niż jego odpowiednik z trzema łopatami. ^{[ 7 ]}

Koszty szacunkowe

William ujawnił, że wyprodukowanie jego wiatraka kosztowało około 15 dolarów, a generator rowerowy był najtrudniejszy do zdobycia. ^{[ 8 ]} Szacunkowe koszty poszczególnych elementów zostały sporządzone na podstawie tego, co udało mu się znaleźć bezpłatnie na złomowisku lub od rodziny.

In rural settings, the cost for the parts will vary significantly based on the materials that can be salvaged or must be purchased either locally or from neighbouring villages. Therefore, it is more appropriate to offer a range of anticipated costs based on the variability of how accessible certain materials are. While this is purely an estimate, it offers an idea as to how much one might expect to pay for the parts.

As indicated, the range of costs is approximately $0 - $99 and provides a general range of project costs based on how much can be salvaged. Based on these estimates, William's $15 budget appears to be at the lower end of the range as he was able to find the majority of his materials from what others considered to be waste.

Beyond the initial cost, the power harnessed from the wind has an opportunity to become an income generating technology. Cell phones have provided jobs to many people who rent their phones to individuals looking to call neighboring markets to determine the price for various goods. Similarly, power can be sold to people looking to charge their cell phones or other batteries that can be used for lighting applications or to listen to radios. 

Common Mistakes

There are many variations to the windmill design used by William Kamkwamba and refined throughout this section. However, there are some variations that are commonly used and have a negative impact on performance. One of these examples is using wood as the material to create blades. Wood is a poor choice as it is a heavier substance and therefore requires more energy to begin rotation and achieve more spin. Other materials should be considered.

Also, it is very important that blades are evenly shaped as this can cause a wobble to occur. The wobble will result in reduced performance and will shorten the windmill's life based on additional vibrations. The windmill blades should also be placed high above all other obstructions in order to obtain a more powerful and consistent wind stream. A good rule of thumb is to place the turbine twice as high as any nearby obstructions.

Other Designs

If you happen to have access to additional equipment such as saws and sand paper, then it may be possible to use the design showcased in the video below. Also, be sure to note that the wind turbine is able to pivot and uses a tail to direct the blades into the wind.

References

Dane strony

Część	Mech425
Słowa kluczowe	inżynieria , energia wiatru
Cel Zrównoważonego Rozwoju	SDG07 Przystępna cenowo i czysta energia
Autorski	Howard Swartz
Licencja	CC-BY-SA-3.0
Organizacje	Uniwersytet Królowej
Język	Angielski (pl)
Tłumaczenia	Włoski , Hindi , Francuski , Hiszpański , Niemiecki , Koreański , Polski , Holenderski , Rosyjski
Powiązany	9 podstron , 23 strony link tutaj
Uderzenie	49 480 odsłon ( więcej )
Stworzony	3 kwietnia 2010 przez Howard Swartz
Ostatnia modyfikacja	6 marca 2024 r. przez 14.139.204.210
Cytuj jako	Howard Swartz (2010–2024). „Zoptymalizowany projekt łopatek do domowych wiatraków” . Appropedia . Pobrano 12 marca 2025 r .
Zapytania API	podstawowy , semantyczny , html , pliki , więcej