Optimized Blade Design for Homemade Windmills/ru

Данные проекта

Расположение	Кингстон , Канада
Статус	Разработано Смоделировано
Манифест ОКХ	Скачать

Целью этого проекта, созданного совместно с Mech425, является определение наилучшего угла для плоских, однородных лопастей по отношению к воздушному потоку. Угол лопастей должен быть оптимизирован для преобразования наибольшего количества энергии во вращательное движение. Плоские лопасти используются в сочетании с турбинами с вертикальной осью, и конструкция обычно выбирается, когда предпочтительна простота или когда доступ к инструментам и расходным материалам ограничен.

• Проект был выбран для оказания поддержки лицам, желающим вырабатывать электроэнергию путем использования энергии ветра.
• Целевая аудитория — люди, которые не могут позволить себе коммерчески доступные модели и решили собрать свой собственный

Ветряные мельницы имеют много функций и могут работать везде, где есть доступ к ветру. Ветряные мельницы используют свои лопасти для преобразования энергии ветра во вращательное движение. Это вращательное движение может либо использоваться для прямой работы, либо снова преобразовываться в электричество. Первоначально ветряные мельницы использовались для выполнения помола на мельницах. Сегодня они все еще используются для этой цели, но расширили спектр своего использования до перекачивания воды и выработки электроэнергии. В менее экономически развитых странах электричество, вырабатываемое самодельными ветряными мельницами, часто используется для зарядки аккумуляторов и мобильных телефонов или для работы осветительных приборов, радиоприемников и ирригационных насосов.

Современные ветровые турбины, которые имеются в продаже, были адаптированы для работы с определенными скоростями ветра и способны генерировать мегаватты электроэнергии с каждой турбины. Однако самодельные решения часто являются низкотехнологичными и не подвергались тщательной проверке с точки зрения оптимизации. Целью этого отчета является определение наилучшего угла наклона лопастей по отношению к набегающему ветру для генерации наибольшего количества электроэнергии.

Уильям Камквамба — фантастический пример человека, которому может быть полезен анализ, представленный в этом отчете. Он смог построить ветряную мельницу, используя свою изобретательность и метод проб и ошибок. Он успешно превратил отходы вокруг себя в функциональную ветряную мельницу, которая обеспечивает как свет, так и орошение. Его работа обеспечила лучшую жизнь его семье и друзьям, одновременно вдохновляя людей по всему миру. Однако, основываясь на своем ограниченном формальном образовании, он не включил инженерные расчеты для оптимизации конструкции. Поскольку все больше людей пытаются использовать потенциал ветра, оптимизация этих устройств для максимизации их общественной выгоды имеет большое значение.

Более подробную информацию об Уильяме можно найти ниже, прочитав его вдохновляющую историю:

Преимущества плоских лезвий

Плоские лезвия менее распространены, чем другие конструкции, но предлагают значительные преимущества, особенно в районах с низким доходом или в отдаленных районах. Ниже приведен список преимуществ, предлагаемых при использовании плоских лезвий:

• Легко построить
• Требуется меньше проектирования и местных знаний
• При строительстве требуется меньше оборудования и времени
• Легче обеспечить постоянную форму и размер лезвий

Инженерные расчеты

Кинетическую энергию, запасенную в ветре, можно найти согласно принципу Бернулли:

КЭ = 1 / 2( м * v ² )

Чтобы найти энергию ветра, мы должны найти массу цилиндра. Она основана на объеме цилиндра, умноженном на плотность жидкости:

м = ρ * V

Общий объем жидкости, представленной цилиндрическим столбом, составляет:

В = А * Л

Площадь основания цилиндра можно вычислить по формуле:

А = 1 / 4(π * D ² )

Длина цилиндра представляет собой количество жидкости, прошедшее через площадь ометаемой поверхности ветряной мельницы. Это вычисляется путем умножения скорости ветра на время:

Л = v * т

Это можно упростить следующим образом:

КЭ = 1/8(ρ * π * D ² ) * v ³ * t

Наконец, мощность ветра — это просто энергия в единицу времени.

P = π / 8(ρ * D ² * v ³ )

Как показано, мощность ветра тесно связана со скоростью воздуха и в меньшей степени с диаметром лопастей. Количество энергии в жидкости связано со скоростью жидкости в кубе и указывает на важность высоких скоростей ветра. Поэтому для увеличения выработки энергии наиболее важным фактором является поиск места с высокими скоростями ветра. Этого можно достичь, построив башню, чтобы разместить ветряную мельницу на более возвышенном месте. Это поможет уменьшить влияние любых препятствий с уровня земли. Размер лопастей турбины также важен и должен также рассматриваться как метод достижения большей мощности.

Максимально возможная эффективность

Предел Беца был разработан Альбертом Бецом и призван представлять максимально возможную энергию, которую устройство может получить из потока жидкости с заданной скоростью. В случае ветряной мельницы максимальная теоретическая эффективность тонкого ротора может быть найдена на основе следующих предположений:

• Ротор считается идеальным, имеющим бесконечное число лопастей и не имеющим сопротивления.
• Поток в ротор и из него является осевым и соответствует уравнениям сохранения.
• Жидкость моделируется на основе несжимаемого потока.

Предел Беца предсказал теоретическое максимальное значение коэффициента мощности 0,593. Это означает, что теоретический предел мощности, извлекаемой из жидкости, составляет 59,3%. Для сравнения, коммерческие ветровые турбины в настоящее время способны достичь 40–50% преобразования из-за небольшой неэффективности, связанной с конструкцией лопастей и механическим процессом. ^{[ 1 ]}

Оптимальный угол наклона лопастей

Количество энергии, доступной в потоке жидкости, указано ниже и тесно связано как со скоростью жидкости, так и с площадью лопастей. Другим важным компонентом является то, сколько энергии можно извлечь из набегающей жидкости. Для плоских лопастей угол наклона лопастей ветряной мельницы по сравнению с потоком жидкости будет определять, сколько энергии может быть преобразовано во вращательное движение и затем захвачено системой для значимой работы. Оптимальный угол был рассчитан ниже:

Давление ветра — это величина силы, действующей на единицу площади лопастей, и определяется по формуле: P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v ²

• Где c — константа, равная 1,0 для длинных плоских пластин.

Сила ветра, действующая на лопасть ветряной мельницы, основана на давлении ветра, умноженном на площадь лопасти, обращенной к набегающему потоку. В случае, если лопасть наклонена под углом к ​​набегающему потоку воздуха, площадь лопасти, подвергающаяся воздействию жидкости, уменьшается на коэффициент sin θ . Таким образом, расчет давления ветра умножается на A * sin θ , чтобы получить силу ветра на лопастях. Кроме того, сила ветра, преобразованная во вращательное движение, связана с углом лопасти по отношению к набегающему потоку жидкости. Эта связь задается коэффициентом cos θ .

Кроме того, лопасти будут сталкиваться с коэффициентом сопротивления, связанным с углом лопастей, поскольку они вращаются вокруг своей оси, перпендикулярной набегающему потоку жидкости. Этот коэффициент сопротивления будет представлен как D * cos θ .

Таким образом, совокупный расчет для определения баланса сил на лопастях выглядит следующим образом:

F = ρ * v ² * A * sin θ * cos θ * D * cos θ

Важно отметить связь между силой и θ . Баланс объединенных сил указывает на связь между силой и sin θ * cos θ * cos θ .

В результате оптимальный наклон лопастей обеспечит угол к воздушному потоку, при котором sin θ * cos θ * cos θ будет максимальным. Это значение представлено на графике ниже, чтобы показать, как значение изменяется при регулировке θ .

Угол регулируется в радианах и, по-видимому, указывает на максимальное значение около 0,62 радиана или около 35,5 градусов. Это означает максимальное преобразование 38,5% силы ветра во вращательное движение. Поэтому лопасти должны быть наклонены под углом около 35,5 градусов к набегающему потоку воздуха, чтобы получить оптимальное количество энергии с помощью ветряных мельниц с плоскими лопастями.

Для этого угла лопасти был предназначен расчетный гидродинамический анализ (CFD), чтобы исследовать распределение давления и поток воздуха при прохождении лопастей. К сожалению, лицензия на программное обеспечение CFD Fluent истекла. Сетчатая модель конструкции лопасти, с использованием программы Gambit, была включена ниже.

Завершенный анализ CFD будет опубликован, как только станет доступен Fluent или эквивалентная программа.

Региональные соображения

Целевыми регионами для этой технологии являются места, где люди имеют ограниченный доступ к инструментам или расходным материалам, например, Африка к югу от Сахары. Кроме того, в этом районе должен быть доступ к разумным ветровым ресурсам и определенным ключевым материалам. К этим материалам относятся многие технологически продвинутые материалы, такие как генераторы и двигатели. Однако их можно найти на свалках, если они функциональны и могут соответствовать своим основным требованиям. Хотя многие люди не могут позволить себе эти предметы, есть много сломанных автомобилей и приборов, которых было бы достаточно.

С точки зрения социального воздействия, возможность доступа к электричеству является мощным инструментом, который может помочь вывести сообщества из нищеты. С другой стороны, неоднократно было показано, что это помогает увековечивать и расширять экономический разрыв. Важно, чтобы с энергией обращались с уважением и чтобы она не использовалась как инструмент для дальнейшего обнищания несчастных.

Материалы

Следующий список представляет основные материалы, необходимые для изготовления ветряной мельницы в домашних условиях или из подручных материалов. Как показал Уильям Камквамба, что возможно, и вдохновил людей по всему миру, материалы, которые он использовал для строительства своей первой ветряной мельницы, показаны ниже: ^{[ 2 ]}

Если строится ветряная мельница и предполагается ее хранение для хранения электроэнергии, то также потребуются следующие материалы: ^{[ 3 ]}

• Аккумуляторы глубокого разряда 12 В (если пользователь намерен хранить электроэнергию)
• Контроллер заряда для регулирования уровня заряда аккумулятора
• Преобразователь постоянного тока в переменный
• Мостовой выпрямитель (для обеспечения подачи электроэнергии в батареи)

Инструменты

Если нет ограничений по инструментам под рукой, то было бы полезно иметь пилу, отвертку, винты, молоток, гвозди, шайбы, гайки и болты, уровень и маркер. Кроме того, электромонтажные работы было бы проще выполнять с помощью плоскогубцев, а также измерителей напряжения, силы тока и сопротивления. Однако в сельских районах мира люди вынуждены быть более креативными с имеющимися ресурсами. Вот несколько примеров того, как это происходит: ^{[ 4 ]}

• Плоские лезвия можно создать, разрезав ПВХ-трубу вдоль, используя пилу или подобное устройство, а затем нагрев трубу на огне. После нагревания ее можно отформовать в длинное плоское лезвие.
• Шайбы можно изготовить, выбивая пробки из бутылок молотком, чтобы они стали плоскими, а затем пробивая в них отверстие посередине.

В этих обстоятельствах гвозди, камни, огонь и дерево становятся инструментами для строительства ветряной турбины. Сталь или камни можно использовать в качестве молотков, а спицы велосипеда можно царапать по камню, чтобы создать плоский край, а пластиковые пакеты можно расплавить, чтобы сделать ручку вокруг одного конца. Кроме того, можно сделать сверла из кукурузного початка в качестве ручки и выдавливаемого гвоздя. Затем гвоздь можно нагреть на открытом огне, пока он не станет красным, а затем использовать для проникновения через определенные материалы.

Навыки и знания

Чтобы извлечь выгоду из потенциала генерации энергии ветряными турбинами, важно понимать, сколько ветра доступно в данном месте. Шкала Бофорта дает представление о скорости ветра на основе различных визуальных подсказок. Хотя эти подсказки дают представление о скорости ветра на земле, по мере увеличения высоты в ветре, вероятно, большее количество энергии. Это основано на пограничном слое, который развивается на поверхности Земли, а также на различных препятствиях на земле, которые влияют на поток ветра. Шкала Бофорта приведена ниже: ^{[ 5 ]}

Для получения более полного списка физических идентификационных факторов перейдите по этой ссылке.

Кроме того, для передачи вырабатываемой электроэнергии для использования в таких приложениях, как управление освещением, радио или зарядка аккумуляторов, крайне важно иметь понимание теории электричества, например, требуемого напряжения и силы тока для питания желаемого устройства. Краткое изложение этих знаний можно найти здесь.

Технические характеристики

Уильям смог построить свою ветряную мельницу на основе схемы, показанной ниже. ^{[ 6 ]} Затем она была установлена ​​на большой башне, которую он создал из дерева. В целом, машина довольно проста по своей концепции, а основными ограничениями являются доступные материалы и ограниченный доступ к инструментам. В ходе испытаний Уильям обнаружил, что при использовании его конструкции ветряная мельница с четырьмя лопастями способна генерировать больше энергии, чем ее аналог с тремя лопастями. ^{[ 7 ]}

Оценочные расходы

Уильям сообщил, что стоимость его ветряной мельницы составила около 15 долларов, а велосипедный генератор было труднее всего достать. ^{[ 8 ]} Оценка стоимости различных компонентов была составлена ​​на основе того, что ему удалось найти бесплатно на свалке или у семьи.

В сельской местности стоимость деталей будет существенно различаться в зависимости от материалов, которые можно спасти или которые нужно купить либо на месте, либо в соседних деревнях. Поэтому более уместно предложить диапазон ожидаемых затрат, основанный на изменчивости доступности определенных материалов. Хотя это всего лишь оценка, она дает представление о том, сколько можно ожидать заплатить за детали.

Как указано, диапазон расходов составляет приблизительно от 0 до 99 долларов и представляет собой общий диапазон расходов на проект, основанный на том, сколько можно спасти. Исходя из этих оценок, бюджет Уильяма в 15 долларов, по-видимому, находится на нижней границе диапазона, поскольку он смог найти большую часть своих материалов из того, что другие считали отходами.

Помимо первоначальной стоимости, энергия, полученная от ветра, может стать технологией, приносящей доход. Сотовые телефоны дали работу многим людям, которые сдают свои телефоны в аренду людям, желающим позвонить на соседние рынки, чтобы узнать цены на различные товары. Аналогичным образом, электроэнергию можно продавать людям, желающим зарядить свои мобильные телефоны или другие батареи, которые можно использовать для освещения или прослушивания радио. 

Распространенные ошибки

Существует множество вариаций конструкции ветряной мельницы, использованной Уильямом Камквамбой и усовершенствованной в этом разделе. Однако есть некоторые вариации, которые используются повсеместно и оказывают отрицательное влияние на производительность. Одним из таких примеров является использование дерева в качестве материала для создания лопастей. Дерево — плохой выбор, поскольку оно более тяжелое и, следовательно, требует больше энергии для начала вращения и достижения большего вращения. Следует рассмотреть другие материалы.

Также очень важно, чтобы лопасти имели ровную форму, так как это может привести к колебанию. Колебание приведет к снижению производительности и сократит срок службы ветряной мельницы из-за дополнительных вибраций. Лопасти ветряной мельницы также должны быть размещены высоко над всеми другими препятствиями, чтобы получить более мощный и постоянный поток ветра. Хорошее практическое правило — размещать турбину в два раза выше любых близлежащих препятствий.

Другие проекты

Если у вас есть доступ к дополнительному оборудованию, такому как пилы и наждачная бумага, то, возможно, вы сможете использовать конструкцию, показанную в видео ниже. Также, обязательно обратите внимание, что ветряная турбина может поворачиваться и использует хвост, чтобы направлять лопасти навстречу ветру.

Ссылки

Данные страницы

Часть	Мех425
Ключевые слова	инжиниринг , ветроэнергетика
ЦУР	SDG07 Доступная и чистая энергия
Авторы	Говард Шварц
Лицензия	CC-BY-SA-3.0
Организации	Университет Квинс
Язык	Английский (en)
Переводы	Итальянский , хинди , французский , испанский , корейский , польский , немецкий , голландский
Связанный	8 подстраниц , 22 страницы ссылка здесь
Влияние	49,395 просмотров страниц ( еще )
Созданный	3 апреля 2010 г. Говард Шварц
Последнее изменение	6 марта 2024 г. от 14.139.204.210
Цитировать как	Говард Шварц (2010–2024). «Оптимизированная конструкция лопастей для самодельных ветряных мельниц» . Appropedia . Получено 17 февраля 2025 г. .
API-запросы	базовый , семантический , html , файлы , больше