Відділ механізації

Промисловий вітрогенератор потужністю 2 кВт компанії AVIC

Вибір потужності вітряної електростанції

Напевно багатьом з тих, хто читає цю статтю, не захочеться обмежуватися будівництвом вітрогенератора для живлення холодильника та освітлення дачі, а відразу побудувати таку електростанцію, щоб живити нею не тільки акумуляторні батареї, але й батареї опалення або бойлер для гарячої води. Але така потужна електростанція буде надзвичайно складна у виготовленні, адже ускладнення конструкції із зростанням потужності зростає навіть не в квадраті, а мало не в кубі!

Вітрогенератор своїми руками ІІ частина

Як приклад вітряної електростанції потужністю всього 2 кВт можна привести промисловий вітрогенератор W-HR2 міжнародної компанії AVIC (зображений на фото). Цей вітрогенератор номінальною потужністю 2 кВт має ротор діаметром 3,2 м з аеродинамічними металевими лопатями, міцну сталеву щоглу висотою 8 м на масивному залізобетонному фундаменті. Монтаж вузлів проводиться за допомогою автокрана. Очевидно, що розрахунок і виготовлення подібного вітрогенератора складно навіть для окремих спеціалізованих фірм, і практично нереально силами однієї людини-непрофесіонала для спорудження такого вітряка своїми руками.

Таблиця 1. Залежність потужності вітрогенератора від кількості лопатей і діаметра вітроколеса при швидкості вітру 4 м \ с

У табл. 1 показано залежність потужності вітроколеса крильчатого типу від його діаметра і кількості лопатей. Або іншими словами, якими довгими потрібно взяти лопаті певного вітроколеса, щоб отримати потрібну потужність. Дані в цій таблиці грунтуються на практичних випробуваннях експлуатованих вітрогенераторів, у яких КВЕВ (коефіцієнт використання енергії вітру) вітроколеса дорівнює 0,35 (профіль середньої якості), ККД генератора має значення 0,8 і ККД редуктора — 0,9.

Залежність потужності вітрогенератора від швидкості вітру для вітряка потужністю 240 Вт
Для когось ці дані можуть на перший погляд здатися занадто завищеними. Так, для прикладу, з табл. 1 видно, що для будівництва вітряної електростанції потужністю 500 Вт з трьома лопатями, діаметр вітроколеса повинен бути рівним 11,48 м. Але не варто лякатися цієї цифри, оскільки дані наведені для слабкого вітру 4 м/с. Це звичайний вітер для рівнинної місцевості далеко від моря.

При цьому із зростанням швидкості вітру потужність вітряної електростанції збільшується. На рис. показано таку залежність для електростанції номінальною потужністю 240 Вт. З графіка видно, що при мінімальному вітрі 4 м/с (при якому електростанція починає працювати), потужність становить всього 30 Вт Але потужність вітроелектростанції пропорційна швидкості вітру в кубі. Тобто при збільшенні швидкості вітру в два рази до максимальної робочої швидкості 8 м/с, потужність вітряної електростанції збільшується в 2³=8 раз або з 30 Вт до повної потужності 240 Вт. При більшій швидкості вітру робота вітрової станції повинна обмежуватися.

Вцілому, грунтуючись на практичному досвіді можна зробити висновок, що відносно нескладний саморобний вітрогенератор буде мати потужність в межах 200-500 Вт. Це свого роду «золота середина». Рідко індивідуальним конструкторам вдається зібрати більш потужний вітрогенератор своїми руками, який реально буде працювати.

Форма лопатей старих вітряків є неефективною

Вибір конструкції вітроколеса

Вітряне колесо — найважливіша частина вітрогенератора. Саме воно перетворює енергію вітру в механічну. І від його конструкції залежить вибір всіх інших вузлів, наприклад, генератора електричного струму.

Напевно, всім добре знайома форма вітряних коліс старовинних вітряків. Це як раз той випадок-виняток, коли все забуте старе не завжди добре. Такі вітроколеса вітряка мають дуже низький КВЕВ порядку 0,10-0,15, що набагато менше КВЕВ сучасних швидкохідних крильчастих коліс, який досягає 0,46. Все тому, що низькі пізнання в аеродинаміці старовинних майстрів не дозволяли їм сконструювати досконалішу конструкцію.

На малюнку зображено робота двох типів лопатей: вітрильної (1) і крильчатої (2). Для того щоб зробити вітрильну лопать (1), досить просто прикріпити листовий матеріал до осі, розташувавши під кутом до вітру, тобто за аналогією з вітряними млинами давнини. Але при обертанні такої лопаті вона буде мати значний аеродинамічний опір, який зростає із збільшенням кута атаки. Також на її кінцях утворюються завихрення, і за лопаттю виникає зона зниженого тиску. Все це робить вітрильні лопаті неефективними вітровими рушіями.

Порівняння роботи лопатей при парусній (1) і крильчатій (2) формі Профіль лопаті крильчатого гвинта

Набагато ефективнішою є лопать крильчатого типу (2). При такій формі лопаті, яка схожа на крило літака, втрати від тертя і розрідження зведені до мінімуму. Що стосується кута атаки лопаті, то на практиці встановлено, що найбільш оптимальний кут становить 10-12º. При більшому куті атаки приріст потужності в результаті більш високого тиску вітру на лопать не покривається ростом аеродинамічних втрат.

Промислові електростанції на березі Північного моря з використанням лопат крильчатого типу Звичайно, є багато інших цікавих типів вітрових двигунів, наприклад, вертикально-осьові ротори Савоніуса або ротори Дар'є. Але всі вони мають більш низькі коефіцієнти використання енергії вітру при більш високій матеріаломісткості (у порівнянні з крильчаті колесами). Наприклад, установка з ротором Савоніуса діаметром 2 метри і висотою 2 метри при тихому вітрі 4 м/с матиме корисну потужність 20 Вт Таку ж потужність виробить шістнадцатилопатний крильчатий гвинт діаметром всього 1 метр.

Тому ми не будемо «винаходити велосипед» і відразу за основу візьмемо конструкцію, де використовуються лопаті крильчатого типу з горизонтальною віссю обертання. Саме цей тип вітряного двигуна має максимальний КВЕВ при мінімальній витраті матеріалів. Не дивно, що така конструкція використовується майже в 99% всіх діючих промислових вітрових електростанціях.

Перш за все, потрібно вибрати число лопатей. Найбільш дешевими є дво- і трилопатеві вітроколеса, але вони є швидкохідними і володіють такими недоліками:

— високі робочі обороти призводять до виникнення великих відцентрових і гіроскопічних сил. Гіроскопічні сили навантажують вісь генератора, кріплення і щоглу, а відцентрові прагнуть розірвати лопаті на частини. Так, кругова швидкість решт лопатей швидкохідних дволопатевих вітроколіс нерідко досягає 200 м/с і більше. Для порівняння швидкість кулі, випущеної з рушниці Бейкера 1808 р., дорівнювала 150 м/с. Таким чином, осколки зламаного гвинта можуть розлетітися і поранити або навіть убити людину. З цієї причини нікому не рекомендується виготовляти лопаті високошвидкісних вітроколіс з пластикової труби. Для цих цілей краще підходить більш міцна на розтяг деревина. Виготовлення ж лопатей з дерева досить трудомісткий процес.

— відомо, що чим швидше обертаються лопаті, тим більша сила тертя об повітря. Тому лопаті швидкохідних вітроколіс більш вимогливі до аеродинамічному якості виготовлення. Навіть невеликі похибки сильно знижують КВЕВ швидкохідних лопатей. Вкрай небажано робити швидкохідні лопаті увігнутими, вони повинні мати форму крила літака. Виготовити ж лопаті тихохідного гвинта набагато простіше для любителя. Потрібно сильно «постаратися», щоб зробити лопать для тихохідного гвинта з розрізаної труби з КВЕВ гірше 0,3.

— швидкохідні вітродвигуни видають сильний шум при обертанні, адже навіть аеродинамічно високоякісні лопаті при швидкому обертанні створюють значні зони стиснень і розрідження повітря, а кустарно виготовлені лопаті і поготів. Відповідно, чим більше кругова швидкість і розміри лопаті, тим більше шуму. Тому потужний швидкохідний вітряк не можна просто встановити на даху будинку або в городі при щільній забудові, інакше Ви ризикуєте прокидатися вночі від шуму злітаючого вертольота і зіпсувати відносини з сусідами в додачу.

— чим менше лопатей у вітроколеса, тим більше вібрації. Тому вітроколеса з малим числом лопатей (2-3) буде важче збалансувати.

Враховуючи всі ці недоліки швидкохідних вітроколіс, для більш-менш потужного «вітряка» краще вибрати число лопатей не менше 5-6.

Тепер грунтуючись на даних табл. 1, давайте прикинемо, якої максимальної довжини лопаті підійдуть для виготовлення нескладної електростанції. Очевидно, шестилопатевий гвинт діаметром 2,5-3 м буде складний у виготовленні. Уявіть собі хоча б процес балансування такого гвинта і його установку на щоглу, яка в свою чергу повинна бути досить міцною, щоб витримати вагу такого гвинта і аеродинамічні навантаження. А ось шестилопатевий вітряк діаметром 2 метри або близько того буде під силу ентузіасту для виготовлення своїми руками.

Можливо у когось виникне спокуса, не порахуватися з витратою матеріалів і ще більше збільшити кількість лопатей для збільшення корисної потужності вітроустановки. Так, при числі лопатей двометрового гвинта 12 потужність при «свіжому» вітрі (8 м/с) досягне майже 500 Вт Але таке дороге вітряне колесо вийде занадто тихохідним, а значить, неминуче вимагатиме застосування окремого редуктора, що сильно ускладнить конструкцію вітрової електростанції.

Таким чином, найбільш оптимальною є конструкція гвинта вітрогенератора діаметром 2 м і кількістю лопатей рівним 6.
Вітрогенератор своїми руками ІІ частина