Параграф 4.2 Воздушные двигатели | Технология. 7 класс. Под редакцией В. М. Казакевича

Главная сайта | В меню | Воздушные двигатели

Обоснуйте, почему двигатели, работающие на движущемся сжатом воздухе, являются самыми экологичными.

Воздушные двигатели работают под действием давления или набегающего потока какого-либо газа, обычно воздуха.

Ветряные двигатели. Простейшим ветряным двигателем является парус. Воздушный поток (ветер) давит на парус или отражается от него. Это заставляет двигаться транспортное средство, на котором установлен парус. До середины 19-го века парус был единственным двигателем для водных транспортных средств.

В более совершенном ветряном двигателе также используется сила набегающего потока воздуха. Принцип конструкции таких двигателей достаточно прост. На валу закрепляются лопасти-крылья или колесо с лопатками. Набегающий поток воздуха давит на лопасти крыльчатки или лопатки колеса, заставляя вал вращаться.

В ветряных двигателях чаще всего используются принципиальные варианты конструкции с горизонтальным или вертикальным валом. Ветряные двигатели с горизонтальным валом могут быть выполнены в виде пропеллера (рис. 4.2, а) или в виде колеса с установленными под углом лопатками. При установке вертикального вала ветряные двигатели могут быть оснащены ковшовыми лопастями, или лопатками (рис. 4.2, б).

Рис. 4.2. Ветровые двигатели малой и средней мощности:
а — с горизонтальной осью по схеме пропеллера: б — с вертикальной осью с лопатками

Ветродвигатели широко применяются в подсобных и фермерских хозяйствах. С помощью таких двигателей приводят в действие насосы или автономные (независимые) генераторы электрического тока. В этой области применения ветродвигателей вариантов конструкций очень много.

Пневматические двигатели. Существуют пневматические двигатели, работающие на энергии сжатого газа (воздух или углекислый газ). Такие двигатели предназначены для совершения механической работы.

По конструкции наиболее массовыми являются поршневые, пластинчатые, турбинные и пневмоцилиндрические двигатели.

Поршневые пневматические двигатели позволяют получить большую мощность на выходном валу. Это даёт возможность использовать их даже для привода колёс в автомобилях.

Пластинчатые пневматические двигатели оснащены ротором с подвижными пластинами. Пластины скользят по внутренней поверхности цилиндрического статора. Эти двигатели обладают достаточно большой мощностью и могут развивать высокие обороты. Они обладают высоким коэффициентом полезного действия, так как у них очень небольшие потери воздуха при работе.

Рабочий вал турбинных пневматических двигателей развивает высокую скорость вращения. Воздух под давлением подаётся на лопатки турбины (рис. 4.3, а). Пневматические турбинные двигатели устанавливают в наконечниках бормашин в стоматологии.

В пневматическом цилиндрическом моторе его движущаяся часть может совершать только поступательно-возвратное движение. Подача воздуха под давлением в двигатель может быть односторонней и двухсторонней. При односторонней подаче поршень возвращается в исходное положение пружиной (рис. 4.3, б). Схема двухсторонней подачи воздуха (рис. 4.3, в) используется в конструкции двигателя пневматического отбойного молотка. При работе с этим инструментом возникают большие вибрации и шум.

Рис. 4.3. Схемы работы пневматического двигателя:
а — турбинного; б — цилиндрического с односторонней подачей воздуха; в — цилиндрического с двухсторонней подачей воздуха

Словарь

ветряной двигатель; пневматический двигатель.

Проверьте себя:

1. Как работает парус в качестве двигателя?

2. Какие принципиальные конструкции существуют для ветряных двигателей?

3. Что общего и в чём различие пластинчатого пневматического двигателя и турбинного пневматического двигателя?

* Подумайте, почему мощность турбинных пневматических двигателей невелика.

Как сделать ветрогенератор своими руками: видео, схема, фото

• Статья
• Видео

С давних пор человечество использует силу ветра в своих целях. Ветряные мельницы, парусные корабли знакомы многим, про них пишут в книгах и снимают исторические фильмы. В наше время ветряной электрогенератор не потерял свою актуальность, т.к. с его помощью можно получить бесплатное электричество на даче, которое может пригодиться, если отключат свет. Поговорим о самодельных ветряках, которые можно собрать из подручных материалов и доступных деталей с минимумом затрат. Для вас мы предоставили одну подробную инструкцию с картинками, а также видео идеи еще нескольких вариантов сборки. Итак, давайте рассмотрим, как сделать ветрогенератор своими руками в домашних условиях.

• Инструкция по сборке
• Наглядные видеоуроки

Инструкция по сборке

Существуют несколько типов ветряных установок, а именно – горизонтальный, вертикальный и турбина. У них есть принципиальные различия, свои плюсы и минусы. Однако принцип работы всех ветрогенераторов одинаков — энергия ветра преобразуется в электрическую и накапливается в аккумуляторах, а уже с них уходит на нужды человека. Самый распространенный вид — это горизонтальный.

Он знаком и узнаваем. Преимущество горизонтального ветрогенератора — более высокий КПД по сравнению с другими, так как лопасти ветряка всегда находятся под действием воздушного потока. К недостаткам можно отнести высокое требование к ветру – он должен быть сильнее 5 метров в секунду. Этот тип ветряка сделать проще всего, поэтому его часто берут за основу домашние мастера.

Если вы решили попробовать свои силы в сборке ветрогенератора своими руками, вот несколько рекомендаций.

Начинать нужно с генератора — это сердце системы, от его параметров будет зависеть конструкция винтового узла. Для этого подойдут автомобильные генераторы отечественного и импортного производства, есть сведения о использовании шаговых двигателей от принтеров или прочей оргтехники. Велосипедное мотор-колесо также можно использовать, чтобы самому сделать ветряк для получения электричества. В целом, может подойти практический любой мотор или генератор, однако его обязательно необходимо проверить на эффективность.

Определившись с преобразователем энергии, нужно собрать редукторный узел для повышения оборотов на валу генератора. Один оборот пропеллера должен равняться 4-5 оборотам на валу генераторного узла. Однако эти параметры подбираются индивидуально, исходя из мощности и особенностей вашего генератора и лопастного узла. В качестве редуктора может выступать деталь от болгарки или система ремней и роликов.

Когда собран узел редуктор-генератор, приступают к выяснению его сопротивления крутящему моменту (грамм на миллиметр). Для этого нужно сделать плечо с противовесом на валу будущей установки, и с помощью груза выяснить при каком весе плечо пойдет вниз. Приемлемым результатом считается менее 200 грамм на метр. Размер плеча в этом случае принимается за длину лопасти.

Многие думают, что чем больше лопастей, тем лучше. Это не совсем верно. Нам нужны большие обороты, а много винтов создают большее сопротивление ветру, так как изготавливаем мы их в домашних условиях, в результате чего в какой-то момент набегающий поток тормозит винт и КПД установки падает. Вы можете использовать двухлопастной винт. Такой пропеллер при нормальном ветре может раскрутиться более 1000 оборотов в минуту. Сделать лопасти самодельного ветрогенератора можно из подручных средств — от фанеры и оцинковки, до пластика от водопроводных труб (как на фото ниже). Главное условие – материал должен быть легким и прочным.

Легкий винт повысит КПД ветряка и чувствительность к воздушному потоку. Не забудьте сбалансировать воздушное колесо и убрать неровности, иначе во время работы генератора будете слушать завывание и вой, а вибрации приведут к быстрому износу деталей.

Следующий важный элемент, это хвост. Он будет держать колесо в потоке ветра, и поворачивать конструкцию в случае изменения его направления.

Делать токосъемник или нет, решать вам. Это усложнит конструкцию, однако избавит от частых скручиваний провода, что чревато обрывами кабеля. Конечно, при его отсутствии вам придется иногда самостоятельно раскручивать провод. Во время пробного запуска ветрогенератора не забудьте о технике безопасности, крутящиеся лопасти представляют большую опасность.

Настроенный и сбалансированный ветряк устанавливают на мачту, высотой не ниже 7 метров от земли, закрепленную распорными тросами. Далее не менее важный узел — накопительный аккумулятор. Чаще всего используют автомобильный кислотный аккумулятор. Подключать выход самодельного ветрогенератора непосредственно к батарее нельзя, это нужно сделать через реле зарядки или контроллер, который можно собрать самому или же приобрести готовый.

Принцип работы реле сводится к контролю за зарядом и нагрузкой. В случае полного заряда батареи, оно переключает генератор и аккумулятор на нагрузочный балласт, система стремится всегда быть заряженной, не допуская перезаряда, и не оставляет генератор без нагрузки. Ветряк без нагрузки может достаточно сильно раскрутиться и повредить выработанным потенциалом изоляцию в обмотках. К тому же высокие обороты могут стать причиной механического разрушения элементов ветряного генератора. Далее стоит преобразователь напряжения с 12 на 220 вольт 50 Гц для подключения бытовых приборов.

Сейчас в интернете полно схем и чертежей, где мастера показывают, как сделать ветрогенератор на мощных магнитах самостоятельно. Настолько ли они эффективны, как обещают – вопрос спорный. Но попробовать собрать ветряную электрогенерирующую установку для дома стоит, а потом решить, как ее улучшить. Важно получить опыт и тогда уже можно замахнуться на более серьезный аппарат. Свобода и многообразие самодельных ветряков настолько обширна, а элементная база разнообразна, что нет смысла описывать их все, основной смысл остался тем же — поток ветра раскручивает винт, редуктор повышает обороты вала, генератор выдает напряжение, далее контроллер держит уровень заряда на аккумуляторе, а с него уже идет отбор энергии для различных нужд. Вот по такому принципу можно сделать ветрогенератор своими руками в домашних условиях. Надеемся, наша подробная инструкция с фото примерами разъяснила вам, как изготовить подходящую модель ветряка для дома или дачи. Также рекомендуем ознакомиться с мастер-классами по сборке самодельного устройства в видео формате.

Наглядные видеоуроки

Чтобы легко сделать ветрогенератор для получения электричества в домашних условиях, рекомендуем ознакомиться с готовыми идеями на видео примерах:

Вот мы и предоставили все наиболее простые и доступные идеи сборки самодельного ветряка. Как вы видите, некоторые модели устройств сможет легко изготовить даже ребенок. Существует множество других вариантов самоделок: на мощных магнитах, со сложными лопастями и т.д. Эти конструкции стоит повторять только при наличии некоторого опыта в этом деле, начинать следует с простых схем. Если вы хотите сделать ветрогенератор, чтобы он работал и использовался по назначению, действуйте согласно предоставленной нами инструкции. Если у вас остались вопросы – оставляйте их в комментариях.

Будет интересно прочитать:

• Термоэлектрический генератор своими руками
• Как меньше платить за электричество
• Как сделать солнечную батарею в домашних условиях

Проект ветряной турбины для системы ветряных турбин

В основе любой системы производства возобновляемой энергии ветра лежит ветровая турбина . Конструкция ветряной турбины обычно состоит из ротора, генератора постоянного тока (DC) или генератора переменного тока (AC), который установлен на башне высоко над землей.

Итак, как ветряные турбины предназначены для производства электроэнергии. Проще говоря, ветряная турбина — это противоположность домашнему или настольному вентилятору. Вентилятор использует электричество из сети для вращения и циркуляции воздуха, создавая ветер.

С другой стороны, конструкции ветряных турбин используют силу ветра для выработки электроэнергии. Движение ветра вращает лопасти турбины, которые улавливают кинетическую энергию ветра и преобразуют эту энергию во вращательное движение через вал для привода электрического генератора и выработки электроэнергии, как показано на рисунке.

Типовая конструкция генератора ветровой турбины

На изображении выше показаны основные компоненты, составляющие типичную конструкцию ветряной турбины . Ветряная турбина извлекает кинетическую энергию из ветра, замедляя его и передавая эту энергию вращающемуся валу, поэтому важно иметь хорошую конструкцию. Доступная мощность ветра, доступная для сбора урожая, зависит как от скорости ветра, так и от площади, охватываемой вращающимися лопастями турбины.

Таким образом, чем выше скорость ветра или больше лопасти ротора, тем больше энергии можно извлечь из ветра. Таким образом, мы можем сказать, что производство энергии ветровой турбиной зависит от взаимодействия между лопастями ротора и ветром, и именно это взаимодействие важно для конструкции ветряной турбины .

Чтобы улучшить это взаимодействие и, следовательно, повысить эффективность, доступны два типа конструкции ветряной турбины. Общая горизонтальная ось и конструкция ветряной турбины с вертикальной осью. Конструкция ветряной турбины с горизонтальной осью улавливает больше ветра, поэтому выходная мощность выше, чем у конструкции ветряной турбины с вертикальной осью. Недостатком конструкции с горизонтальной осью является то, что башня, необходимая для поддержки ветряной турбины, намного выше, а конструкция лопастей ротора должна быть намного лучше.

Типовая конструкция ветряной турбины

Турбина с вертикальной осью проще в проектировании и обслуживании, но обеспечивает более низкую производительность, чем ветряная турбина с горизонтальной осью, из-за высокого сопротивления простой конструкции лопасти ротора. Большинство ветряных турбин, вырабатывающих электроэнергию сегодня, как в коммерческих, так и в домашних условиях, представляют собой машины с горизонтальной осью, поэтому именно эти типы конструкции ветряной турбины мы рассмотрим в этом учебном пособии по ветряным турбинам.

Ротор — это основная часть конструкции современной ветровой турбины, которая собирает энергию ветра и преобразует ее в механическую энергию в форме вращения. Ротор состоит из двух или более лопастей из ламинированного дерева, стекловолокна или металла и защитной втулки, которая вращается (отсюда и название) вокруг центральной оси.

Подобно крылу самолета, лопасти ветряной турбины благодаря своей изогнутой форме создают подъемную силу. Лопасти несущего винта извлекают часть кинетической энергии из движущихся воздушных масс по принципу подъемной силы со скоростью, определяемой скоростью ветра и формой лопастей. Конечным результатом является подъемная сила, перпендикулярная направлению потока воздуха. Затем хитрость заключается в том, чтобы спроектировать лопасть несущего винта так, чтобы она создавала необходимую подъемную силу и тягу лопасти несущего винта, обеспечивая оптимальное замедление воздуха и не более того.

К сожалению, лопасти ротора турбины не улавливают на 100% всю мощность ветра, так как это означало бы, что воздух за лопастями турбины был бы совершенно неподвижным и, следовательно, не позволял бы ветру проходить через лопасти. Теоретический максимальный КПД, который лопасти ротора турбины могут извлекать из энергии ветра, составляет от 30 до 45% и зависит от следующих переменных лопастей ротора: Конструкция лопасти , Номер лопасти , Длина отвала , Шаг/угол отвала , Форма отвала и Материалы и вес отвала и многие другие.

Конструкция лопастей – Конструкции лопастей ротора работают либо по принципу подъемной силы, либо по принципу сопротивления для извлечения энергии из движущихся воздушных масс. В конструкции подъемных лопастей используется тот же принцип, который позволяет самолетам, воздушным змеям и птицам летать, создавая подъемную силу, перпендикулярную направлению движения. Лопасть несущего винта представляет собой аэродинамическое крыло или крыло, по форме похожее на крыло самолета. Когда лопасть рассекает воздух, между верхней и нижней поверхностями лопасти создается перепад скорости ветра и давления.

Давление на нижнюю поверхность больше и, таким образом, «поднимает» лезвие вверх, поэтому мы хотим сделать эту силу как можно большей. Когда лопасти прикреплены к центральной оси вращения, как ротор ветряной турбины, эта подъемная сила преобразуется во вращательное движение.

Этой подъемной силе противодействует сила сопротивления, параллельная направлению движения и вызывающая турбулентность вокруг задней кромки лопасти, когда она рассекает воздух. Эта турбулентность тормозит лопасть, поэтому мы хотим сделать эту силу сопротивления как можно меньше. Сочетание подъемной силы и сопротивления заставляет ротор вращаться как пропеллер.

Конструкции сопротивления больше используются для вертикальных конструкций ветряных турбин, которые имеют большие чашеобразные или изогнутые лопасти. Ветер буквально расталкивает лопасти, прикрепленные к центральному валу. Преимущества лопастей несущего винта с тормозной конструкцией заключаются в более низких скоростях вращения и высоком крутящем моменте, что делает их полезными для перекачки воды и питания сельскохозяйственной техники. Ветряные турбины с подъемным двигателем имеют гораздо более высокую скорость вращения, чем тяговые, и поэтому хорошо подходят для выработки электроэнергии.

Количество лопастей — количество лопастей ротора в конструкции ветряной турбины обычно определяется аэродинамической эффективностью и стоимостью. Идеальная конструкция ветряной турбины должна иметь много тонких лопастей ротора, но большинство генераторов ветряных турбин с горизонтальной осью имеют только одну, две или три лопасти ротора.

Увеличение количества лопастей ротора выше трех дает лишь небольшое увеличение эффективности ротора, но увеличивает его стоимость, поэтому обычно не требуется более трех лопастей, но для домашнего использования доступны небольшие многолопастные турбогенераторы с высокой скоростью вращения. Как правило, чем меньше количество лопастей, тем меньше материала требуется при изготовлении, что снижает их общую стоимость и сложность.

Однолопастные роторы имеют противовес на противоположной стороне ротора, но страдают от высокого напряжения материала и вибрации из-за их неплавного вращательного движения одиночной лопасти, которая должна двигаться быстрее, чтобы улавливать такое же количество энергии ветра.

Также с одним или даже двумя лопастными роторами большая часть доступного движения воздуха и, следовательно, ветровой энергии проходит через непроходимую площадь поперечного сечения турбины, не взаимодействуя с ротором, что снижает их эффективность.

С другой стороны, многолопастные роторы имеют более плавное вращение и более низкий уровень шума. Более низкие скорости вращения и крутящий момент возможны с многолопастными конструкциями, что снижает нагрузку на трансмиссию, что приводит к снижению затрат на редуктор и генератор. Однако конструкции ветряных турбин с большим количеством лопастей или очень широкими лопастями будут подвергаться воздействию очень больших сил при очень сильном ветре, поэтому в большинстве конструкций ветряных турбин используются три лопасти ротора.

Нечетное или четное количество лопастей ротора – конструкция ветряной турбины с «ЧЕТНЫМ» количеством лопастей ротора, 2, 4 или 6 и т. д., может страдать от проблем со стабильностью при вращении. Это связано с тем, что каждая лопасть ротора имеет точно противоположную лопасть, расположенную под углом 180 9 .0065 или в обратном направлении.

Когда ротор вращается, в тот самый момент, когда самая верхняя лопасть направлена ​​вертикально вверх (положение на 12 часов), самая нижняя лопасть направлена ​​прямо вниз перед опорной башней турбины. В результате самая верхняя лопасть изгибается назад, потому что она получает максимальную силу от ветра, называемую «распорной нагрузкой», а нижняя лопасть проходит в свободную от ветра зону непосредственно перед опорной башней.

Уже в продаже

Технология ветряных турбин: принципы и конструкция

Это неравномерное изгибание лопастей ротора турбины (самая верхняя изогнута на ветру, а самая нижняя прямая) при каждом вертикальном выравнивании создает нежелательные силы на лопасти ротора и вал ротора, когда две лопасти изгибаются вперед и назад. как они вращаются. Для небольшой турбины с жесткими алюминиевыми или стальными лопастями это может не быть проблемой, в отличие от более длинных лопастей из пластика, армированного стекловолокном.

Конструкция ветряной турбины с нечетным числом лопастей ротора (не менее трех лопастей) вращается более плавно, поскольку гироскопические и изгибающие силы более равномерно распределяются между лопастями, что повышает устойчивость турбины.

Наиболее распространенная конструкция ветряной турбины с нечетными лопастями – это трехлопастная турбина. Энергетическая эффективность трехлопастного ротора немного выше, чем у двухлопастного ротора аналогичного размера, а благодаря дополнительной лопасти они могут вращаться медленнее, что снижает износ и шум.

Кроме того, чтобы избежать турбулентности и взаимодействия между соседними лопастями, расстояние между каждой лопастью многолопастной конструкции и скорость ее вращения должны быть достаточно большими, чтобы одна лопасть не встречала возмущенный, более слабый воздушный поток, вызванный предыдущей лезвие проходит ту же точку непосредственно перед ним. Из-за этого ограничения большинство ветряных турбин нечетного типа имеют максимум три лопасти на роторе и обычно вращаются с более низкой скоростью.

Как правило, трехлопастные роторы турбин лучше вписываются в ландшафт, более эстетичны и более аэродинамически эффективны, чем конструкции с двумя лопастями, что способствует тому, что трехлопастные ветряные турбины доминируют на рынке ветроэнергетики. Хотя отдельные производители выпускают двух- и шестилопастные турбины (для парусных лодок).

Другие преимущества роторов с нечетными (тремя) лопастями включают более плавную работу, меньший уровень шума и меньшее количество столкновений с птицами, что компенсирует недостаток более высоких материальных затрат. Количество лопастей существенно не влияет на уровень шума.

Длина лопасти ротора. Три фактора определяют, сколько кинетической энергии может быть извлечено из ветра ветряной турбиной: «плотность воздуха», «скорость ветра» и «площадь ротора». Плотность воздуха зависит от того, насколько вы находитесь над уровнем моря, а скорость ветра зависит от погоды. Однако мы можем контролировать площадь вращения, охватываемую лопастями ротора, увеличивая их длину, поскольку размер ротора определяет количество кинетической энергии, которую ветряная турбина может получить от ветра.

Лопасти ротора вращаются вокруг центрального подшипника, образуя идеальный круг 360 ^o , когда он вращается, и, как мы знаем из школы, площадь круга определяется как: π.r ² . Таким образом, по мере увеличения охватываемой площади ротора площадь, которую он покрывает, также увеличивается пропорционально квадрату радиуса. Так, удвоение длины лопастей турбины приводит к увеличению ее площади в четыре раза, что позволяет получать в четыре раза больше энергии ветра. Однако это значительно увеличивает размер, вес и, в конечном счете, стоимость конструкции ветряной турбины.

Одним из важных аспектов длины лопасти является вращательная конечная скорость ротора, являющаяся результатом угловой скорости. Чем больше длина лопасти турбины, тем быстрее вращение наконечника при данной скорости ветра. Точно так же для данной длины лопасти ротора чем выше скорость ветра, тем быстрее вращение.

Тогда почему бы нам не разработать конструкцию ветряной турбины с очень длинными лопастями ротора, работающую в ветреную среду и производящую много бесплатной электроэнергии из ветра. Ответ заключается в том, что возникает точка, в которой длина лопастей ротора и скорость ветра фактически снижают выходную эффективность турбины. Вот почему многие более крупные конструкции ветряных турбин вращаются с гораздо меньшей скоростью.

Эффективность зависит от того, насколько быстро вращается наконечник ротора при заданной скорости ветра, создавая постоянное отношение скорости ветра к скорости вращения наконечника, называемое «отношением скорости вращения наконечника» ( λ ), которое представляет собой безразмерную единицу, используемую для максимизации эффективности ротора. Другими словами, «отношение скорости кончика лопасти» (TSR) — это отношение скорости конца вращающейся лопасти в об/мин к скорости ветра в километрах в час (км/ч) или милях в час (миль в час). ).

Хорошая конструкция ветряной турбины определяет мощность ротора при любом сочетании ветра и скорости вращения ротора. Чем больше этот коэффициент TSR, тем быстрее вращение ротора ветродвигателя при заданной скорости ветра. Скорость вращения вала, на которой закреплен ротор, также указывается в оборотах в минуту (об/мин) и зависит от скорости вращения наконечника и диаметра лопастей турбины.

Скорость вращения турбины определяется как: об/мин = скорость ветра x передаточное отношение x 60 / (диаметр x π).

Если ротор турбины вращается слишком медленно, он позволяет беспрепятственно проходить слишком большому количеству ветра и, таким образом, не извлекает столько энергии, сколько мог бы. С другой стороны, если лопасть ротора вращается слишком быстро, она кажется ветру одним большим плоским вращающимся круглым диском, который создает большое сопротивление и потери на острие, замедляющие ротор. Поэтому важно согласовать скорость вращения ротора турбины с конкретной скоростью ветра, чтобы получить оптимальный КПД.

Роторы турбины с меньшим количеством лопастей достигают максимальной эффективности при более высоком соотношении скоростей вращения лопастей, и, как правило, трехлопастные ветряные турбины для выработки электроэнергии имеют отношение скоростей лопастей от 6 до 8, но они будут работать более плавно, поскольку они имеют три лопасти. С другой стороны, турбины, используемые для перекачивания воды, имеют более низкое передаточное число от 1,5 до 2, поскольку они специально разработаны для создания высокого крутящего момента на низких скоростях.

Шаг/угол лопасти ротора — лопасти ротора ветряной турбины с фиксированной конструкцией, как правило, не являются прямыми или плоскими, как крылья аэродинамического профиля самолета, а вместо этого имеют небольшой изгиб и сужение по длине от кончика до основания, чтобы обеспечить различные скорости вращения вдоль клинок. Этот поворот позволяет лопасти поглощать энергию ветра, когда ветер дует на нее с разных тангенциальных углов, а не только прямо. Прямая или плоская лопасть перестанет создавать подъемную силу и может даже остановиться (заглохнуть), если лопасть обдувается ветром под разными углами, называемыми «углом атаки», особенно если этот угол атаки слишком крутой.

Таким образом, чтобы лопасть ротора имела оптимальный угол атаки, увеличивающий подъемную силу и эффективность, лопасти конструкции ветряной турбины обычно скручены по всей длине лопасти. Кроме того, этот поворот в конструкции ветряной турбины предотвращает слишком быстрое вращение лопастей ротора при высоких скоростях ветра.

Однако для очень крупных конструкций ветряных турбин, используемых для выработки электроэнергии, такое скручивание лопастей может сделать их конструкцию очень сложной и дорогостоящей, поэтому используется другая форма аэродинамического контроля, чтобы удерживать угол атаки лопастей идеально выровненным. с направлением ветра.

Аэродинамическую мощность, создаваемую ветровой турбиной, можно контролировать, регулируя угол наклона ветряной турбины в зависимости от угла атаки ветра при вращении каждой лопасти вокруг своей продольной оси. Затем лопасти несущего винта с регулируемым шагом могут быть более плоскими и более прямыми, но, как правило, эти большие лопасти имеют аналогичную крутку по своей геометрии, но намного меньше, чтобы оптимизировать тангенциальную нагрузку на лопасть несущего винта.

Каждая лопасть ротора имеет вращательный механизм скручивания, пассивный или динамический, встроенный в основание лопасти, обеспечивающий равномерное увеличение шага по всей длине (постоянное скручивание). Требуемый шаг составляет всего несколько градусов, так как небольшие изменения угла наклона могут иметь существенное влияние на выходную мощность, поскольку мы знаем из предыдущего урока, что энергия, содержащаяся в ветре, пропорциональна кубу скорости ветра.

Одним из основных преимуществ управления шагом лопастей несущего винта является увеличение окна скорости ветра. Положительный угол наклона создает большой пусковой момент, когда ротор начинает вращаться, уменьшая скорость ветра при включении. Точно так же при высоких скоростях ветра, когда достигается предел максимальной скорости несущих винтов, можно управлять шагом, чтобы не допустить превышения предела скорости вращения несущих винтов за счет снижения их эффективности и угла атаки.

Регулирование мощности ветряной турбины может быть достигнуто за счет управления шагом лопастей ротора для уменьшения или увеличения подъемной силы на лопастях путем управления углом атаки. Меньшие лопасти ротора достигают этого за счет небольшого поворота в своей конструкции.

Большие коммерческие ветряные турбины используют управление шагом либо пассивно, с помощью центробежных пружин и рычагов (аналогично винтам вертолета), либо активно, используя небольшие электрические двигатели, встроенные в ступицу лопастей, чтобы повернуть ее на несколько градусов. Основными недостатками управления шагом являются надежность и стоимость.

Уже в продаже

Power from the Wind — 2nd Edition: A Practice…

Конструкция лопастей – кинетическая энергия, извлекаемая из ветра, зависит от геометрии лопастей несущего винта, поэтому важно определить аэродинамически оптимальную форму и конструкцию лопастей.

Но наряду с аэродинамическим дизайном лопасти несущего винта не менее важен конструктивный дизайн. Конструктивный дизайн состоит из выбора материала лопастей и прочности, поскольку лопасти изгибаются и изгибаются под действием энергии ветра во время их вращения.

Очевидно, что идеальный конструкционный материал для лопасти ротора должен сочетать в себе необходимые конструктивные свойства, такие как высокая удельная прочность, высокая усталостная долговечность, жесткость, частота собственных колебаний и сопротивление усталости, а также низкая стоимость и способность легко формоваться. в желаемую аэродинамическую форму.

Лопасти ротора небольших турбин, используемых в жилых помещениях, мощностью от 100 Вт и выше, как правило, изготавливаются из цельного резного дерева, древесных ламинатов или композитов с деревянным шпоном, а также из алюминия или стали. Деревянные лопасти ротора прочны, легки, дешевы, гибки и популярны в большинстве самодельных конструкций ветряных турбин, поскольку их легко изготовить. Однако низкая прочность древесных ламинатов по сравнению с другими древесными материалами делает их непригодными для лопастей тонкой конструкции, работающих при высоких скоростях острия.

Алюминиевые лезвия также легкие, прочные и с ними легко работать, но они дороже, легко гнутся и подвержены усталости металла. Точно так же стальные лопасти используют самый дешевый материал и могут быть сформированы в виде изогнутых панелей в соответствии с требуемым профилем аэродинамического профиля. Однако в стальные панели гораздо труднее придать изгиб, а в сочетании с плохими усталостными свойствами, означающими, что они ржавеют, сталь используется редко.

Лопасти несущего винта, используемые для очень большой горизонтальной оси 9Ветряная турбина 0003 конструкции изготавливается из армированных пластиковых композитов, наиболее распространенными из которых являются композиты из стекловолокна/полиэфирной смолы, стекловолокна/эпоксидной смолы, стекловолокна/полиэфира и углеродного волокна. Композиты из стекловолокна и углеродного волокна имеют значительно более высокое отношение прочности на сжатие к весу по сравнению с другими материалами. Кроме того, стекловолокно легкое, прочное, недорогое, обладает хорошими усталостными характеристиками и может использоваться в различных производственных процессах.

Размер, тип и конструкция ветряной турбины, которая может вам понадобиться, зависят от вашего конкретного применения и требований к мощности. Конструкции малых ветряных турбин варьируются в размерах от 20 Вт до 50 киловатт (кВт), а меньшие или «микро» (от 20 до 500 Вт) турбины используются в жилых районах для различных применений, таких как производство электроэнергии для зарядки аккумуляторов и питания. огни.

Энергия ветра является одним из самых быстрорастущих источников возобновляемой энергии в мире, поскольку это чистый, широко распространенный энергетический ресурс, который имеется в изобилии, имеет нулевую стоимость топлива и технологию производства электроэнергии без выбросов. Большинство современных генераторов ветряных турбин, доступных сегодня, предназначены для установки и использования в жилых помещениях.

В результате они изготавливаются меньше и легче, что позволяет быстро и легко монтировать их непосредственно на крышу, на короткую опору или башню. Установка более нового турбогенератора как части вашей домашней ветроэнергетической системы позволит вам сократить большую часть более высоких затрат на обслуживание и установку более высокой и дорогой турбинной башни, как это было раньше.

В следующем уроке о Энергия ветра мы рассмотрим работу и конструкцию генераторов ветряных турбин, используемых для выработки электроэнергии как части домашней ветряной генераторной системы.

Ветряная мельница (DB-400) 400W 12V Генератор ветряной турбины…

2000 Вт 11 Blade Missouri General™ Freedom II…

Уже в продаже

Комплект солнечной энергии ветра ECO-WORTHY 500 Вт: 1x 400 Вт. ..

ALEKO WG450A 450 Вт, 24 В, ветрогенератор для жилых помещений…

Как работает ветряная турбина — текстовая версия

Сила ветра

Ветряные турбины используют ветер — чистый, бесплатный и широко доступный возобновляемый источник энергии — для выработки электроэнергии сила. На этой странице представлена ​​текстовая версия интерактивной анимации: Как работает ветряная турбина.

Как работает ветряная турбина

Ветряная турбина преобразует энергию ветра в электричество, используя аэродинамическую силу лопастей ротора, которые работают как крыло самолета или лопасти винта вертолета. Когда ветер обдувает лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха по обеим сторонам лопасти создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила больше, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться. Ротор соединяется с генератором либо напрямую (если это турбина с прямым приводом), либо через вал и ряд шестерен (редуктор), которые ускоряют вращение и позволяют физически уменьшить генератор. Этот перевод аэродинамической силы во вращение генератора создает электричество.

Как работает ветряная электростанция

Ветряные электростанции производят электроэнергию за счет множества ветряных турбин, расположенных в одном месте. На размещение ветряной электростанции влияют такие факторы, как ветровые условия, окружающая местность, доступ к линиям электропередач и другие факторы размещения. В ветряной электростанции коммунального масштаба каждая турбина вырабатывает электроэнергию, которая поступает на подстанцию, где затем передается в сеть, где питает наши сообщества.

Передача инфекции

Линии электропередач передают электричество высокого напряжения на большие расстояния от ветряных турбин и других генераторов энергии в районы, где эта энергия необходима.

Трансформеры

Трансформаторы получают электроэнергию переменного тока при одном напряжении и повышают или понижают напряжение для подачи электроэнергии по мере необходимости. Ветряная электростанция будет использовать повышающий трансформатор для повышения напряжения (тем самым уменьшая требуемый ток), что снижает потери мощности, возникающие при передаче больших токов на большие расстояния по линиям электропередач. Когда электричество достигает сообщества, трансформаторы снижают напряжение, чтобы сделать его безопасным и пригодным для использования зданиями и домами в этом сообществе.

Подстанция

Подстанция соединяет систему передачи с системой распределения, которая поставляет электроэнергию населению. Внутри подстанции трансформаторы преобразуют электроэнергию с высокого напряжения в более низкое напряжение, которое затем может быть безопасно доставлено потребителям электроэнергии.

Башня ветряной турбины

Изготовленная из трубчатой ​​стали, башня поддерживает конструкцию турбины. Башни обычно состоят из трех секций и собираются на месте. Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой, более высокие башни позволяют турбинам захватывать больше энергии и генерировать больше электроэнергии. Ветры на высоте 30 метров (примерно 100 футов) и выше также менее турбулентны.

Направление ветра

Определяет конструкцию турбины. Ветряные турбины, подобные показанной здесь, обращены к ветру, а подветренные — в сторону. Большинство наземных ветряных турбин коммунального масштаба являются ветряными турбинами.

Флюгер

Флюгер измеряет направление ветра и взаимодействует с приводом рыскания, чтобы правильно ориентировать турбину относительно ветра.

Анемометр

Анемометр измеряет скорость ветра и передает данные о скорости ветра на контроллер.

Лезвия

Большинство турбин имеют три лопасти, изготовленные в основном из стекловолокна. Лопасти турбин различаются по размеру, но типичная современная наземная ветряная турбина имеет лопасти длиной более 170 футов (52 метра). Самая большая турбина — морская ветряная турбина GE Haliade-X с лопастями длиной 351 фут (107 метров) — примерно такой же длины, как футбольное поле. Когда ветер обдувает лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха по обеим сторонам лопасти создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила больше, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться.

Наземная турбина с редуктором

Трансмиссия турбины с редуктором состоит из ротора, главного подшипника, главного вала, редуктора и генератора. Трансмиссия преобразует низкоскоростное вращение ротора турбины (лопасти и узел ступицы) с высоким крутящим моментом в электрическую энергию.

Гондола

Гондола находится на вершине башни и содержит редуктор, низкоскоростные и высокоскоростные валы, генератор и тормоз. Некоторые гондолы больше дома и для турбины с редуктором мощностью 1,5 МВт могут весить более 4,5 тонн.

Система рыскания

Привод рыскания поворачивает гондолу на ветряных турбинах, чтобы они оставались обращенными к ветру при изменении направления ветра. Для этого двигатели рыскания приводят в действие привод рыскания.

Ветряные турбины не требуют привода рыскания, потому что ветер вручную уносит ротор от него.

Система подачи

Система шага регулирует угол наклона лопастей ветряной турбины по отношению к ветру, контролируя скорость вращения ротора. Регулируя угол наклона лопастей турбины, система шага определяет, сколько энергии могут извлекать лопасти. Система шага также может «раскачивать» лопасти, регулируя их угол, чтобы они не создавали силы, которая могла бы вызвать вращение ротора. Оперение лопастей замедляет ротор турбины, чтобы предотвратить повреждение машины, когда скорость ветра слишком высока для безопасной работы.

Центр

Часть трансмиссии турбины, лопасти турбины входят в ступицу, соединенную с главным валом турбины.

Коробка передач

Трансмиссия состоит из ротора, главного подшипника, главного вала, редуктора и генератора. Трансмиссия преобразует низкоскоростное вращение ротора турбины (лопасти и узел ступицы) с высоким крутящим моментом в электрическую энергию.

Ротор

Лопасти и ступица вместе образуют ротор турбины.

Тихоходный вал

Часть трансмиссии турбины, низкоскоростной вал соединен с ротором и вращается со скоростью 8–20 оборотов в минуту.

Подшипник главного вала

Часть трансмиссии турбины, главный подшипник поддерживает вращающийся низкоскоростной вал и уменьшает трение между движущимися частями, чтобы силы от ротора не повреждали вал.

Высокоскоростной вал

Часть трансмиссии турбины, высокоскоростной вал соединяется с коробкой передач и приводит в движение генератор.

Генератор

Генератор приводится в движение высокоскоростным валом. Медные обмотки вращаются через магнитное поле в генераторе для производства электроэнергии. Некоторые генераторы приводятся в действие редукторами (показанными здесь), а другие представляют собой прямые приводы, в которых ротор присоединяется непосредственно к генератору.

Контроллер

Контроллер позволяет запускать машину при скорости ветра около 7–11 миль в час (миль в час) и выключает машину, когда скорость ветра превышает 55–65 миль в час. Контроллер выключает турбину при более высоких скоростях ветра, чтобы избежать повреждения различных частей турбины. Думайте о контроллере как о нервной системе турбины.

Тормоз

Турбинные тормоза не похожи на автомобильные тормоза. Тормоз турбины удерживает ротор от вращения после того, как он был отключен системой шага. Как только лопасти турбины останавливаются контроллером, тормоз удерживает лопасти турбины в неподвижном состоянии, что необходимо для технического обслуживания.

Морская ветряная турбина с прямым приводом

Турбины с прямым приводом упрощают системы гондол и могут повысить эффективность и надежность за счет устранения проблем с коробкой передач. Они работают, соединяя ротор напрямую с генератором для выработки электроэнергии.

Морской флюгер и анемометр с прямым приводом

Флюгер измеряет направление ветра и взаимодействует с приводом рыскания, чтобы правильно ориентировать турбину относительно ветра.

Анемометр измеряет скорость ветра и передает данные о скорости ветра на контроллер.

Система рыскания с прямым приводом

Электродвигатели рыскания приводят в действие привод рыскания, который вращает гондолы ветряных турбин, чтобы они оставались обращенными к ветру при изменении направления ветра.

Лопасти генератора с прямым приводом

Большинство турбин имеют три лопасти, изготовленные в основном из стекловолокна. Когда ветер обдувает лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха по обеим сторонам лопасти создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила больше, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться. Лопасти турбины GE Haliade X имеют длину 351 фут (107 метров) — примерно такую ​​же длину, как футбольное поле!

Система шага с прямым приводом

Система шага регулирует угол наклона лопастей ветряной турбины по отношению к ветру, контролируя скорость вращения ротора. Регулируя угол наклона лопастей турбины, система шага определяет, сколько энергии могут извлекать лопасти. Система шага также может «раскачивать» лопасти, регулируя их угол, чтобы они не создавали силы, которая могла бы вызвать вращение ротора. Оперение лопастей замедляет ротор турбины, чтобы предотвратить повреждение машины, когда скорость ветра слишком высока для безопасной работы.

Концентратор прямого привода

Лопасти турбины вставляются в ступицу, соединенную с генератором турбины.

Ротор с прямым приводом

Лопасти и ступица вместе образуют ротор турбины.

Генератор с прямым приводом

Генераторы с прямым приводом не используют редуктор для выработки электроэнергии. Они генерируют энергию, используя гигантское кольцо постоянных магнитов, которые вращаются вместе с ротором, производя электрический ток, проходя через стационарные медные катушки. Большой диаметр кольца позволяет генератору создавать большую мощность при вращении с той же скоростью, что и лопасти (8–20 оборотов в минуту), поэтому ему не нужен редуктор, чтобы разогнать его до тысяч оборотов. в минуту требуют другие генераторы.

Контроллер прямого привода

Контроллер позволяет запускать машину при скорости ветра около 7–11 миль в час (миль в час) и выключает машину, когда скорость ветра превышает 55–65 миль в час. Контроллер выключает турбину при более высоких скоростях ветра, чтобы избежать повреждения различных частей турбины. Думайте о контроллере как о нервной системе турбины.

Тормоз с прямым приводом

Турбинные тормоза — это не автомобильные тормоза. Тормоз турбины удерживает ротор от вращения после того, как он был отключен системой шага. Как только лопасти турбины останавливаются контроллером, тормоз удерживает лопасти турбины в неподвижном состоянии, что необходимо для технического обслуживания.

Подшипник ротора прямого привода

Подшипник ротора поддерживает основной вал и уменьшает трение между движущимися частями, чтобы силы от ротора не повреждали вал.