Аэродинамика лопастей ветрогенератора

Лопасти ветрогенератора имеют форму, позволяющую получить максимальный эффект от силы ветра при минимальных затратах. В первую очередь, конструкция обусловлена аэродинамическими требованиями. Но экономика означает, что форма лезвия является компромиссом, удерживающим стоимость создания в разумных пределах. В частности, лопасти, как правило, толще оптимального аэродинамического размера у ротора, где напряжение из-за изгиба является максимальным.

Процесс проектирования лопастей начинается с "лучшего предположения" компромисса между аэродинамической и структурной эффективностью. Выбор материалов также влияет на допустимую толщину (близкую к аэродинамически идеальной), которую можно создать. Например, препреги из углеродного волокна жестче и сильнее переплетаются с волокнами стекла. Выбранная аэродинамическая форма приводит к нагрузкам, которые подаются в конструкции. Проблемы, выявленные на данном этапе, могут использоваться для изменения формы, если необходимо, с пересчетом аэродинамических показателей.


Ветер

Это может показаться очевидным, но понимание физики ветра имеет фундаментальное значение для конструкции ветрогенератора. Доступная производительность изменяется пропорционально скорости ветра в кубической степени, т.е. удвоенная скорость ветра означает увеличение производительности в восемь раз. Вот почему место установки должно выбираться особенно тщательно: скорость ветра 5 м/с мало полезна. Наоборот, сильные порывы обеспечат чрезвычайно высокий уровень мощности. Но экономически не выгодно строить машины, рассчитанные на пиковую скорость, поскольку их потенциал будет тратиться впустую большую часть времени. Отсюда вытекает, что идеальным вариантом является местность с устойчивым ветром и машина, способная работать большую часть времени при легком ветре, а также выдерживать сильнейшие порывы.

Ежедневно ветер меняется каждую секунду из-за турбулентности, вызванной особенностями рельефа, сменой температур и погоды. Его сила также меняется в зависимости от высоты, чем выше над землей – тем больше скорость ветра. Все эти эффекты приводят к различным нагрузкам на лопасти генератора, характер вращения. Конструкция должна справляться со всеми возможными условиями, которые редко бывают оптимальными.

Извлекая энергию, ветрогенератор и сам оказывает влияние на ветер: с подветренной стороны воздух движется медленнее, чем против ветра. Ветер начинает замедляться даже прежде, чем достигнет лопастей, уменьшая скорость при прохождении через "диск" (воображаемый круг, образованный лопастями, называемый также областью охвата) и, следовательно, снижает свою мощность. Таким образом, существует оптимальное количество энергии, которую можно извлечь из определенного диаметра диска: слишком большой диаметр сильно замедлит ветер. На самом деле, золотой серединой является снижение скорости ветра примерно на две трети с подветренной стороны ветряка, хотя даже тогда ветер перед ним потеряет около трети своей скорости. Это позволяет вывести теоретический максимум возможного захвата энергии - 59% от мощности ветра (так называемый, предел Беца). На практике, нынешние конструкции позволяют достичь лишь 40-50%.


Количество лопастей

Ограничение доступной мощности ветра означает, что чем больше лопастей, тем меньшую мощность можно извлечь. А это значит, что каждая лопасть должна быть как можно более узкой, чтобы поддерживать аэродинамическую эффективность.

Отсюда также вытекает оптимальная плотность: чем выше число лопастей, тем меньшей каждая из них должна быть. На практике оптимальная плотность является очень низкой (всего несколько процентов). Это означает, что даже если имеется всего три лопасти, каждая из них должна быть максимально узкой. Для легкого скольжения по воздуху лезвия должны быть также тонкими по ширине.

Это усложняет создание, поскольку трудно сделать достаточно крепкие лезвия, если они слишком тонкие, или стоимость значительно увеличится, при использовании дорогих материалов. По этой причине, самые большие ветряки имеют не более трех лопастей.

Другой фактор, влияющий на количество лопастей – эстетический. Как правило, принято считать, что трехлопастные ветрогенераторы визуально выглядят менее угрожающе, чем одно- или двухлопастные конструкции.

Как сделать ветрогенератор
Вертикальный ветрогенератор своими руками
Самодельный ветряк на 1000 Вт
Безлопастные ветровые электростанции
Автомобильный генератор

Главная | Статьи | Вопросы-ответы | Обо мне | Контакты