Lopatky větrné turbíny: princip fungování jednoduché větrné turbíny, výpočet velikosti, výběr materiálu pro výrobu oběžného kola vlastníma rukama

Existující ceny větrných turbín a návratnost investic neodpovídají možnostem většiny majitelů venkovských domů a letních chalup. Obyvatelé odlehlých oblastí, kde nikdy nebyla elektrická síť, mají pořízení takového zařízení ještě větší potíže, protože o něm nemají dostatek informací a nemohou získat dostatečně podrobné informace o kvalitě, vlastnostech a dalších parametrech zařízení pro využití větrné energie.

Je nutné vyrobit větrná zařízení samostatně, spoléhat se na experimentální výsledky nebo útržkovité informace získané z různých zdrojů. Zvažme důležitou otázku, která vyvstává při vytváření větrné turbíny – konstrukci lopatek.

Jak funguje jednoduchý větrný generátor?

Existují dva typy větrných turbín:

• horizontální
• vertikálně

Rozdíl spočívá v umístění osy otáčení. Horizontální struktury jsou považovány za nejproduktivnější., připomínající letadlo s vrtulí. Vrtule je oběžné kolo větrné turbíny, ocasní část je zařízení pro navádění proudění větru, které automaticky otáčí osu ve směru pohybu vzduchu.

Když vítr působí na oběžné kolo, generuje se točivý moment, který se přenáší na osu generátoru. V jeho vinutích je buzen elektrický proud, který nabíjí akumulátory. Ty zase dodávají náboj střídači, který mění parametry proudu a dodává spotřebičům standardní napětí 220 V 50 Hz.

Existují jednodušší systémy, kde generátor dodává energii přímo spotřebitelům, ale takový systém není chráněn před přepětím nebo výpadky proudu. Tato možnost se používá pouze pro osvětlení nebo pohon čerpadel, která čerpají vodu.

Jaký je optimální tvar čepele?

Hlavním prvkem horizontální větrné turbíny je oběžné koloNejvíce se podobá vrtuli, ačkoli plní zcela opačné funkce. Lopatky přebírají energii proudění vzduchu a přeměňují ji na rotační pohyb. Účinnost oběžného kola a celé soustavy jako celku přímo závisí na jejich konfiguraci.

Horizontální zařízení mají oběžná kola vybavená velkým počtem lopatek. Obvykle jich je více než 3. V tomto ohledu existuje závislost počtu lopatek na produktivitě. Faktem je, že se zvyšujícím se počtem přijímacích rovin se snižuje výkon oběžného kola a se snižující se citlivost. Proto volí „zlatý střed“ a akceptují průměrný počet lopatek.

Důležité! Velký počet lopatek zvyšuje čelní zatížení zařízení, čímž vytváří překlápěcí sílu na základnu stožáru a silný axiální tlak na oběžné kolo, což ničí ložiska generátoru.

V praxi bylo vytvořeno velké množství různých zařízení, která mají tvar oběžného kola, od jednoduchých kruhových sektorů, mírně rozšířených podél osy poloměru, až po složité varianty s pečlivě vypočítanou aerodynamikou, testované v různých podmínkách. Výsledky testů ukázaly, že optimální tvar je model blízký vrtuli. Taková lopatka je mírně rozšířena od středu (kapotáž) oběžného kola a plynule se zužuje směrem ke konci.

Výhodou tohoto typu je rovnoměrné rozložení zatížení na nosné ložisko, povrch lopatek a celý systém větrné turbíny jako celek. Proudění větru působí na všechny oblasti stejnou silou, ale pokud lopatku rozšíříte směrem ke konci, získáte poměrně dlouhou páku, která ložisko přetíží a lopatky zlomí. Odtud pochází tento tvar, s drobnými změnami používaný téměř u všech větrných turbín.

Zobrazit výběr

Pro horizontální větrné turbíny existuje jen málo možností nebo typů lopatek. Důvodem je samotná konstrukce oběžného kola – jednoduše zde není prostor pro vytváření složitých tvarů nebo konfigurací. Vývoj nejúspěšnější varianty však stále probíhá, dnes můžeme rozlišit několik typů:

• oběžná kola s plnými lopatkami
• plachtění

Plné listy jsou vyrobeny z různých materiálů najednou v určitém tvaru, plachtové listy mají zcela odlišný design. Základem je rám, na kterém je napnuta hustá tkanina tak, že jedna ze stran není k rámu připevněna. Výsledkem je trojúhelníková čepel, u které jedna strana (od středu k jednomu z vrcholů) není připevněna k základně.

Proudění větru vytváří tlak na plachtu a dává jí optimální tvar pro opuštění roviny, v důsledku čehož se kolo začne otáčet. Tato možnost má výhodu v hmotnosti a hmotnosti kola, ale vyžaduje neustálé sledování stavu tkaniny a oběžného kola jako celku.

Pro svépomocnou výrobu se obvykle používají improvizované materiály. Vzhledem ke složitému profilu lopatek je dobrou volbou použití plechu nebo plastových trubek.

Výpočet lopatek

V praxi jen málokdo počítá parametry lopatek, protože to vyžaduje speciální školení a data. Většinu hodnot potřebných pro výpočty je nutné nejprve zjistit, některé z nich budou známy až po spuštění větrné turbíny. Navíc pro většinu typů stále neexistuje matematický model rotace, což výpočty činí zbytečnými.

Nejčastěji se průměr oběžného kola volí podle požadovaného výkonu pomocí tabulky:

Jako možnost můžete použít online kalkulačku, což vám umožní získat hotový výsledek během několika sekund, stačí jen vložit vlastní data do oken programu.

Je třeba vzít v úvahu, že výpočty takového zařízení, jako je oběžné kolo, nebudou mít dostatečnou přesnost kvůli velkému počtu jemných efektů a neznámých veličin, proto se nejčastěji uchylují k experimentálnímu výběru tvaru a velikosti.

Materiál pro výrobu

Než začneš práce na vytvoření oběžného kola, musíte se rozhodnout pro materiál. Volba se provádí z toho, co je k dispozici, nebo z materiálů, které jsou uživateli známější a přístupnější pro zpracování. Požadavky na materiál pro výrobu čepelí:

• síla
• nízká hmotnost
• snadnost zpracování
• schopnost dát požadovaný tvar nebo jeho přítomnost v obrobku
• dostupnost

Ze všech možných možností bylo na základě zkušeností identifikováno několik nejúspěšnějších. Pojďme se na ně podívat podrobněji.

PVC trubky

Použití kanalizačních trubek z PVC s velkým průměrem umožňuje rychle a levně získat poměrně kvalitní čepele. Plast se nebojí vlhkosti, snadno se zpracovává. Nejcennější kvalitou je přítomnost hladké drážky v polotovaru, zbývá už jen správně odříznout veškerý přebytečný materiál.

Snadná výroba a nízké náklady na materiál v kombinaci s výkonnostními vlastnostmi plastu učinily z PVC trubek nejoblíbenější materiál pro výrobu domácích větrných turbín. Nevýhodou materiálu je jeho křehkost při nízkých teplotách.

Hliník

Hliníkové čepele jsou odolné, pevné a odolné vůči jakýmkoli vnějším vlivům.Zároveň jsou těžší než plastové a vyžadují pečlivé vyvážení kol. Navíc práce s kovem, i s tak poddajným, jako je hliník, vyžaduje dovednosti a správné nářadí.

Tvar materiálu také komplikuje práci – nejčastěji se používá hliníkový plech, takže nestačí jen vyrobit lopatky, je třeba jim dát vhodný profil, pro který budete muset vyrobit speciální šablonu. Případně můžete plech nejprve ohnout podél trnu a poté začít s označováním a řezáním dílů. Obecně je materiál odolnější vůči zatížení a nebojí se teplotních ani povětrnostních vlivů.

Skleněná vlákna

Tato volba je pro specialisty. Práce se skelnými vlákny je obtížná, vyžaduje dovednosti a znalosti mnoha jemností. Postup výroby čepele zahrnuje několik operací:

• výroba dřevěné šablony, pokrytí jejího povrchu voskem, tmelem nebo jiným materiálem odpuzujícím lepidlo
• výroba jedné poloviny čepele. Na povrch šablony se nanese vrstva epoxidu, na kterou se ihned položí sklolaminát. Poté se znovu nanese epoxid (bez čekání na zaschnutí předchozí vrstvy) a znovu sklolaminát. Tímto způsobem se vytvoří jedna polovina čepele požadované tloušťky.
• Druhá polovina čepele je vyrobena podobným způsobem
• Po zatvrdnutí lepidla se poloviny spojí epoxidem. Spoje se obrousí a do konce se vloží pouzdro pro připevnění k náboji.

Technologie je složitá, vyžaduje čas a schopnost pracovat s materiály. Navíc má epoxidová pryskyřice nepříjemnou vlastnost varu ve velkých objemech, což vytváří neustálou hrozbu zničení celého díla. Proto by si sklolaminát měli vybírat pouze zkušení a proškolení uživatelé.

dřevo

Práce se dřevem je většině uživatelů poměrně známá, ale výroba čepelí je poměrně složitý úkol. Nejenže je obtížné vytvořit samotný tvar výrobku, ale je také třeba vyrobit několik identických, nerozlišitelných vzorků.

Ne každý dokáže takový problém vyřešit. Kromě toho musí být hotové výrobky řádně chráněny před vlhkostí, impregnovány sušicím olejem nebo olejem, natřeny atd.

Dřevo má spoustu negativních vlastností – je náchylný k deformaci, praskání, hnilobě. Snadno absorbuje a uvolňuje vlhkost, což mění hmotnost a vyvážení oběžného kola. Všechny tyto vlastnosti činí tento materiál ne nejlepší volbou pro domácího řemeslníka, protože nikdo nepotřebuje zbytečné komplikace.

Výroba čepelí krok za krokem

Uvažujme nejběžnější verzi výroby čepele. Použitým materiálem je PVC trubka o průměru asi 110-160 mm:

• kusy trubek se nařezávají na délku čepelí
• Podél segmentu se nakreslí čára, od které se v obou směrech odměří 22 mm. Výsledkem je 44 mm – šířka jedné čepele.
• totéž se dělá z opačného konce
• Krajní body na jedné straně středové čáry jsou spojeny v přímce. Na druhé straně je nakreslen tvar čepele.
• čepel je vyříznuta, volný konec je pečlivě zaoblený, hrany jsou ošetřeny brusným papírem nebo pilníkem
• lopatky jsou připevněny k náboji

Tvar lopatek má následující strukturu:

• koncové části mají stejnou šířku – 44 mm
• uprostřed je šířka čepele 55 mm
• při vzdálenosti 0,15 délky je šířka čepele 88 mm

Získané body se spojí přímkou, poté se vytvoří plynulejší přechody, vedené získanými obrysy. Vyrobí se šablona, podle které se vyříznou všechny lopatky stejného tvaru. Pro připevnění k náboji je nutné vyvrtat několik otvorů pro šrouby (šrouby).

Měly by být na všech lopatkách ve stejných bodech, aby nedošlo k narušení vyvážení oběžného kola. Hotové kolo musí být pečlivě vyváženo jeho instalací na osu a volným otáčením nalezením oblasti s nevyvážeností. V tomto místě by se měla lopatka postupně brousit, dokud není oběžné kolo zcela vyváženo.