Хвост ветрогенератора
Защита ветрогенератора от сильного ветра. Схема складывающегося хвоста ветрогенератора.
Хвост ветрогенератора, или стабилизатор предназначен для поворота ветрового, колеса на встречу, воздушному потоку, благодаря чему обеспечивается максимально эффективное вращение лопастей.
Но тут возникает вопрос, что делать, если поднимется ураганный ветер, который может так раскрутить ветроколесо, что лопасти просто сломаются.
Для ветрогенератора нужно обязательно продумать бурезащиту, при сильном ветре ветроколесо испытывает сильную нагрузку, которая способна не только повредить лопасти и генератор, но и разрушить мачту, которая может упасть на ближайшие постройки.
Если ветряк небольшого размера, то для него вполне достаточно, электрического тормоза. Принцип работы электрического тормоза следующий, если ротор ветрогенератора набирает очень высокие обороты, то контроллер замыкает фазы генератора, обороты ротора сразу падают и винт замедляется. То есть если у нас генератор рассчитан на выработку 12 V, а на повышенных оборотах начинает выдавать, скажем 14V, то контроллер замыкает фазы.
Но электрический тормоз эффективен только на небольших ветряках, и то при ураганном ветре нет гарантии, что эта система полностью остановит ветроколесо и оно не пойдёт в разнос, поэтому нужно использовать дополнительную защиту.
Можно использовать так называемый метод увода винта из воздушного потока поворотом (складыванием) хвоста.
Схема складывающегося хвоста ветрогенератора.
Схему расположения узлов можно увидеть на рисунке, сам ветрогенератор смещён относительно центра оси. Хвостовик одет на палец, сам палец установлен под углом 20° по вертикали и на 45° по горизонтали.
Принцип работы защиты следующий, в безветренную погоду хвост стоит под наклоном, при появлении ветра хвост поворачивается по ветру, винт вращается.
Кода скорость ветра значительно возрастает, давление на винт превышает вес хвоста, винт поворачивается, хвост при этом складывается, уводя винт из воздушного потока.
Когда скорость ветра уменьшается, вес хвоста снова начинает превышать давление ветра на винт, хвост выравнивается, а винт становится по ветру и дальше вращается.
Ещё один вариант решения с применением боковой лопаты и пружинного механизма. При сильном ветре боковая лопата работает как рычаг, поворачивая ветроколесо выводит его из воздушного потока.
Бурезащита ветрогенератора складыванием хвоста
Как защитить ветрогенератор от сильного ветра ведь к примеру при урагане запросто могут не выдержать лопасти и по-отлетать. Или что еще хуже не выдержит мачта, например оторвет растяжки и ветрогенератор рухнет сметая все на пути падения. Конечно для небольших ветрячков с диаметром винта до 1,5м защита от сильного ветра не особо актуальна, так-как нет такого огромного давления на винт. А вот для больших ветряков бурезащита обязательна, большой винт при урагане испытывает огромное давление и тут не только лопасти могут отлететь, но и стальные тросы может порвать или вырвать с корнем из земли. Ну в общем я думаю понятно что без защиты особенно в близи людей и строений ветряк лучше не ставить, раз в год как минимум ураганы все равно бывают.
В заводских ветрогенератора бурезащита уже заложена, для малых ветряков как правило используется электротормоз. То-есть при достижении определенных оборотов, контроллером импульсно закорачиваются фазы генератора и винт теряет обороты сбрасывая мощность. Или же защита совсем не предусмотрена и контроллер тормозит закорачивая генератор только когда напряжение превысит определенное значение, к примеру 14 вольт для двенадцативольтовой системы. Для самодельных небольших ветряков часто делают самодельные контролеры (балластные регуляторы) которые так же тормозят ветряк при превышении напряжения, тормозят включением дополнительной нагрузки в виде лампочек или нихромных спиралей, теннов. Или покупают готовые контроллеры где все уже есть и торможение и принудительная остановка ветряка.
Большие ветряки кроме контроллера должны иметь и механическую защиту так как большие винты отбирают огромную мощность на сильном ветру и уходят «в разнос» и даже полное замыкание генератора не останавливает винт. В заводских ветряках защита обычно выполнена методом поворота хвоста и винт отворачивается в сторону от ветра. У «ветроловов» за основу взят ставший уже давно классическим метод увода винта от ветра складыванием хвоста. Вот о этой схеме и пойдет речь далее.
Схема защиты от сильного ветра
Схема расположения узлов для реализации защиты от урагана методом увода ветроголовки из под ветра складыванием хвоста. Если присмотреться то на рисунке видно что генератор смещен относительно цента поворотной оси. А хвост одет на «палец», который приварен с боку под углом, по вертикали 20 градусов и по горизонтали на 45 градусов.
Защита работает так. Когда нет ветра и винт не вращается хвост отклонен на свои 45 градусов и висит в сторону. С появлением ветра винт поворачивается и начинает вращаться, а хвост поворачивается по ветру и выравнивается. При превышении определенной скорости ветра давление на винт становится больше чем вес хвоста и он отворачивается, а хвост складывается. Как только ветер ослабевает хвост под весом снова раскладывается и винт становится на ветер. Чтобы при складывании хвост не повредил лопасти, приваривают ограничитель.
Принцип защиты ветрогенератора
Четыре этапа, на которых видно как происходит защита ветряка от сильного ветра
Тут основную роль играет вес хвоста и его длинна и площадь оперения, а так же расстояние на которое смещена ось вращения винта. Для расчета есть формулы, но люди для удобства написали таблички эксель по которым все считается в два клика. Ниже привожу две таблички взятых с форума windpower-russia.ru
Скриншот первой таблички. В желтые поля вводите данные и получаете нужную длину хвоста и вес его кончика. Площадь оперения по умолчанию 15-20% от ометаемой площади винта.
Расчет хвостового оперения
Скриншот таблицы «расчет хвостового оперения для ветрогенератора»
Вторая табличка немного отличается, Тут можно изменять угол отклонения хвоста по горизонтали. Он в первой таблице считается как 45 градусов, а здесь его можно менять также как и отклонение по вертикали. Плюс добавляется пружина, которая дополнительно удерживает хвост. Пружина устанавливается как сопротивление складыванию хвоста для более быстрого возврата и чтобы снизить вес хвоста. Так же в расчете учитывается площадь оперения хвоста.
Расчет хвостового оперения 2
Скриншот таблицы «расчет хвоста для ветрогенератора 2»
Так же вес хвоста и другие параметры можно рассчитать вот по этим формулам
Сама формула Fa*x*pi/2=m*g*l*sin(a).
Fa — осевая сила на винт.
по Сабинину Fa=1,172*pi*D^2/4*1,19/2*V^2
по Жуковскому Fa=0,888*pi*D^2/4*1,19/2*V^2,
где D — диаметр ветроколеса, V скорость ветра;
x — искомое смещение (offset) от поворотной оси до оси вращения вин;
m — масса хвоста;
g — ускорение свободного падения;
l — расстояние от пальца до центра тяжести хвоста;
a — угол наклона пальца.
К примеру винт диаметром 2 метра, скорость ветра, при которой хвост должен сложиться =10 м/с
считаем по Жуковскому Fa=0,888*3.1415*2^2/4*1.19/2*10^2=165Н
масса хвоста =5 кг,
расстояние от пальца до центра тяжести хвоста =2м,
угол наклона пальца =20 градусов
Также более понятный расчет массы хвоста
0.5*Q*S*V^2*L1*п/2=М*L2*g*sin(a), где:
Q — плотность воздуха;
S — площадь винта(м^2);
V — скорость ветра(м/с);
L1 — смещение оси поворота ветроголовки от оси вращения винта(м);
M — масса хвоста(кг);
L2 — расстояние от оси поворота хвоста до его центра тяжести(м);
g — 9,81 (сила тяжести);
a — угол наклона оси поворота хвоста.
Ну вот наверное и все, в принцепе табличек эксель вполне достаточно для расчета, хотя можно воспользоваться и формулами. Минус такой схемы защиты это рыскание винта при работе и несколько запоздалая реакция на изменение направления ветра из за плавающего хвоста, но это не особо отражается на выработке энергии. Кроме того есть еще вариант защиты «всплытием» винта.Генератор ставят выше и он опрокидывается при этом винт как бы ложится отворачиваясь от ветра, генератор в этом случае подпирает амортизатор.
Как защиты ветряка от сильного ветра
Максимальная скорость ветра, допустимая для эксплуатации ветрогенератора своими руками, равна 20-25 метрам в секунду. В случае превышения данного показателя скорости потока воздуха, работу станции необходимо ограничивать. Причем делать это нужно даже в том случае, если ветряк относится к типу тихоходных.
Конечно, вряд ли самодельному ветряку удастся раскрутиться до такой скорости, что он разрушится полностью. Но в истории существует много случаев, когда энтузиасты возводили свои собственные ветроэлектрогенераторы, но не предусматривали никакой защиты от сильного ветра. В результате этого у них даже прочные оси автомобильного генератора не выдерживали всей нагрузки и ломались как спички. Поєтому если ветер сильный, то давление на хвост оперения значительно увеличивается, а в случае резкого изменения направления потока воздуха генератор будет резко крутиться.
Принимая в учет то, что при высоких показателях скорости ветра крыльчатка генератора способна вращаться достаточно быстро, то вся конструкция превращается в гироскоп, противящийся любым поворотам. Это становится причиной сосредоточения на валу генератора значительных нагрузок между ветроколесом и рамой.
Кроме всего прочего колесо с диаметром в 2 метра будет обладать высокими показателями аэродинамического сопротивления. При сильном ветре это грозит высокими нагрузками на мачту. А поэтому для более надежной и длительной эксплуатации ветрогенератора, стоит побеспокоиться о защите.
Проще всего использовать для подобных целей так называемую боковую лопату. Это весьма простое устройство, способное существенно сэкономить средства, силы и время, затраченные на возведение станции.
Работа такого устройства заключается в том, что при рабочем ветре со скоростью в 8 м/с давление ветра на конструкцию ниже давления пружины защиты. Это позволяет генератору работать в обычном режиме и держаться по ветру при помощи оперения. Чтобы в рабочем режиме ветряк не складывался, имеется растяжка между боковой лопатой и хвостом. Но при сильном ветровом потоке, давление на ветроколесо превышает силу давления пружины, в результате срабатывает защита. Когда генератор начинает складываться, ветровой поток попадает на ветрогенератор под углом, что серьезно сокращает его мощность.
При очень высоких показателях скорости ветра защита полностью складывает генератор, который ложится параллельно направлению ветрового потока. В результате практически полностью прекращается работа ветряка. Стоит заметить, что в таком случае хвост оперения не крепится жестко с рамой, а имеет возможность вращения. Шарнир, который при этом используется, должен изготавливаться из высокопрочной стали, а его диаметр не должен быть менее 12 миллиметров.
Источник https://sam-stroitel.com/xvost-vetrogeneratora.html
Источник http://e-veterok.ru/zachita_vetrodeneratora_ot_silnogo_vetra.php
Источник https://vetrogenerator.com.ua/vetrogenerator/gorizontal/138-zaschita-samodelnogo-vetryaka-vetrogeneratora-ot-silnogo-vetra.html
