Парусный ветряк: анализ конструкции и примеры использования
Экология потребления.Наука и техника: Можно сказать, что парусный ветряк один из самых простых, но в тоже время один из самых неэффективных существующих ветряков. КИЭВ парусного ветряка не может быть выше 20% даже теоретически.
Человечество использует паруса с незапамятных времен, уже много тысяч лет. Вобщем, сколько себя помнит. Когда о аэродинамике еще и понятия не имели. Но ветряные мельницы уже крутились и лодки под парусами уже плавали. Правда в те времена пользовались обычно плоскими парусами. В средние века были изобретены паруса более совершенные, что тут же повлекло резкий скачок в развитии мореплавания, и как следствие — наиболее громкие географические открытия. Но до сих пор парус продолжает служить и будет служить людям до тех пор, пока дует ветер.
Как выглядит парусный ветряк вам должно быть понятно из фотографий. Не вдаваясь в дебри аэродинамики, можно сказать, что парусный ветряк один из самых простых, но в тоже время один из самых неэффективных существующих ветряков. КИЭВ парусного ветряка не может быть выше 20% даже теоретически. Это означает, что вы будете получать только 1/5 часть мощности ветрового потока, попадающего на лопасти парусного ветряка. Например, если ветер дует со скоростью 5 м/с, а ветряк у вас 5 метров в диаметре, то мощность ветрового потока будет ок. 1500 Ватт. Вы же реально можете снять с ветряка только 300 Ватт (в лучшем случае). И это с пятиметровой конструкции!
К счастью только низким КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) недостатки парусного ветряка и ограничиваются. Дальше идут только достоинства.
Парусный ветряк — самый тихоходный ветряк. Его быстроходность редко приближается к 2, а обычно находится в диапазоне от 1 до 1,5. И все из за его чудовищной аэродинамики.
С другой стороны, парусный ветряк — один из самых чувствительных ветряков. Он работает с самого низа диапазона скоростей ветра, начиная буквально от штиля, с 1-2 метров в секунду. А это намаловажный фактор в условиях центральной России, где ветер редко бывает больше 3-5 метров в секунду. Тут, где более быстроходные ветряки по большей части бьют баклуши, парусный ветряк будет хоть что то выдавать. Хотя, как вам наверное известно, Россия не славится ветряными мельницами, тут не приморская Голландия и ветра нас не балуют. Зато было много водяных мельниц.
Еще одним достоинством парусного ветряка является удивительная простота его конструкции. Вал ветряка, на подшипниках, естественно, на валу — ступица. К ступице прикреплены «мачты», обычно из от 8 до 24-х. А от мачт отходят косые паруса из прочной тонкой материи, как правило, синтетической. Другая часть паруса крепится шкотами, которые выполняют и роль регуляторов угла поворота парусов и роль противоштормовой защиты. Т.е. самое примитивное парусное вооружение, проще, чем на самой простой яхте.
Именно эта простота конструкции и не позволяет отправлять парусный ветряк в архив технических достижений человечества. Для переносного, перевозного, походного, аварийного варианта парусный ветряк — достаточно достойная конструкция. В собранном варианте он представляет собой упаковку не больше, чем палатка. Паруса свернуты, мачты сложены. Даже 2-х метровый парусный ветряк на ветре в 5 метров/сек даст верных 25-40 Ватт энергии, чего с лихвой хватит для зарядка аккумуляторов и связной и навигационной аппаратуры, да и для незамысловатой системы освещения на мощных светодиодах хватит.
Невысокая по определению мощность парусного ветряка наводит на мысль о применении в качестве генератора шагового двигателя аналогичной мощности ( 30-40 Ватт). Ему тоже не требуются высокие обороты, 200-300 в минуту вполне хватит. Что идеально согласуется с частотой оборотов ветряка. Ведь он при быстроходности 1,5, будет выдавать эти 200 оборотов уже при ветре 4-5 метров в секунду. Используя готовый шаговый двигатель вы тем самым избавите себя от достаточно серьезной мороки по изготовлению электрогенератора. Поскольку изначально подразумевается наличие редуктора или мультипликатора, то легко можно согласовать обороты парусного ветряка и генератора.
Если сделать вариант с жесткими (пластиковыми парусами), то можно будет несколько увеличить быстроходность, правда за счет некоторого снижения мобильности. В разобранном виде ветряк будет занимать больше места.
Поэтому если ваши амбиции по запряганию ветра в свою телегу ограничиваются мощностью в пару-тройку десятков Ватт для зарядки небольших и средних аккумуляторов, (до 100 А.ч), организацией простого освещения с помощью инвертора до 220 вольт и энергосберегающих ламп, то парусный ветряк — весьма и весьма достойный вариант. Это будет пусть и не самый эффективный в плане использования энергии ветра, но очень бюджетный и быстро окупаемый вариант. 2-3 метровый ветряк будет выдавать вам до 1 КВт энергии в сутки.
В качестве походного, парусный ветряк будет дешевле самого дешевого бензинового электрогенератора и окупит себя изначально.
Стационарные парусные ветряки строят изначально большие именно из-за их невысокого КИЭВ. Не менее 5-6 метров диаметром, иначе нет смысла. Такой ветряк уже стабильно будет выдавать до 2-3 Квт энергии в сутки. И при рачительном ее использовании, их можно превратить в 3-5 Квт осветительной энергии (например для освещения теплицы или парника). А при использовании теплового насоса — в 5-6 Квт тепловой энергии, что позволит отапливать небольшой садовый домик в 20-30 кв. метров и серьезно экономить топливо.
Поэтому парусный ветряк, несмотря на свою архаичность конструкции остается способом использования ветра все еще заслуживающим внимания. Особенно в зоне слабых ветров.
Верхний предел рабочей скорости ветра у парусного ветряка не более 10-12 метров в секунду. И то у самых надежных ветряков. Поэтому при конструировании парусного ветряка следует серьезно озаботиться штормовой защитой. Например сделать «ломающиеся» мачты, на основе конструкции антенны Куликова, или придумать устройство расслабляющие шкоты, что бы превратить паруса во флаги, или складывать мачты при помощи тросов –растяжек, и т.д. опубликовано econet.ru
История проекта Парусный ветрогенератор часть 1
Все строительство ветрогенератора с начала построения макета и до готовой конструкции растянулась с декабря 2005г. по сентябрь 2009г. Сперва была сделана модель парусного ветряка чтобы понять как работает ветрогенератор и на что он вообще способен, как ведут себя парусные лопасти. В начале декабря 2005-го года сделал простенькую модель из подручного материала. Основа парусника — оси фиксатора 5-дюймового дисковода и оказалось, что модель прекрасно крутится и вполне работоспособна. Так как до этого с ветряками не сталкивался, то нужно было понять с самого начала как это все работает.
Дальше буду размещать фотографии почти в хронологическом порядке, по порядку пойдут по мере изготовления узлы и детали ветряка. Так сейчас выглядит ступица, а вначале была без ”оттяжек”, пока в октябре 2006-го ветер 20-22 м/с аккуратно не согнул 7мм диск в ”крышку кастрюли” с 8 мм глубиной прогиба. На 2-oм фото — в сборе со спицами, потом — первая сборка февраль 2006г.
Одна из первых фотографий, ступица со спицами и примерка паруса
Сначала паруса решили сделать из имеющейся в наличие ткани, кроме старых простыней подобрать в нужном количестве ничего не удалось, решили шить из простыней. Как два первых паруса были готовы решил сразу их опробовать, раздобыл подходящий столбик и установил колесо прямо во дворе, ось на высоте 2,5 м. Вращение снимал на видео, на раскадровке анализировалась работа паруса и каждая следующая пара изготавливалась с учетом недостатков предыдущей.
После установки и натяжки всех парусов ветряк стал страгиваться от любого малейшего ветерка. Проверял когда начинает страгиваться по по крыльчатому анемометру, оказалось что при ветре 0,3-0.4 м/с, если конечно это можно назвать ветром, вот оно преимущество паруса над лопастью, больше площадь больше стартовый момент. Дальше пошли испытания на тягу и мощность. На хвост оси установил шкив диаметром 7,5см, на него — шнур, к шнуру — груз, отметил метр на столбe и теперь с секундомером можно замерять мощность. Во-первых по отрыву груза от земли определил ”стартовый” крутящий момент: примерно 5 н/м при ветре в 0,8-1,0 м/с.
Двухмесячные испытания ветряка с лопастями из простыней показали что ткань никуда не годится, слишком слабый материал. Зато выработалась некоторая концепция формы парусов, и способ их установки и растяжки. Эту схему изготовления и монтажа парусов использую до сих пор (сегодня август 2009). Новые паруса сделали из баннерной ткани, такую ткань применяют для наружной рекламы, материал очень прочный с очень гладкой поверхностью. Бывает разной толщины, 600-900 г/кв.м. Это не-тканный материал, запеченный между слоями ПВХ. За первые 7 месяцев испытаний (май-ноябрь 2006) они неоднократно рвались и я усиливал слабые места. На первом фото — шкотовый угол. Теперь, то-есть до сих пор держат нормально. На следующем фото статические испытания. По Бернулли ветер 25 м/сек давит на 1 кв.м. с силой в 40 кг.
Весной, в мае появилась первая листва на деревьях, которая перекрыла доступ ветра к моему ветроколесу, по-этому пришлось искать ветер и перенести всю конструкцию на берег озера. Ветряк удален от дома около 100 метров, поставил так чтобы из окна дома его можно было видеть. Так как ветряк теперь от дома далеко, а все технические изменение получается делать только дома, то пришлось звать на помощь соседей чтобы приносить и уносить ветроколесо, которое весит 48 килограмм. Звать соседей приходилось с частотой 2-3 раза в месяц, ох и интересно им было наверно таскаться с моим чудом техники. Ниже на фото тормозная система ветряка.
Ветроколесо как оказалось имеет огромный крутящий момент на валу. Уже при ветре в 4-5 м/с руками колесо не остановишь. При этом обороты колеса вхолостую 40-50 об/мин. Вначале для торможения использовал лассо, набрасывая его на спицы, а потом пришлось делать тормоз. Колодки, и диск — из коробки сцепления Гольфа. Рычаг тянется вниз, тяги прижимают колодку. Там-же видна и резина между обоймами подшипников оси и площадкой головки — вибрации снимать. Последующие испытания показали неэффективность этого тормоза и я его снял. На ветрах выше 6-7м/с он уже не тормозит. Оказалось что у меня эффективно работает электро тормоз генератором. С передачей 15:1 закорачивание обмоток генератора настолько замедляет колесо, что его можно остановить рукой.
Теперь нужно было определить мощность и КИЭВ ветрколеса моего парусного ветрогенератора. В теории все очень просто, шкив на оси наматывает на себя шнур с грузом, который проходит определенное расстояние по вертикали за определяемое время, и одновременно определяется скорость ветра и скорость вращения колеса. Но практически это оказалось очень трудно. Как груз использовал ведра с кирпичами, на шкив наматывал шнур и давал пару метров слабины чтобы колесо разогналось и смотрел с какой скоростью поднимается груз по отметкам на столбе и секундомеру, при этом одновременно надо было зафиксировать скорость ветра и обороты ветроколеса.
Испытания показали что при ветре до 2 – 2.5 м/с ветроколесо хоть как-то реагировало на вес снижением оборотов, и хоть как-то замеры можно было сделать, а вот после 3.5- 4 м/сек груза оно вообще не замечало, два ведра с кирпичами = 68 кг и + кусок рельса – в сумме = 115 кг и больше мне подвесить было нечего.
Испытания проводил когда тормоз еще не сделал, бывало что ведра утягивало вверх так что рвался шнур или накручивало душки ведер на шкив, так что кирпичи летели во все стороны. Пришлось срочно делать тормоз.
Это просто шкив на оси с охватывающей его металлической лентой, один конец которой закреплен, а второй, через динамометр, рычаг тянет вниз, прижимая к шкиву. Сила тяги и параметры шкива и ленты позволяют рассчитать тормозное усилие. Лента – обычная обвязочная, железная, мягкая. К тому времени обзавелся и показателем оборотов, велосипедным. Результаты – как и с грузом, до 2-2.5 м/сек все работает, а выше – лента за секунды раскаляется докрасна и рвется. Бросил я тогда эти замеры и только много позже додумался – привязал колесо за конец спицы через динамометр. Ветер 5-6 м/сек дует, колесо привязано, не крутится, но тянет (страгивающий момент) и динамометр показывает 18 кг на плече в 210 см, а это на шкиве 3.5 см радиуса дает тягу более тонны. Понятно стало, почему с грузом замеры не получились.
С генератором решил не мучится и купить готовый. Генератор — купил на 48V, 1KW. Трехфазный, обмотки соединены треугольником. Вес генератора около 7 кг. Прокрутил на токарном станке при нагрузке по 5 ом на фазу — на 630 об/мин выдал 11А и 54В (около 1,7 KW). Момент страгивания без нагрузки 4-4,5 Нм. Приделал к нему шкив под ремень.
Генератор закреплен на пластине, которая притягивается на болтах к кронштейну и двигается чтобы натянуть ремень. Мультипликатор делался на глазок так как быстроходность ветроколеса так и осталась неизвестной. Первый мультипликатор был 8:1 под зубчатый ремень. Вырезал болгаркой из фанеры толщиной 25 мм. 3убчики рисовал и выпиливал тоже болгаркой. Получилось правда не точно как не старался, зубья набегали друг на друга и дергали генератор. Потом сделал еще один мультипликатор 5:1 и тоже с зубчиками не получилось. Тогда заказал из алюминия, работало нормально. Но оказалось что выше 3-4 м/сек колесо генератором (даже короткозамкнутым) не нагружается. Поставил колесо от мопеда под поликлиновый ремень, вышло 10:1. Но за пару дней при умеренном ветре колесо стало яйцом. Перетянул и через два дня опять яйцо. Тогда вырезал такой-же диск из фанеры и он до сих пор нормально держит. Замеры при 6-8 м/сек показали снижение холостых оборотов на 20-30% при нагрузке, а по теории надо было — до 50%, так что колесо остается недогруженным. Если когда сподвигнусь — сделаю 16:1 и двухступенчатый.
Далее на следующей странице продолжение строительства парусного ветрогенератора, щеточный узел, установка мачты, оборудование мачты, электрическая часть и другое. Фото и данные взяты с источник
Парусный ветрогенератор
Парусный ветрогенератор отличается материалом своих рабочих лопастей. Если в ветрогенераторах обычных типов лопасти – жёсткие, то здесь они изготавливаются из материалов, которые могут под действием ветра изменять площадь своей рабочей поверхности: парусины, брезента, нетканых слоистых материалов.
О недостатках ветрогенераторов с жёсткими лопастями
Ветрогенераторы традиционного исполнения – системы весьма инерционные: для того, чтобы раскрутить лопасти до более-менее значительной угловой скорости, необходим сильный ветер. Это подтверждается и многочисленными теоретическими выкладками, и практическими вариантами различных конструкций данных ветрогенераторов. Итог неутешителен: например, для лопастей или винта с размахом 3 м, и при минимально необходимом числе оборотов генератора 400 мин -1 , окружная скорость винта/лопасти должна быть не менее 500 км/ч! Иначе, требуемый перепад давлений, при котором жёсткая лопасть не только начнёт вращаться, но и станет при этом вырабатывать хоть какую-нибудь электроэнергию, соответствует скорости ветра не менее 10 м/с. Но и это ещё не всё. Распределение давления ветра на жёсткие лопасти происходит крайне неравномерно: большая часть приходится на центральную часть лопасти, угловая скорость которой намного ниже, чем периферийных областей. Такой неприятный факт приводит к тому, что для увеличения коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) – аналог более привычного термина КПД — необходимо увеличивать размах лопастей до неприлично больших размеров – 10 и более метров! И сразу возникают проблемы – где установить такой монстр, как защитить птиц от истребления вращающимися лопастями, каким образом обслуживать и т.д. И даже в наиболее оптимистичных конструкциях ветрогенераторов с жёсткими лопастями их КИЭВ не превышает 20%.
Виды парусных ветрогенераторов
Практически разрабатываются в двух вариантах:
- с круговыми парусными лопастями;
- с круговым парусным колесом.
Ветрогенераторы первого исполнения используют парусные лопасти треугольной формы. Форма треугольника подбирается индивидуально, в зависимости от силы ветра в данной местности. Во многих случаях из-за простоты используют заваленный прямоугольный треугольник (см. рис. 1), хотя для промышленного изготовления более технологичными будут парусные лопасти в виде равнобедренных треугольников (см. рис.2).
В чём же эффективность использования парусных лопастей?
Весь секрет – в упругости материала лопасти, благодаря чему струя воздуха при встрече с поверхностью паруса отклоняется на некоторый угол в сторону и передаёт при этом свою кинетическую энергию парусной лопасти. Последняя начинает вращаться (быстрее это получится у лёгких лопастей с большой площадью) и передавать полезную энергию валу электрогенератора. Вследствие этих особенностей парусный ветрогенератор начинает производить полезную работу уже при скоростях ветра 5 м/с – вдвое меньших, чем для генератора с жёсткими лопастями.
Такие парусные генераторы разрабатываются и производятся во многих странах мира: в США, Франции, России (СКТБ «Энергия-гравио», г.Таганрог) и др.
Вместе с тем парусные ветрогенераторы лопастного исполнения обладают существенными недостатками – низкой стойкостью лопастей (вызванной ограничениями по применяемым материалам) и всё же недостаточным (хотя и большим, чем у ветрогенераторов с жёсткими лопастями) КИЭВ. Объясняется это тем, что круговой парус по определению не сбалансирован, не уравновешен и, следовательно, активен только с одной стороны. При внезапном изменении направления ветра такая лопасть сначала остановится, а потом очень медленно начнёт набирать обороты.
Таких недостатков лишен парусный ветрогенератор с парусным колесом, разрабатываемый и производимый фирмой Saphon Energy (Тунис). В генераторе Saphonian лопасти и вращающиеся части отсутствуют. Внешне конструкция схожа со спутниковой антенной (см. рис. 3).
С помощью воздушных клапанов парус ветрогенератора совершает возвратные высокочастотные колебательные движения. При помощи механической системы эти колебания воспринимаются поршнями гидравлической системы, которые преобразуют энергию получаемой энергии в давление несжимаемой жидкости. Именно энергия давления этой жидкости и используется в дальнейшем для вращения вала электрогенератора.
КИЭВ генератора Saphonian достигает 80%, что в 2 раза превышает эффективность лопастных парусных генераторов. И хотя, строго говоря, Saphonian не представляет собой парусный ветрогенератор в «чистом» виде, его принцип работы заслуживает самого широкого рассмотрения и внедрения.
Источник https://econet.ru/articles/141877-parusnyy-vetryak-analiz-konstruktsii-i-primery-ispolzovaniya
Источник http://e-veterok.ru/istoriya-proyekta-parusnyy-vetryak.php
Источник https://stronews.ru/parusnyj-vetrogenerator/
