Jaká je délka lopatky větrného mlýna?

VĚTRNÝ MOTOR
zařízení, které přeměňuje větrnou energii na rotační energii. Hlavní pracovní částí větrné turbíny je rotační jednotka – kolo poháněné větrem a pevně spojené s hřídelí, jejíž rotace pohání zařízení, které vykonává užitečnou práci. Hřídel lze instalovat vodorovně nebo svisle. Větrné turbíny se obvykle používají k výrobě energie spotřebovávané periodicky: při čerpání vody do nádrže, mletí obilí, v dočasných, nouzových a místních napájecích sítích.
Odkaz na historii. Přestože přízemní větry ne vždy vanou, mění svůj směr a jejich síla není konstantní, je větrná turbína jedním z nejstarších strojů na získávání energie z přírodních zdrojů. Vzhledem k pochybné spolehlivosti starověkých písemných zpráv o větrných turbínách není zcela jasné, kdy a kde se takové stroje poprvé objevily. Ale, soudě podle některých záznamů, existovaly již před 7. stoletím. INZERÁT Je známo, že se používaly v Persii v 10. století a v západní Evropě se první přístroje tohoto typu objevily na konci 12. století. V průběhu 16. stol. Konečně vznikl stanový typ holandského větrného mlýna. Žádné výrazné změny v jejich konstrukci nebyly pozorovány až do počátku 20. století, kdy se v důsledku výzkumu výrazně zlepšily tvary a povlaky mlýnských křídel. Jelikož jsou pomaloběžné stroje těžkopádné, v druhé polovině 20. stol. začaly stavět vysokorychlostní větrné turbíny, tzn. ty, jejichž větrná kola dokážou vykonat velký počet otáček za minutu s vysokou účinností využití větrné energie.
Moderní typy větrných turbín. V současné době se používají tři hlavní typy větrných turbín: bubnové, křídlové (šroubové) a rotorové (s profilem odpuzovače ve tvaru S).
Buben a lopatka. Přestože větrné kolo bubnového typu má ve srovnání s jinými moderními odpuzovači nejnižší míru využití větrné energie, je nejpoužívanější. Mnoho farem jej používá k čerpání vody, pokud z nějakého důvodu není k dispozici elektřina. Typický tvar takového kola s plechovými lopatkami je na Obr. 1. Větrná kola bubnového a lopatkového typu se otáčejí na vodorovné hřídeli, takže pro dosažení nejlepšího výkonu musí být otočena proti větru. K tomu dostávají kormidlo – list umístěný ve svislé rovině, který zajišťuje otáčení větrného kola do větru. Průměr kola největší větrné turbíny na světě lopatkového typu je 53 m, maximální šířka jeho lopatky je 4,9 m. Větrné kolo je přímo napojeno na elektrický generátor o výkonu 1000 kW, který se vyvíjí při větru rychlost minimálně 48 km/h. Jeho lopatky jsou nastaveny tak, že rychlost otáčení větrného kola zůstává konstantní a rovná se 30 ot./min v rozsahu rychlosti větru od 24 do 112 km/h. Vzhledem k tomu, že v oblasti, kde se takové větrné turbíny nacházejí, poměrně často fouká vítr, vyrábí větrná turbína obvykle 50 % maximálního výkonu a napájí veřejnou elektrickou síť. Lopatkové větrné turbíny jsou široce používány v odlehlých venkovských oblastech k poskytování elektřiny farmám, včetně nabíjení baterií radiokomunikačních systémů. Používají se také v palubních pohonných systémech letadel a řízených střelách.

Obr.1. Typ bubnu PŘEDNÍ KOLO.

Rotor ve tvaru S. Rotor ve tvaru S namontovaný na svislé hřídeli (obr. 2) je dobrý, protože větrnou turbínu s takovým odpuzovačem není třeba přivádět do větru. Přestože se točivý moment na jeho hřídeli mění od minima do jedné třetiny maximální hodnoty v polovině otáčky, nezávisí na směru větru. Při otáčení hladkého kruhového válce vlivem větru působí na tělo válce síla kolmá na směr větru. Tento jev se nazývá Magnusův jev podle německého fyzika, který jej studoval (1852). V letech 1920-1930 používal A. Flettner rotující válce (Flettnerovy rotory) a rotory ve tvaru S namísto lopatkových větrných kol a také jako pohony lodi, která uskutečnila přechod z Evropy do Ameriky a zpět.

Rýže. 2. ROTOR VE TVARU S (koeficient využití větru 30-35 %, w/u = 1,8).

Míra využití větrné energie. Výkon získaný z větru bývá malý – necelé 4 kW vyvíjí zastaralý typ holandského větrného mlýna při rychlosti větru 32 km/h. Síla proudění větru, kterou lze využít, je tvořena kinetickou energií vzdušných hmot, které se za jednotku času rozmetají kolmo na plochu dané velikosti. U větrné turbíny je tato oblast určena návětrnou plochou odpuzovače. Vezmeme-li v úvahu nadmořskou výšku, tlak vzduchu na něm a jeho teplotu, je dostupný výkon N (v kW) na jednotku plochy určen rovnicí N = 0,0000446 V3 (m/s). Koeficient využití větrné energie je obvykle definován jako poměr výkonu vyvinutého na hřídeli větrné turbíny k dostupnému výkonu proudění větru působícího na návětrný povrch větrného kola. Tento koeficient se stává maximálním při určitém poměru mezi rychlostí vnější hrany listu větrného kola w a rychlostí větru u; hodnota tohoto poměru w/u závisí na typu větrné turbíny. Koeficient využití větrné energie závisí na typu větrného kola a pohybuje se od 5-10 % (holandský mlýn s plochými křídly, w/u = 2,5) do 35-40 % (profilovaný křídlový odpuzovač, 5 Ј w/u Ј 10) .
REFERENCE
Větrná energie. M., 1982 Yaras L. a kol. M., 1982

Collierova encyklopedie. — Otevřená společnost. 2000.

Předchůdci větrných mlýnů se objevili před téměř čtyřmi tisíci lety v Egyptě. Zpočátku měl větrný mlýn konstantní směr lopatek a řemenový pohon k ose kamenného mlýnského kamene. Později se v návrhu objevila ozubená kola, ložiska a otočné mechanismy. Takové zařízení se úspěšně používalo bez radikálních změn až do začátku minulého století a používá se i nyní.

Důvody úspěchu větrné energie

Vlastnosti větrné energie jsou jedinečné. Zvláštní zmínku si zaslouží vlastnosti, které přispěly k dlouhodobému úspěchu větrných mlýnů. Srovnání charakteristik zdrojů energie nám umožňuje pochopit tak dlouhotrvající a geograficky rozšířené využití větrné energie:

• vítr je svobodný a nevyčerpatelný. To lze říci pouze o vodě, slunci a geotermálních zdrojích. Tím se jaderná energie, uhlí a ropa chlubit nemohou;
• Přeměna větru je proces šetrný k životnímu prostředí, stejně jako všechny přírodní zdroje energie. Ale ropa, uhlí a jaderné reakce, když jsou transformovány, produkují odpad, který je škodlivý pro flóru a faunu, včetně lidí;
• vítr je dostupný kdekoli na planetě. Totéž lze říci o solární energii. Žádný jiný zdroj energie není rozšířenější;
• Přeměna kinetické energie větru je velmi jednoduchá. Stejná jednoduchost je vlastní pouze energii říční vody. Z jakéhokoli jiného zdroje bude možné získat kinetickou energii pouze pomocí komplexních technologií, vytvářením speciálních struktur a zařízení, jejich neustálým sledováním a řízením procesu.

Vítr má ale i nevýhody. Například pověstná nestálost. Směr větru se mění tak často, že bylo dokonce nutné vytvořit mlýny s rotačním tělesem. A změna síly větru z hurikánu na klid nám neumožňuje počítat se stabilitou dodávek energie. Jiné přírodní zdroje energie jsou také nestabilní a mají své nevýhody. Slunce v noci nedodává energii a přes den může jít za mraky. Ne všude jsou řeky a tam, kde jsou, mohou vyschnout nebo zamrznout na měsíce.

Další nevýhodou je nízká hustota větru – 1,29 kg/m3. Například hustota vody je téměř tuna. Pro získání stejného množství energie musí být plocha lopatek větrného mlýna 750krát větší než plocha vodního mlýna. A pro takové struktury musí existovat odpovídající bydlení.

Nicméně již téměř čtyři tisíce let je vítr jako zdroj energie žádaný na evropském, asijském a afrických kontinentech. A teď na něj nezapomenou.

Jak vítr otáčí lopatky

Protože vzduch má hmotnost, pohyb vzduchu má kinetickou energii. Když se objekt objeví v dráze větru vanoucího určitým směrem, lze jejich interakci popsat pomocí silových vektorů. Vítr překážku zatlačí a sám se vytlačí opačným směrem. V tomto případě se čepel připevněná k ose konstrukce ohne podél osy otáčení a otáčí se na ní. Graficky to vypadá takto:

Po kontaktu se vítr odráží od čepele a zanechává jí určitou energii:

1. ohnout lopatku ve směru větru, kterému konstrukce odolává silou Fl2-1, čímž vzniká potenciální energie. Vektor síly větru Fв2-1 se sníží o velikost této síly;
2. vytváří kinetickou energii rotace, na čepel působí síla Fl2-2. Současně se snižuje vektor síly větru Fв2-2 a mění se jeho směr.

Množství kinetické energie přenášené větrem přes lopatky závisí na hmotnosti vzduchu interagujícího s lopatkou, rychlosti jejího pohybu, směru vzhledem k lopatkám – čím kolmější, tím lépe.

V samotném mlýně je kromě konstrukce lopatek možné minimalizovat ztráty třením použitím ložisek na ose a ozubených kol v převodovém mechanismu, nebo instalací generátoru přímo na osu lopatek.

Když víte, jak mlýn funguje, můžete si ho zkusit vyrobit sami. Alespoň pro dekorativní účely.

Jak vypočítat křídla mlýna

Nejprve se musíte rozhodnout, proč a kde postavit mlýn. Větrný stroj je obvykle instalován na otevřeném prostranství, například – na chatě. Pokud stromy rostou blízko a hustě kolem plotu, budete muset udělat vysoký kryt pro větrný mlýn. V tomto případě bude vyžadována nadace.

Nízké, ale těžké budovy také potřebují základ. Pro letní chaty stačí po obvodu budoucí budovy položit beton nebo husté řady cihel do hloubky 0,7 metru. U dekorativních konstrukcí postačí lešení a zhutnění jedné vrstvy cihel, která konstrukci izoluje od vlhkosti.

Nyní se musíme rozhodnout, proč by měl být mlýn postaven. Existuje mnoho možností:

• pro zvedání vody ze studny;
• vyrábět elektřinu;
• odpuzovat krtky;
• pro uložení zahradního nářadí;
• pro dekorativní účely.

Pořadí možností je uvedeno pro snížení energetických nároků zařízení, tzn. pro zjednodušení mechanismu. Stanovení požadavků na design zůstává právem a odpovědností vlastníka.

Okamžitě si připomeňme, že skutečný výkon domácího větrného mlýna nepřesahuje 500 W při rychlosti větru 5-8 m/s. Elektřinu však lze akumulovat, včetně, v případě potřeby, výkonných spotřebičů na krátkou dobu. Například čerpadlo na zvedání vody.

Hlavní věcí ve větrném mlýně jsou lopatky. Za prvé, abyste určili konstrukci lopatek, musíte vědět, že čím větší výkon, tím větší projekční plochu v rovině otáčení by lopatky měly mít. Toho je dosaženo zvýšením počtu, délky, plochy a úhlu natočení lopatek.

Chcete-li vypočítat průměrnou sílu konstrukce, budete potřebovat znát sílu obvyklých větrů pro oblast výstavby. Kromě toho musí být lopatky mlýna kolmé na převládající směry větru. Tyto informace byste měli najít na internetu vyhledáním „statistiky rychlosti větru“ a „větrné růžice“ pro váš region.

Zbývá jen vypočítat velikost lopatek. Například průměrný vítr je 5 m/s a spotřeba elektrického spotřebiče je 100 W. Ztráty při přeměně kinetické energie rotace osy mlýna na elektrickou energii budou asi 20 % – 40 %.

Účinnost lze vypočítat s přihlédnutím k přesným pasovým hodnotám účinnosti generátoru na ose, usměrňovač, stabilizátor, DC-AC měnič s napětím 220 V. Při výpočtu se nesčítají procenta ztrát je nutné postupně násobit účinnost každého zařízení, aby se získala účinnost systému přeměny rotace na elektřinu. Další polovina energie větru se ztrácí na lopatkách.

Konverzní ztráty lze snížit například vyřazením DC-AC měniče, pokud lze pohon napájet z baterie. Absence jakéhokoli jiného zařízení je také možná, pokud napětí a proud nemají velký význam pro provoz zařízení – například malá žárovka, nebo ještě praktičtější – LED žárovka.

Výkon větrného generátoru je přímo úměrný hustotě vzduchu, násobené rychlostí větru na třetí mocninu (pro 5 m/s – 125). Pokud výsledek vydělíte dvojnásobkem projekční plochy lopatek v rovině rotace, získáte výkon, který může generátor generovat na ose rotace lopatek.

Můžete například vypočítat projekční plochu pro 4 lopatky o šířce 0,5 m, které během otáčení tvoří kruh o průměru 2 m, upevněný v úhlu 60 stupňů k rovině otáčení. Plocha podle vzorce d/2*sin(30)*0.5*4 se rovná 2/2*0,25*4=1 metr čtvereční.

Tato konstrukce, s nejběžnější průměrnou rychlostí větru v Rusku 5 m/s, přijímá energii z větru ve výši 1,29*125/2*1 = 80 W. Odeberte polovinu pro přeměnu na rotační pohyb, odeberte 25 % pro přeměnu na elektřinu a zbyde vám asi 30 wattů pro spotřebitele. Maximální síla větru v takovém větru na lopatkách, které zcela pokrývají oblast kruhu v projekci, se může zvýšit 3,14krát. Ve výsledku tak spotřebitel získá maximálně cca 100 W. Ne tak špatné.

Pokud jsou LED diody použity pro dekorativní účely, velikost mlýna se změní na směšné úrovně, pokud bude podél země slabý vítr.

Bez přeměny na elektřinu se větrná energie využívá k odpuzování drobného hmyzu žijícího pod zemí. Stačí spustit dřevěnou nápravu otáčející se z větrného mlýna o 15 centimetrů do vybrání a vibrace půdy je vyděsí několik metrů, aniž by rušily majitele.

Typy lopatek větrných turbín

Konstrukce lopatek přichází nejen s vertikální rotací, ale také s horizontální rotací. Lopatky mohou mít spirálový design, variabilní větrání. Mlýny byly stavěny tak, aby vydržely staletí, a aby každá budova byla jedinečná. Moderní designy také ohromují svou rozmanitostí.

Statistiky a vyhlídky

V Rusku na konci 19. století fungovalo asi 200 000 mlýnů na mouku. Běžná větrná turbína dávala výkon 3,5 kW, velká s průměrem lopatek 24 metrů – až 15 kW. Celkový výkon, který tehdy vyrobili, dosáhl 750 mW. Nyní se používají větrné elektrárny a několik mlýnů pro jiné účely. A všechny produkují 50krát méně energie než před 100 lety, celých 15 mW. Rozvojové plány. Jistě. vznikají, protože větrný potenciál nad naší zemí činí desítky miliard kilowattů.

Dokud se plány neuskuteční, lze parafrázovat slavný výraz Vladimíra Majakovského a říci: „Když se staví mlýny, znamená to, že to někdo potřebuje? Takže chce někdo, aby existovaly?“ Okouzlující krása fungujících mlýnů se stala silným inspirujícím faktorem pro řemeslníky, kteří vytvářejí mistrovská díla na nádvořích a chatách.