Jak prawidłowo dobrać łopatki do małej edukacyjnej turbiny wiatrowej?

13

Chcę zaprojektować małą turbinę wiatrową, którą można łatwo wyprowadzić z klasy na boisko sportowe przy stosunkowo słabym wietrze (5-15 km / h), która może zasilać małą ultrajasną diodę 5 V - wystarczy, aby to pokazać to działa.

Jak obliczyć moc, którą mogę uzyskać z różnych średnic ostrza w tych warunkach wiatrowych, oraz moc potrzebną do napędzania małego silnika prądu stałego / generatora wystarczającego do oświetlenia diody LED?

jhabbott
źródło
Moc ~~~ = Z x 600 x A x Cd x (V / 10) ^ 3. watów | Cd = przeciągnij współczynnik - ustaw na 1, aby rozpocząć. 0 <Z <0,6 (limit Betza) to wydajność. Dobry majsterkowanie = 0,2. Prawdopodobnie ~ = 0.1 niższa za łatwa :-). V wm / s A = obszar zamiatany wm ^ 2. | Przy prędkości 2 m / s zazwyczaj występują problemy z „tarciem” podczas uruchamiania. Również trybik z wielu alternatorów. Łatwo jest zrobić duży dysk z lekkimi ostrzami, które będą wirować przy słabym wietrze.
Russell McMahon

Odpowiedzi:

9

Tak się składa, że ​​niedawno sam przeprowadziłem te obliczenia dla innej witryny.

Biorąc pod uwagę następujące fakty z szybkiego wyszukiwania w Internecie, ustalenie liczb nie jest trudne.

  • Maksymalna wydajność (dużego) wiatraka wynosi około 40%.
  • Gęstość powietrza wynosi 1,225 kg / m 3
  • Potrzebujesz około 50 mW (10 mA przy 5 V), aby zaświecić diodę LED

Po pierwsze, potrzebujemy około 50 mW / 0,40 = 125 mW energii przepływającej przez wiatrak do wytworzenia potrzebnej energii elektrycznej (ignorując inne czynniki, takie jak faktyczna sprawność małego wiatraka i sprawność generatora).

Moc powietrza przepływającego przez wiatrak wynosi 0,5 mv 2 , gdzie m jest szybkością masową powietrza przepływającego przez „dysk” określoną przez średnicę łopat. Na przykład, załóżmy, że mamy dysk 0,03 M 2 (około 20 cm średnicy). Szybkość masowa powietrza to powierzchnia dysku pomnożona przez prędkość powietrza, pomnożona przez gęstość powietrza:

Mass rate=0.03m2v1.225 kg/m3=v0.03675 kg/m

Moc tego powietrza wynosi zatem:

P=0.5Mass ratev2

Zastępowanie i rozwiązywanie :v

v=0.125 W0.50.03675 kg/m3=1.9 m/s

... lub około 7 km / h.

Biorąc pod uwagę wcześniej ignorowane przez nas wydajności, a także straty w przekładni, które mogą być potrzebne do podniesienia prędkości obrotowej generatora do użytecznego poziomu, prawdopodobnie strzeliłbym do około 4 × powierzchni lub około 2 × średnicy (40 -50 cm), aby uzyskać rozsądne wyniki.

Dave Tweed
źródło
Świetna odpowiedź i jestem zaintrygowany. Czy to zakłada 3 lub 4 ostrza? Jakiego materiału należy użyć do turbiny, którą plakat zamierza przeprowadzić na boisko piłkarskie?
KTM
@KTM: Nic nie zakłada. Takie szczegóły są ukryte w numerze wydajności turbiny wiatrowej, który znalazłem w Internecie.
Dave Tweed
Woops, wygląda na to, że przegapiłem ostatnie zdanie w OP (i widzę, dlaczego narysowałeś linię zakresu w miejscu, w którym to zrobiłeś).
KTM
Jest to idealne, martwiłem się, że jeśli zbuduję eksperyment i to nie zadziała, nie wiedziałbym, czy jest za mały, czy coś innego jest nie tak. Teraz mam wystarczająco dużo informacji, aby zacząć.
jhabbott
2

Spróbuj wyciąć kilka z drewna balsy, aby zobaczyć, co dostajesz. Eksperymentowanie jest prawdopodobnie najlepszą metodą na tak małą skalę, a matematyka nie zajdzie daleko bez obszernej wiedzy o materiałach (tj. Im tańszy materiał, tym mniejsze prawdopodobieństwo, że ostrze będzie wyglądało jak duże).

Pracowałem na uczelni na zajęciach letnich, korzystając z materiałów KidWind, a budowanie własnych i eksperymentowanie z nimi jest naprawdę fajne. Zawsze budowaliśmy tunel aerodynamiczny i stojaki / wirniki turbin, do których dzieci projektowałyby i przyczepiały łopaty. Mnóstwo zabawy, a zdziwisz się, jakie kształty rzeczywiście działają, warto. Aktywność zajęła nawet mniej niż godzinę.

http://challenge.kidwind.org/events/building-a-turbine

http://learn.kidwind.org/learn/science_fair_projects

Strona ze zdjęciem tunelu (z tego modelowaliśmy): http://challenge.kidwind.org/?/national/tunnel

KTM
źródło