Výhody a nevýhody vertikální větrné turbíny | Green World

Skutečná větrná turbína je příliš drahá, pokud se plánuje použití pro jednoduché domácí úkoly, které nevyžadují vysoký výkon. Pokud stačí jen trochu energie pro LED osvětlení nebo projekt založený na Raspberry Pi Zero, je to nějak neúměrné poměrně vážným penězům, které by musel zaplatit i malý větrný mlýn. Totéž platí pro školní experimenty, jejichž čas a peníze vynaložené na organizaci se obvykle snaží minimalizovat. Školám často chybí finance.

V tomto článku budeme hovořit o tom, jak vytvořit vlastní malou větrnou turbínu. Vyrobíme ho z dílů jízdních kol a z toho, co koupíte v železářství. Náklady na projekt se pohybují někde v oblasti 80-150 $. Vytvoření generátoru bude trvat 8-16 hodin. Při větru, který je o něco silnější než “lehký vítr” na Beaufortově stupnici, je náš generátor schopen produkovat asi 1 watt energie. To stačí na nabití malé baterie, což znamená, že budeme mít energii i v bezvětří.

Domácí větrný generátor

Zde popsaná malá větrná turbína je ve skutečnosti experimentálním projektem, v jehož průběhu se můžete naučit základy větrné energie. Tuto turbínu nelze nazvat absolutně spolehlivým zdrojem energie. Nečekejte od ní zázraky! Mějte také na paměti, že silný vítr je pro naši turbínu nebezpečný. Tento stroj není určen pro normální provoz v tomto větru. S největší pravděpodobností ho zničí. Proto by měla být turbína za špatného počasí odstraněna. Zejména je třeba počítat s tím, že jeho úlomky unášené větrem mohou někoho zranit.

Na rozdíl od typických komerčních turbín s horizontální osou se třemi lopatkami namontovanými na horizontální hřídeli, náš projekt používá vertikální hřídel rotoru. To eliminuje potřebu mechanismu, který bere v úvahu směr větru, a značně zjednodušuje konstrukci turbíny. Náš generátor je v podstatě kolo jízdního kola namontované na vertikálním stojanu, který je připojen k elektrickému generátoru. Listy rotoru používají osm “polotrubek” vyříznutých z levných plastových (PVC) kanalizačních trubek a připojených k ráfku kola.

Turbína se začne otáčet, když vítr dosáhne síly přibližně 2 bodů (asi 6 km/h) na Beaufortově stupnici (viz tabulka níže). Pokud rychlost větru dosáhne 5 na Beaufortově stupnici (asi 30 km/h), poskytuje turbína výkon asi 1 watt (podle našich měření – 147 mAh při 6,7 V).

Beaufortova stupnice (na základě materiálů Wikipedia)

Dnes používaná stupnice síly větru (rychlosti) byla vyvinuta v 18. století britským námořníkem Sirem Francisem Beaufortem (1774 – 1857). Ale nemůže být nazýván prvním, kdo se snažil vytvořit takové měřítko. Beaufortově stupnici předcházely další práce, zejména charakterizující sílu větru jeho působením na lopatky větrných mlýnů (inženýr John Smeaton, 1759). Britský geograf a hydrograf Alexander Dalrymple (1737-1808) pracoval stejným směrem. Ještě dřívější stupnice síly větru vytvořili astronom Tycho Brahe (1582), přírodovědec Robert Hooke (1663) a Daniel Defoe (1704), obchodník, rebel, špión a autor Robinsona Crusoe. V roce 1829 byl Francis Beaufort jmenován hydrografem britské admirality a předal svou stupnici každému, kdo by ji mohl potřebovat. Od té doby se Beaufortova stupnice stala standardním přístrojem pro měření síly větru.

Materiály a nástroje

• 28″ přední kolo jízdního kola a elektrický generátor. Koupil jsem nový generátor na eBay za 40 EUR, ale použité generátory jsou v Evropě běžné. V USA ho najdete na eBay nebo si můžete koupit levné nábojové dynamo Shimano a nainstalovat ho do starého kola.
• 2 4palcové PVC trubky (jmenovitý průměr trubky – 110 mm) dlouhé 2 metry. Použil jsem tenkostěnné trubky, ale to, co přesně to bude, nehraje zvláštní roli.
• 16 upevňovacích šroubů s maticemi a velkými podložkami. Délka a průměr šroubů závisí na vlastnostech ráfku kola.
• 1 1/2″ pozinkovaná ocelová vodovodní trubka se závity na obou koncích. Jeho délka (výška stožáru větrného mlýna) se volí nezávisle a závisí na podmínkách, ve kterých bude muset generátor pracovat.
• Ocelová potrubní armatura pro 1 1/2″ vodní potrubí. Koncovka (je nezbytně nutná) a odpaliště (volitelné).
• buck-boost DC-DC měnič, jako je Mesa #DSN6009 4A. Doporučuji 30W měnič.
• 2 elektrolytické kondenzátory, 2200uF, alespoň 12V.
• Můstkový usměrňovač. Minimum je 500 mA.
• Dioda 1N4007.
• Tepelně smrštitelná hadička nebo elektrická páska.
• Drátěná lana a smyčkové šrouby (volitelné). To vše může být potřeba k upevnění stožáru.
• Pytel cementu (volitelně). Může být potřeba k montáži stožáru.

• Pilka nebo přímočará pila pro řezání tenkých PVC trubek.
• Vrtačka s vrtáky do plastu a kovu.
• Šroubovák a/nebo klíč a sada bitů vhodných pro použité šrouby, matice, šrouby.
• Páječka a pájka.

Výroba větrného generátoru z kola jízdního kola

Začněme pracovat na větrném generátoru. Použijeme stožár z ocelové vodovodní trubky, případně kotvený do země betonem. Při rozhodování o výšce stožáru a způsobu jeho připevnění se vyplatí konzultovat místní zákony. V závislosti na provozních podmínkách generátoru může být nutné zajistit stožár kotevními lanky.

▍1. Řezání lopatek turbíny

Použili jsme tenkostěnné kanalizační trubky z PVC (obr. A). V Německu, kde žiji, jsou tyto dýmky natřeny oranžově, v Severní Americe jsou tyto dýmky obvykle bílé.

Z jedné 4m trubky můžeme pomocí pily vyříznout 8 kotouče (obr. B). Potřebujeme XNUMX čepelí. Pokuste se odříznout trubky přesně uprostřed. V ideálním případě by všechny čepele měly mít stejnou hmotnost.

▍2. Připevnění nožů ke generátoru

Jako generátor používáme kolo (ráfek) jízdního kola s připojeným generátorem (obr. C). Kola s hliníkovými ráfky fungují nejlépe, protože se snáze vrtají. Pokud jste vzali kolo ze starého kola, nezapomeňte z něj sundat plášť, duši a brzdové kotouče.

Připevněte nože ke kolu, jak je znázorněno na obr. D pomocí 2 šroubů, matic a velkých podložek. Čepele by měly být rovnoměrně rozmístěny kolem ráfku (snad vám v tom pomůže spočítání počtu paprsků mezi lopatkami) a zarovnány do středu ráfku.

▍3. Montáž stožáru

Stožár vyrobíme z ocelové pozinkované vodovodní trubky se závity na obou koncích. Vyvrtejte 9mm otvor do koncovky (obr. E) a přišroubujte kolo ke koncovce, protáhněte závitovou osu alternátoru tímto otvorem (obr. F níže). Poté, co je stožár bezpečně upevněn (!), můžete k němu přišroubovat uzávěr.

Ve věci spolehlivé instalace stožáru může být užitečné T-kus přišroubovaný k té části trubky, která bude upevněna v zemi a vyplněna betonem. Odpaliště vám umožní bezpečně upevnit stožár do betonu. V tomto případě musí být hmotnost betonu dostatečně velká, aby podpírala a fixovala stožár. Celá konstrukce musí být bezpečně upevněna. Výsledkem je, že pokud se očekává bouřka, můžete jednoduše odšroubovat spodní část stožáru z betonové základny a přemístit turbínu na bezpečné místo.

Nepodceňujte sílu, kterou vítr ovlivňuje okolní předměty. Tato síla se zvyšuje úměrně krychlině (třetí mocnině) rychlosti větru! Proto je-li to nutné, upevněte stožár kotevními dráty.

▍4. Montáž elektronických součástek

Naše větrná farma je navržena tak, aby nabíjela olověný akumulátor proudem generovaným dynamem. Elektrocentrála, kterou používáme, generuje střídavý proud, který pomocí můstkového usměrňovače převádíme na pulzní stejnosměrný proud. Tento proud je pro jeho vyhlazení přenášen na dva elektrolytické kondenzátory o kapacitě 2200 mikrofaradů.

Vyhlazený stejnosměrný proud je pak přiváděn do konvertoru buck-boost (asi 10 $ na eBay), který funguje jako regulátor nabíjení baterie. Převádí vstupní napětí v rozsahu od 1,25 V do 30 V na specifikované stejnosměrné napětí. Nastavíme výstup převodníku na 0,7 voltu nad konečným nabíjecím napětím baterie (pro kompenzaci propustného napětí diody). Dioda 1N4007 je potřeba, aby se zabránilo zpětnému toku proudu z baterie do převodníku.

Například olověná baterie 6 V má nabíjecí napětí 7,2 V. Vzhledem k nutnosti přidat propustné napětí diody 0,7 V by měl být převodník nastaven na výstup 7,9 V.

K výstupům baterie bude připojena elektrická zátěž (může to být jakákoliv, např. LED). Mějte na paměti, že tato zátěž musí podporovat výstupní napětí nastavené na převodníku. Samotný alternátor může být schopen dodávat pouze malý proud, zatímco baterie může být schopna dodávat několik ampérů. Následky zkratu mohou být velmi smutné (může dojít k požáru). Abyste předešli nehodám, bez ohledu na to, co k větrné turbíně připojíte, musíte přijmout vhodná bezpečnostní opatření.

Výstraha před bouřkou!

Po sestavení elektronických součástek generátoru je vše připraveno k přeměně větrné energie na elektřinu! Nyní se vám odkrývají možnosti majitele větrného generátoru.

Náš generátor je však jen experimentální zařízení, nenákladná praktická ukázka principů větrných elektráren, které lze využít například ve školách. Tato turbína není navržena pro provoz v silném větru. Když se turbína nepoužívá, nebo pokud síla větru přesáhne 6 na Beaufortově stupnici, je třeba celou konstrukci rozebrat a někam schovat.

Kolo a trubkové nože nejsou určeny pro nepřetržité používání, zejména při silném větru. Pokud chcete, aby větrný generátor fungoval nepřetržitě, můžete konstrukci vyztužit sami. (Pravda, musím říct, že můj návrh se ukázal být pevnější, než jsem čekal. Nechal jsem ho na zahradě a fungovalo to tam za každého počasí – dokud jeden z kotevních drátů selhal. Pak se stožár zhroutil a jedna z lopatek se zlomila turbíny.)

Pokud vás téma větrných turbín zajímá, můžete se podívat na tento materiál a podívat se na toto video. Podívejte se na tuto stránku věnovanou generátoru Chispito. Zde a zde je několik dalších užitečných zdrojů.

Chcete si postavit vlastní větrný generátor?

Vertikální větrné turbíny se nazývají Darrieusovy turbíny. Toto jméno je dáno na počest francouzského inženýra Georgese Darrieuxe, který získal patent na vynález v roce 1931. Turbína Darrieus má lopatky ve tvaru C. Obvykle dvě nebo tři čepele.

U větrných turbín se svislou osou otáčení mají lopatky tvar šroubů. Podle teorie může větrná energie plně uspokojit celkové energetické potřeby lidstva. Tato oblast energetiky se rychle rozvíjí. Většina větrných generátorů, které se vyrábí po celém světě, má horizontální osu rotace. Listy rotoru větrných generátorů, které mají horizontální osu rotace, jsou otočeny směrem k větru pomocí ocasu a v největších větrných stanicích – pomocí motorů.

Konfigurace listů, které se otáčejí pomocí vztlaku, je obvykle aerodynamického tvaru, podobně jako křídla letadla. Vertikální větrné turbíny Při své práci používají zvedací sílu; jejich čepele mají tvar šlehače na šlehání vajec. U větrných turbín se svislou osou otáčení obvodová rychlost překračuje rychlost proudění větru, díky čemuž síla větru pohání větrný generátor.

Experimenty ukázaly, že větrná turbína s vertikální osou otáčení je z hlediska účinnosti lepší než větrné generátory s horizontálními osami otáčení, protože používají vrtuli, jejíž povrch je větší než plocha větrných turbín s horizontální osou. rotace.

Výhody vertikálních spirálových větrných generátorů

V procesu navrhování větrných generátorů se svislou osou rotace je nutné vzít v úvahu tento málo známý, ale nejdůležitější fakt: nárůst odporové síly vzhledem k síle vztlaku ji může překročit 1000krát.

• Japonci budou testovat arktické větrné elektrárny na Kamčatce
• Japonsko: první plovoucí hybridní elektrárna na světě
• Japonsko instaluje plovoucí větrnou turbínu
• Jamajka poskytovat solární a větrnou energii do venkovských domů
• Jakutsko přechází na alternativní energii
• Jižní Korea je připravena investovat více než 35 miliard dolarů do alternativní energie
• Sluneční a větrná energie by mohla pohánět Austrálii
• Větrná energie na Filipínách: větrný park Mindoro

Větrný generátor se svislými osami otáčení má značné výhody oproti větrným generátorům s vodorovnou osou, zejména v případech, kdy instalace pracuje v oblasti proměnných větrů a je nutné změnit směr otáčení turbíny, což zvyšuje zatížení v sobě, jak na věži, tak na ložiskách, když záleží na tom, že se spotřebovává energie. Vertikální větrné turbíny rozdělují zatížení rovnoměrněji, což umožňuje vyrobit lehčí a větší konstrukci. Generátor může být instalován na zemi; Pro instalaci rotoru proti větru nejsou potřeba žádné další mechanismy.

Větrný generátor se svislou osou otáčení může být vybaven třemi křídly stočenými do spirály. Síla větru působí na lopatky spirály jak na vstupu, tak na výstupu z turbíny, což vytváří podmínky pro její nejefektivnější provoz.

Větrné generátory s vertikální osou otáčení jsou důstojnou náhradou za větrné turbíny s horizontální osou. Hlavní výhodou vertikálního větrného mlýna je, že v těchto instalacích není potřeba nasměrovat osu na proudění větru, takový větrný mlýn využívá vítr, který vane ze všech směrů.

Pokud jsou poryvy větru silné, pak větrné generátory s vertikálními osami rychle zvýší tažnou sílu a poté stabilizují rychlost otáčení. Vertikální větrné turbíny jsou velmi oblíbené zejména v regionech, kde převládají proměnlivé větry.

Takové větrné generátory mohou pracovat bez přerušení i při silném bouřkovém větru, zatímco za takových podmínek se horizontální větrné turbíny automaticky vypínají.

Důležité je také to, že lopatky větrných generátorů s vertikální osou otáčení jsou méně hlučné, jsou mnohem jednodušší na výrobu a snesou větší zatížení, ve srovnání s větrnými generátory s horizontálními osami otáčení.

Pro zvýšení jmenovitého výstupního výkonu větrného generátoru stačí přidat moduly za provozu.

Vertikální větrný generátor nemá žádná omezení ochrany na vzdálenost, pokud je instalován v blízkosti krytu, protože hladina hluku zůstává do 20 dB, nemá magnetické záření.

Větrný generátor nepotřebuje ke spuštění další zařízení.

Vertikální větrný mlýn je neškodný pro včely, ptáky a životní prostředí.

Větrný generátor dosahuje jmenovitého výkonu při nízkých otáčkách. Moderní větrné generátory pracují stabilně v agresivním prostředí (náhlé změny teplot, mořský vzduch), díky neproniknutelnému hliníkovému sarkofágu generátoru.

Vertikální větrný generátor vyžaduje minimální instalační prostor. Před bleskem je chráněna hliníkovou konstrukcí.

Možnost instalace bez poškození výhledu na krajinu.

Nevýhody větrných generátorů se svislou osou otáčení

Vertikální větrné turbíny mají také své nevýhody. Například při otáčení proti proudům větru dochází u takového větrného generátoru ke ztrátám, což může vést k tomu, že účinnost použití větrných turbín s vertikálními osami otáčení je poloviční ve srovnání s větrnými turbínami vybavenými horizontálními osami otáčení.

Pokud je větrný generátor instalován blízko země, pak je rychlost větru ve spodní části velmi nízká, i když můžete vyrobit věž, rychlost větru bude stále nízká ve spodní části rotoru. Turbína se nespustí sama od sebe, aby mohla začít pracovat;

Protože existují mechanismy větrných generátorů se svislou osou otáčení, které jsou umístěny ve spodní části, je pro jejich výměnu nutné demontovat celou instalaci. Přes všechny zjevné výhody vertikálních větrných generátorů mají své vlastní nevýhody, které nelze ignorovat. Kromě hluku, který lidské ucho vnímá, mohou některé z nich vydávat škodlivý infrazvuk vedoucí k vibracím, které způsobují chrastění skla v oknech a nádobí. V zimě se mohou na lopatkách větrných turbín objevit ledové rampouchy.