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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Calcolo della ruota del vento. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative La parte principale di una turbina eolica è la ruota eolica. Attraverso di esso, l'energia cinetica del vento viene convertita in energia meccanica. Ricordiamo che le ruote eoliche sono divise in due gruppi: con un asse di rotazione orizzontale e verticale. Considereremo una ruota eolica con asse di rotazione orizzontale. Può avere una o più pale installate ad un certo angolo rispetto al piano di rotazione. La ruota eolica può essere ad alta o bassa velocità. A seconda del diametro e del numero di pale, la velocità della ruota eolica alla stessa velocità del vento sarà diversa. Questo indicatore è chiamato velocità della ruota del vento ed è determinato dal rapporto tra la velocità periferica della punta della pala e la velocità del vento: Z = L*L/60/V, dove: W - velocità di rotazione della ruota eolica (rpm); V - velocità del vento (m/s); L - circonferenza (m). Ma inizialmente non conosciamo la velocità di rotazione della ruota eolica, che dipende dalla sua struttura. Quando l'aria passa attraverso le pale, rimane una scia “perturbata” che rallenta la rotazione della ruota eolica. E quindi, più sono le lame, minore diventa la velocità. Per calcolare approssimativamente la velocità della ruota eolica, prendiamo come base la velocità (Z). stabilito praticamente per ruote eoliche con diverso numero di pale:
Usando la formula seguente, calcoliamo la velocità della ruota del vento: L=V/L*Z*60. Le prestazioni dell'intera struttura e il funzionamento sicuro dell'impianto dipendono dalla progettazione della ruota eolica. I design multi-pala sono a bassa velocità e, pertanto, le forze centrifughe e giroscopiche sono significativamente inferiori a quelle dei modelli ad alta velocità. Considerando che le tecnologie per la produzione di ruote eoliche in condizioni amatoriali lasciano molto a desiderare, si consigliano ruote eoliche multipala con un numero di pale di almeno cinque: tali progetti non sono così critici per gli errori di bilanciamento, non sono impegnativi per l'aerodinamica il design del profilo della lama e le lame concave possono essere utilizzati con successo. Installazione della lama Se si posiziona un foglio di compensato ad angolo rispetto al flusso d'aria in arrivo, la forza di sollevamento massima alla stessa velocità dell'aria sarà ad un angolo di installazione di 45°. Quando l'angolo diminuisce o aumenta, diminuirà anche la forza di portanza e la resistenza al flusso diminuirà o aumenterà di conseguenza. Prendiamo quindi come punto di partenza un angolo di 45°. Ma affinché una ruota eolica utilizzi l'energia eolica nel modo più efficiente possibile e non abbia zone di frenata, la ruota deve avere una forma curva: più l'elemento pala è lontano dall'asse di rotazione, minore è l'angolo di installazione richiesto Passo della vite Uno degli indicatori per il calcolo della pala è il passo dell'elica: la distanza attraverso la quale la massa d'aria si sposterà in un giro, se immagini questa massa d'aria sotto forma di un dado il cui diametro è uguale a 2R, e l'angolo del filo è uguale all'angolo formato dalla corda della sezione presa e dal piano di rotazione dell'elica. Il passo dell'elica è determinato dalla formula: H = 2πR*tgα, dove: H = passo della sezione selezionata (m); R = raggio della sezione (m); α = angolo di posa della sezione (gradi). L'angolo di installazione della sezione trasversale delle pale della ruota eolica sarà determinato dalla formula trasformata: α (angolo di installazione) = Arctg (H/2πR). Esempio di calcolo della rotazione della lama Passo della lama = 1 metro, diametro della ruota del vento = 3 metri. Con queste impostazioni, idealmente, senza tener conto della resistenza della ruota eolica, con una velocità del vento di 3 m/s, la ruota eolica dovrebbe fare 3 giri al secondo o 3 * 60 = 180 giri/min. Ma questo è l'ideale. Infatti la velocità di rotazione della girante è influenzata dalla turbolenza del flusso della pala precedente, dall'attrito creato dalle pale stesse e dalla reazione del generatore in funzione del carico elettrico applicato. E in realtà la velocità della ruota eolica tenderà ai valori calcolati, ma in realtà sarà notevolmente inferiore. Potenza del flusso del vento L'indicatore successivo nel calcolo di una ruota eolica è la potenza del flusso del vento che passa attraverso l'area di spazzamento della ruota eolica. Viene calcolato in modo abbastanza accurato utilizzando il metodo generalmente accettato: P \u0,5d XNUMX * Q * S * V3, dove P è la potenza (W); Q - densità dell'aria (1,23 kg/m3); S - area di spazzamento del rotore (m:); V - velocità del vento (m/s). Poiché è impossibile convertire completamente un tipo di energia in un altro, inizieremo a sottrarre le perdite. Una ruota eolica ha un certo coefficiente di utilizzo (conversione) dell'energia eolica. Il valore massimo dell'uso teorico dell'energia eolica per le ruote eoliche a pale ideali ad alta velocità è 0,593. Per i migliori esempi di ruote eoliche ad alta velocità con profilo aerodinamico, questo valore varia da 0,42 a 0,46. Per le ruote eoliche multipala a bassa velocità, questo indicatore varia da 0,27 a 0,35 a seconda della qualità della lavorazione ed è indicato nei calcoli con il simbolo Av. Per abbinare la velocità di una ruota eolica a bassa velocità e di un generatore, è necessario utilizzare un riduttore step-up e la sua efficienza varia da 0,7 a 0,9 a seconda del rapporto di trasmissione e del design. Convertendo l'energia meccanica in energia elettrica, subiamo anche perdite. Pertanto, li riflettiamo nell'efficienza del generatore Ng da 0,6 (per generatori di automobili e trattori con avvolgimento di eccitazione) a 0,8 (per generatori con eccitazione da magneti permanenti). P \u0,5d 3 * Q * S * VXNUMX * Cp * Ng * Nb, dove P è la potenza (W); Q - densità dell'aria (1,23 kg/m3); S - area di spazzamento del rotore (m2); V - velocità del vento, (m/s); CP - coefficiente di utilizzo dell'energia eolica (0,35 è un buon progetto); Ng - efficienza del generatore (automobilistico 0,6, magnete permanente 0,8); Nb - efficienza del cambio boost (0,7-0,9). Sostituiamo i dati per una ruota eolica da 6 metri a 3 pale e scopriamo quanta potenza si può ottenere da una turbina eolica con un generatore a magnete permanente e un riduttore con efficienza = 0.9 ad una velocità media di 5 m/s: P \u0,5d 1,23 * 3,14 * (1,5 * (1,5 * 5)) * (5 * 5 * 0,35) * 0,8 * 0,9 * 136 \uXNUMXd XNUMX watt. In questo caso, i giri della ruota del vento saranno. W = V / L * Z * 60 = 5 / 9,42 * 3 * 60 = 95,5 giri/min. Resta da selezionare il rapporto di trasmissione in base alla velocità del generatore. Autore: Evgeny Boyko
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