Как правильно подобрать лопасти для небольшой учебной ветряной турбины?

Я хочу спроектировать небольшую ветряную турбину, которую можно легко перенести из класса в спортивную площадку при относительно слабом ветре (5-15 км / ч), которая может питать небольшой сверхяркий светодиод 5 В - этого достаточно, чтобы показать, что оно работает.

Как рассчитать мощность, которую я могу получить от лопастей разного диаметра в этих условиях ветра, и мощности, необходимой для привода небольшого двигателя / генератора постоянного тока, достаточно, чтобы зажечь светодиод?

— jhabbott
источник

Мощность ~~~ = Z x 600 x A x Cd x (В / 10) ^ 3. Вт | Cd = буксировка коэффициента - установите 1, чтобы начать. 0 <Z <0,6 (предел Бетца) - эффективность. Хороший DIY = 0,2. Вероятно, ~ = 0,1 опустить слишком легко :-). V в м / с A = площадь подметания в м ^ 2. | При скорости 2 м / с у вас, как правило, возникают проблемы со «прихотью» при запуске. Также зубчатое от многих генераторов. Легко сделать большой диск с легкими лопастями, которые будут крутиться при слабом ветре.

— Рассел МакМахон

Ответы:

Как это случилось, я только недавно прошел этот расчет самостоятельно для другого сайта.

Учитывая следующие факты из быстрого веб-поиска, нетрудно определить цифры.

Максимальная эффективность (большой) ветряной мельницы составляет около 40%.
Плотность воздуха составляет 1,225 кг / м ³
Вам нужно около 50 мВт (10 мА при 5 В), чтобы зажечь светодиод

Во-первых, нам потребуется около 50 мВт / 0,40 = 125 мВт воздушной энергии, проходящей через ветряную мельницу, для выработки необходимой нам электроэнергии (без учета других факторов, таких как фактическая эффективность небольшой ветряной мельницы и эффективность генератора).

Мощность воздуха, протекающего через ветряную мельницу, составляет 0,5 м ² , где m - массовый расход воздуха, протекающего через «диск», определяемый диаметром лопастей. Например, предположим, что у нас есть диск 0,03 м ² (около 20 см в диаметре). Массовый расход воздуха - это площадь диска, умноженная на скорость воздуха, умноженную на плотность воздуха:

Массовый курс знак равно 0.03 м^{2} \cdot v \cdot 1,225 {кг / м}^{3} знак равно v \cdot 0,03675 кг / м

$\text{Mass rate} = 0.03 \text {m}^2 \cdot v \cdot 1.225 \text{ kg/m}^3 = v \cdot 0.03675 \text{ kg/m}$

Следовательно, сила этого воздуха:

п знак равно 0,5 \cdot Массовый курс \cdot v^{2}

$P = 0.5 \cdot \text{Mass rate} \cdot v^2$

$v$

v знак равно \sqrt[3]{\frac{0,125 W}{0,5 \cdot 0,03675 кг / м}} знак равно 1,9 Миз

$v = \sqrt[3]{\frac{0.125 \text{ W}}{0.5 \cdot 0.03675 \text{ kg/m}}} = 1.9 \text{ m/s}$

... или около 7 км / ч.

Принимая во внимание эффективность, которую мы игнорировали ранее, плюс потери в зубчатой передаче, которые могли бы понадобиться, чтобы довести обороты генератора до полезного уровня, я бы, вероятно, стрелял примерно в 4 раза больше площади, или примерно в 2 раза больше диаметра (40). -50 см), чтобы получить разумные результаты.

— Дэйв Твид
источник

Отличный ответ, и я заинтригован. Это предполагает 3 или 4 лезвия? Какой материал следует использовать для турбины, которую постер намеревается вынести на футбольное поле?

— KTM

@KTM: Это ничего не предполагает. Такие детали спрятаны в числе эффективности ветряных турбин, которое я нашел в Интернете.

— Дэйв Твид

Похоже, что я пропустил последнее предложение в ОП (и могу понять, почему вы нарисовали линию видимости там, где вы это сделали).

— KTM

Это прекрасно, меня беспокоило, что если я построю эксперимент, и он не сработает, я не узнаю, слишком ли он маленький или что-то не так. Теперь у меня достаточно информации, чтобы начать.

— Джабботт

Попробуйте вырезать несколько из дерева бальзы, чтобы увидеть, что вы получите. Экспериментирование, вероятно, лучший метод в таком маленьком масштабе, и математика не поможет вам продвинуться без глубоких знаний материалов (т.е. чем дешевле материал, тем меньше вероятность, что лезвие будет выглядеть как большие).

Я работал на летних мероприятиях в моем университете, используя материалы KidWind, и на самом деле очень весело создавать свои собственные и экспериментировать с ними. Мы всегда устанавливали аэродинамическую трубу и турбинные стойки / ротор, к которым дети затем придумывали и прикрепляли лопасти. Тонны веселья, и вы будете поражены тем, какие формы на самом деле стоят того. Это занятие заняло менее часа.

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

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

Страница с фотографией туннеля (мы смоделировали наш от этого): http://challenge.kidwind.org/?/national/tunnel

— KTM
источник