Як правильно розмістити лопатки для маленької навчальної вітрогенератора?

Я хочу створити невеликий вітрогенератор, який можна легко винести з класу на спортивне поле у відносно низькому вітрі (5-15 км / год), який може живити невеликий ультра-яскравий світлодіод 5 В - просто достатньо, щоб показати, що це працює.

Як я обчислюю потужність, яку я можу отримати від різних діаметрів лез в цих вітрових умовах, і потужність, необхідна для приводу невеликого двигуна / генератора постійного струму, достатнього для запалювання світлодіода?

— джаббот
джерело

Потужність ~~~ = Z x 600 x A x Cd x (V / 10) ^ 3. ват | Cd = коефіцієнт перетягування - встановити значення 1 для початку. 0 <Z <0,6 (межа Бетца) - ефективність. Хороший Зробіть сам = 0,2. Ймовірно, ~ = 0,1 нижче занадто просто :-). V в м / с A = площа прокотилася в m ^ 2. | При швидкості 2 м / с у вас, як правило, виникають проблеми з "прихильністю" при запуску. Також зчеплення від багатьох генераторів. Зробити великий диск із легкими лезами, які будуть крутитися при слабкому вітрі, легко.

— Рассел Макмахон

Відповіді:

Як це буває, я нещодавно сам пройшов цей розрахунок для іншого сайту.

З огляду на наведені нижче факти швидкого пошуку в Інтернеті, не важко опрацювати цифри.

Максимальна ефективність (великої) вітряки становить близько 40%.
Щільність повітря становить 1,225 кг / м ³
Вам потрібно близько 50 мВт (10 мА при 5 В), щоб засвітити світлодіод

По-перше, нам знадобиться близько 50 мВт / 0,40 = 125 мВт повітряної потужності, що протікає через вітряний млин, щоб створити необхідну нам електроенергію (ігноруючи інші фактори, такі як фактична ефективність малої вітряки та ефективність генератора).

Потужність повітря, що протікає через вітряк, становить 0,5мв ² , де m - масовий показник повітря, що протікає через «диск», визначений діаметром лопатей. Наприклад, припустимо, у нас є диск 0,03 м ² (близько 20 см в діаметрі). Масова швидкість повітря - це площа диска, помножена на швидкість повітря, помножену на щільність повітря:

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

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

Отже, потужність цього повітря:

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

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

Підміна і розв’язування для : $v$

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

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

... або близько 7 км / год.

Беручи до уваги ефективність, яку ми ігнорували раніше, плюс втрати в зубчастій передачі, які можуть знадобитися для підняття частоти обертів оборотів генератора до зручного рівня, я б, мабуть, знімав приблизно 4 × площу, або приблизно 2 × діаметр (40 -50 см), щоб отримати розумні результати.

— Дейв Твід
джерело

Чудова відповідь, і я заінтригований. Чи припускають це 3 або 4 леза? Який матеріал слід використовувати для турбіни, яку плакат має намір винести на футбольне поле?

— KTM

@KTM: Це нічого не передбачає. Такі деталі приховані в номері ефективності вітрогенератора, який я знайшов в Інтернеті.

— Дейв Твід

Вуопс, схоже, я пропустив останнє речення в ОП (і бачимо, чому ти намалював лінію рамки, де ти це робив).

— KTM

Це ідеально, я був стурбований тим, що якби я створив експеримент, і він не працює, то я б не знав, чи він занадто малий чи щось інше не так. Зараз у мене достатньо інформації, щоб розпочати роботу.

— jhabbott

Спробуйте вирізати кілька дерев з бальза, щоб побачити, що ви отримаєте. Експериментація, мабуть, найкращий метод в такому невеликому масштабі, і математика не дасть вам дуже далеко без широких знань про матеріали (тобто чим дешевший матеріал, тим менше ймовірність леза буде схожа на великі).

Я працював на літніх заходах у своєму університеті, використовуючи матеріали від KidWind, і це насправді безліч задоволень, щоб створити своє та експериментувати з ним. Ми завжди встановлювали вітро тунель та турбінні підставки / ротор, до яких діти потім розробляли б і кріпили лопаті. Безліч веселощів, і ви будете вражені тим, які види фігур насправді діють варті. Активність навіть зайняла менше години.

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

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

Сторінка із фотографією тунелю (ми моделювали наше з цього): http://challenge.kidwind.org/?/national/tunnel

— КТМ
джерело