środa, 31 grudnia 2008

Sposób na smigło

Z całym szacunkiem do teoretycznych podstaw budowy śmigieł należy jednak stwierdzić, że w wykonaniach amatorskich dominuje praktyka. Co więcej - nawet najpoważniejsze wytwórnie śmigieł do elektrowni o mocy rzędu MW nie polegają wyłącznie na teorii i ostateczne rozwiązania przyjmowane są po serii praktycznych doświadczeń metodą prób i błędów. Każdy, nawet najbardziej naukowo uzasadniony profil, trafia ze swym szczytem sprawności w ściśle określone warunki wiatru i obciążenia, a więc zmienne, których nie sposób ustalić zawczasu. Nie sposób wykonać śmigło o profilu zmieniającym się w miarę zmiany prędkości wiatru, gęstości powietrza i obciążenia! Dlatego też nie przesadzajmy w tym "dzieleniu włosa na czworo" i przyjmując profil ze sprawdzonych praktycznie rozwiązań (np. stąd: http://darmowa-energia.eko.org.pl/pliki/wiatr.html ) na pewno nie popełnimy większego błędu.

Dylematy do rozstrzygnięcia na wstępie:

1. Z jakiego materiału - ponieważ nasza "produkcja" jest najczęściej jednostkowa kombinacje ze śmigłami laminatowymi będą przerostem formy nad treścią, mówiąc wprost: nie opłacalne.
Do zastosowań zabawowo - demonstracyjnych można eksperymentować ze śmigłami wycinanymi z plastykowych rur (dużo odnośnych opisów znajdziemy w internecie), ale do zastosowań praktycznych (mam na myśli uzyskanie realnych rezultatów w produkcji np. prądu) polecam bardzo wdzięczny w obróbce i wbrew pozorom trwały materiał jakim jest DREWNO.
Może to być lita sosnowa belka (dobrze wysuszona - "sezonowana"!) o wymiarach mieszczących w sobie całe śmigło (lub jeden płat), może to być belka powstała w wyniku sklejenia (np. żywicą epoksydową, poliestrową) kilku desek.

2. Obróbka - warto zwrócić uwagę na konieczność w miarę dokładnego odwzorowania założonego profilu i dokładną wymiarową - kątową powtarzalność każdego płata. Bez odpowiedniego oprzyrządowania będzie to raczej nie możliwe. Proponuję (dla śmigieł o średnicy do 4 m) wykonanie przyrządu pozwalającego na szybkie i dokładne wycięcie śmigła. Potrzebne do tego będą:
- masywny stół o długości min. 2m,
- 3 kwadratowe rury stalowe około 60/40 mm, po 2 m każda,
- 2 metrowe pręty gwintowane M 10 - 12,
- odpowiednia ilość nakrętek i podkładek.


Uwaga: materiał wykorzystany na budowę powyższej konstrukcji można w całości (rury, śruby) wykorzystać do budowy konstrukcji nośnej prądnicy.

Wykonanie "skręconej" płaszczyzny przedniej śmigła (do wiatru), przy wyborze profilu płaskiego (nie wklęsłego) jest dziecinnie proste. Więcej trudności sprawia dojście do wypukłego profilu drugiej strony - po prostu należy ( regulując na śrubach odpowiednie ułożenie prowadnic) podchodzić do problemu kilka razy - w praktyce: dwa wystarczy, a reszta - strugiem i szlifierką.

Liniowo zmieniający się kąt zaklinowania
nie jest rozwiązaniem optymalnym - jest znacznym uproszczeniem i ma niewielki, ale jednak ujemny wpływ na efektywność śmigła. Zmienny kąt zaklinowania (rosnący w miarę zbliżania się do osi obrotu śmigła) można uzyskać poprzez regulację na śrubach trzymających prowadnicę w miarę zbliżania się narzędzia tnącego do środka śmigła. Wymaga to obliczenia, o ile prowadnicę należy opuścić dla poszczególnych odległości piły od środka śmigła i procedurę tą dokładnie powtarzać dla każdego kolejnego płata.

Przykładowe kąty zaklinowania dla 2. metrowej łopaty:









3. Ilość płatów - wychodzimy z dość prostej zasady:
Więcej płatów - mniejsze obroty, większy moment (stosujemy do odbiorników mocy typu pompa, do prądnic bardzo wolnoobrotowych lub do prądnic z przekładnią).
Mniej płatów - wyższe obroty, mniejszy moment ( stosujemy w elektrowniach wiatrowych przy - z natury rzeczy - prądnicach wymagających dość dużych obrotów).
W mojej elektrowni przyjąłem rozwiązanie trochę pośrednie - 4. płaty ponieważ amerykanka o średnicy 300 mm jest prądnicą w miarę wolnoobrotową (przy 60 obr./min około 15V), a ponadto o takim wyborze zdecydowały względy mechaniczno - konstrukcyjne: tarcze mocowane są za pomocą czterech śrub.

4. Średnica śmigła - działa zasada: większe - wolniejsze, ale nie jest to główne kryterium wyboru. Wielkość śmigła określamy biorąc pod uwagę moc jaką chcemy uzyskać dla określonej prędkości wiatru. Również w tym miejscu można by pokusić się o naukowo uzasadnione wyliczenia, ale dla naszych potrzeb w zupełności wystarczy analiza szeroko publikowanych praktycznych rozwiązań. Sądzę, że jeżeli przyjmiemy:
- dla prędkości wiatru - 10m/sek,
- oczekiwanej mocy na amerykance 300mm - 1 kW,
- średnicę śmigła w granicach 2,5 do 3,5 m
nie rozczarujemy się. Oczywiście, przy różnych prędkościach wiatru otrzymamy moc od pojedynczych W do kilku kilowatów (do dyma - jak mawiają amerykanie zza Bugu)

Ustalając wielkość śmigła w stosunku do prądnicy amerykanki (lub odwrotnie) można przyjąć za zasadę, iż śmigło powinno mieć około 10 - 12. krotnie większą średnicę od średnicy tarcz z magnesami, np.: 3 m śmigło - 300 mm średnica tarcz. Przy takim stosunku można się spodziewać, że już przy wietrze 3m/sek wiatrak rozpocznie realną pracę.







Rama z kwadratowych rur pozwala na ustawienie narzędzia tnącego pod zmiennym kątem - ustalonego za pomocą szablonu z narysowanym profilem.










Można wykonywać dwa płaty z jednego kawałka (dla śmigieł do 2 m średnicy)- dla większych polecam wykonywanie po jednym płacie. Na tym przyrządzie wykonałem np. 4 płaty po 150 cm. Wykonywanie po kolei pojedynczych operacji dla każdego płata pozwala na dokładne powtórzenie wymiarów (kątów).







Prowadnice mocowane są na śrubach regulacyjnych.
Narzędzie tnące: na zdjęciu przerobiona pilarka na prowadnicy z deseczki.





Do większych płatów stosowałem ręczną elektryczną piłę łańcuchową z dorobionymi prowadnicami - praca postępuje błyskawicznie. Do wykończenia wystarcza strug (najlepiej ręczny - elektryczny) i szlifierka oscylacyjna.

Willys




Silnik 24V, 250W, dwa akumulatory po 12v, 12 Ah, elektroniczny regulator obrotów (prawy pedał), hamulec na tylne koło, bieg wsteczny.



Na zdjęciu obok - ponton na przyczepce i zaraz wyjeżdżamy nad jezioro!!!

Elektryczny motocykl dla 3 - 5 latka
















Osiągi:

- mina Stasia wyjaśnia wszystko!

Motorek i samochodzik Willys zbudowane zostały na bazie części z dwóch wybrakowanych (za grosze) chińskich skuterków elektrycznych.

Amerykanka na tarczach hamulcowych Poloneza

Moc około 500W na czterołopatowym śmigle 220 cm.

agregat prądotwórczy

Agregat z dwucylindrowym silniczkiem parowym. Moc wystarcza do "napędzania" latarkowej żaróweczki.

ELEKTROWNIA BALKONOWA


Nie każdy ma do dyspozycji odkryte w promieniu kilku kilometrów pole, na którym można postawić kilkukilowatową elektrownię wiatrową.

Część z nas ma do dyspozycji balkon w wielopiętrowym "mrówkowcu".

Chciałbym "miastowych" przekonać, że to też są niezłe warunki do eksperymentowania, a nawet osiągania wymiernych prądowych korzyści. Blok mieszkalny - o czym mało się mówi - ma swoje "dodatnie plusy": między blokami tworzą się tzw. przeciągi, które często powodują wiatr urywający głowę w sytuacji, gdy "normalnego" wiatru nie ma!
I to można i należy wykorzystać.

Elektrownia - nazwijmy ją: balkonowa - oparta jest na "mikroamerykance" o mocy 1 - 10 W(średnica tarcz około 8 cm). Może to być też bardziej ambitna "amerykanka" na rowerowej piaście. Przy "rowerówce", to już jest kilkanaście watów i można się pokusić o ładowanie niewielkiego akumulatora samochodowego.
W "balkonowych" warunkach sprawdza się podstawowa zaleta "amerykanek" - start przy minimalnym podmuchu i brak tzw. zaskoków - nie do osiągnięcia w dynamach rowerowych, alternatorach itp. "pralkowcach".

Przebadałem jej możliwości w warunkach kuchennego stołu:
1. Przy 100 - 150 obr/min - 12V - bez obciążenia.
2. "Spokojne" kręcenie palcami - bardzo jasne świecenie samochodowej 12V "żarówki" LED.
3. Kondensator 3 - 10 tys. mikrofaradów (równolegle do LED) powoduje świecenie ciągłe - wystarczy raz po raz pokręcić prądnicą.
4. Opór kręcenia na LED jest prawie nie zauważalny - wystarczy oddech teściowej!

W związku z powyższym wydaje się, że można eksperymentować z szybkimi, dwupłatowymi śmigłami o średnicy w granicach 30 - 70 cm lub z Savoniusem.

Podłączenie w zestawie 12V akumulatorka daje w rezultacie "wieczne" oświetlenie do praktycznego wykorzystania!!!

Mikroamerykanka - wyniki pomiarów parametrów w dziale "POMIARY-BADANIA-WYNIKI"






























Wersja na rowerowej piaście



Średnica tarcz 115 mm (tarcza diamentowa do cięcia glazury). Moc około 10 W przy dwupłatowym śmigle o średnicy 120 cm.

Uwaga ogólna:

Kierując się doborem wielkości śmigła do prądnicy amerykanki (lub odwrotnie) można przyjąć za zasadę, iż śmigło powinno mieć 10 - 12.krotnie większą średnicę od średnicy tarcz z magnesami, np.: 3 m śmigło - 300 mm średnica tarcz.

Układ połączeń w systemie 1 kW - do grzania wody


Układ połączeń grzałek - najprostszy z możliwych.

Przekaźnik - przełączając grzałki z "trójkąta"w "gwiazdę" - umożliwia zmianę obciążenia prądnicy w miarę narastania obrotów. W moim przypadku jest to przekaźnik 24V. Opornikiem R4 (drutowy, około 1 k) ustawione jest przełączanie przy około 30V (około 100 - 120 obr./min.)

- R1 - około 0,5 m drutu żelaznego 2mm zwiniętego w sprężynę (druciany wieszak do ubrań, około 3/4 jego całkowitej długości, zwinięty w spiralę),
- R2, R3 - oporniki pozwalające na wyskalowanie wskaźników (przy wskaźnikach 100 mikroamper oporniki regulowane 10 k),

- C1, C2, C3 - po kilkaset mikrofaradów.

Uwaga: przy wskaźnikach zamiast mostków prostowniczych zastosowałem pojedyncze diody germanowe (czułe na mikroprądy).


Pamiętajmy, że przeliczając wskazania przyrządów na moc (Waty) wynik dotyczy mocy uzyskiwanej na jednej fazie! Realna moc kierowana do kotła z wodą jest 3 razy większa.















Grzałka 3x 6 kW w kotle.
Z lewej - kable do czujników temperatury: jeden w połowie kotła (do solarów), drugi na dole.

Informacja dla inspektora BHP: osłona zdjęta tylko na czas wykonywania fotografii!











Końcówka 35. metrowego kabla od wiatraka w piwnicy. Jedna żyła wolna - zastanawiam się jak ją wykorzystać.

Chyba wiem - na tarczy prądnicy malutki neodym, kontaktron, a na moim "stanowisku dowodzenia" licznik rowerowy z funkcją pomiaru obrotów.



Informacja dla inspektora BHP - jak wyżej.

wtorek, 30 grudnia 2008

Tak też można

Sposób na (w miarę) bezpośrednią przemianę energii wiatru na ciepło - od razu studzę zapał: mimo, że - jak wykazuje doświadczenie - układ osiąga wysoką sprawność, to schody zaczynają się w instalacji wodnej, zwłaszcza w izolacji termicznej i mechanice połączenia z obracającym się wiatrakiem.
W praktycznym rozwiązaniu tarcza na rysunku (z miedzianymi pierścieniami) zastąpiona była jednolitą tarczą z blachy miedzianej - chyba lepsze rozwiązanie. Opór w czasie obracania rośnie potężnie i silnie nagrzewa miedzianą, obracającą się tarczę - całe ciepło nie idzie w gwizdek tylko w wodę.

Rozwiązaniem byłoby sprowadzenie mocy wałem w maszcie (kratownicy) na dół - odpada łącze obrotowe i dużo izolowanej termicznie rury. Podejście wody zimnej na środku, na przeciw łożyska - generator działa jednocześnie jak pompa odśrodkowa.

Może jednak warto pokombinować w tym kierunku?

Jak dobrać grzałkę do wiatraka?



Po zbudowaniu elektrowni wiatrowej z zamiarem dogrzewania wody użytkowej stajemy przed dylematem: jak dobrać odpowiednią grzałkę - na jaką moc i na jakie napięcie.

W związku z tym, ze w handlu spotykamy najczęściej grzałki na 230 V, taka grzałka możne być z powodzeniem wykorzystana do naszych celów.

Od razu pierwsza uwaga
- bezpośrednie wyciąganie wniosków z faktu, że np.: nasz wiatrak ma moc około 1 kW, więc grzałka 3 kW się nie nadaje, albo: prądnica " wyciąga" 50 V, więc grzałka 230 się nie nadaje - są zupełnie mylące i bezpodstawne!

Dobór grzałki - przykład:

Założenia:
1. Elektrownia wiatrowa o mocy około 1 kW, około 50V na obciążeniu 10 ohma przy około 300 obr/min.
2. Grzałka 3x 230V 6 kW.

Obliczenia (dla pojedynczej grzałki i jednej fazy):

1. Prąd w grzałce 6kW/230V:

I = P/U I = 6000W/230V = 26A

2. Oporność grzałki:

R= U/I R = 230V/26A - 8,8 ohma

3. Moc grzałki wydzielana dla założonych wyżej wartości (50V):

- obliczamy prąd dla 50V na oporności 8,8 ohma
I = U/R I = 50V/8,8 ohma = 5,7 A

- moc:

P = U x I P = 50V x 5,7A = 285 W

WNIOSEK

Potrójna grzałka o mocy 3x6 kW wydziela moc około 900 W przy zasilaniu elektrownią wiatrową 1 kW przy około 300 obr/min.