О ветряке

[Филипок]

Однажды в моем воображении возникла идея конструкции ветровой энергетической установки (ВЭУ). Конструкция настолько проста, что у меня вызывало удивление, что что-то подобное никто не реализовал, как свою самоделку или не предложил на рынке. В настоящее время преимущественное распространение имеют лопастные ветряки с горизонтальной осью вращения. Я же представил роторного или карусельного типа с вертикальной осью вращения. Ветряки этого типа имеют некоторые преимущества перед лопастными:
- не создают вибраций в грунте;
- акустический шум - минимален;
- удобство в эксплаутационном обслуживании;
- не причиняют вреда птицам.
Но очевидно, что роторные ВЭУ следует размещать в континентальной части, на открытых для ветров пространствах: полях, степях, а лучше всего на морских побережьях и т.д.

 Так как эта идея лежит мертвым грузом, а за её реализацию я уже, видимо, никогда не возьмусь - то я просто решил разместить эскизы этой ВЭУ в интернете - может быть кто-нибудь использует её для обустройства на даче или в качестве своего бизнес-проекта. Как вы убедитесь - все настолько просто, что подобный ветряк можно собрать в домашней мастерской, в гараже. Нужно будет листовое железо или листы дюраля, несколько подшипников, болты, эл.сварка и т.п. и немного ручной работы.
 
Краткий комментарий к этим эскизам. Как вы видите, такую ВЭУ вполне можно разместить и на крыше своего высотного многоквартирного дома. Тогда можно будет несколько экономить на обогреве квартиры и горячей воде.

[Антикосмит]

Кожух там ни к чему. Он лишает вертикальный ротор его единственного преимущества - мгновенной реакции на изменение направления ветра. А так вы переизобрели ротор Савониуса. Количество лопастей можно сократить до 2-3

[Атяпа]

Анисимов заерзал на табурете.
— Во время войны мне довелось на парашюте с подбитого самолета спрыгнуть. Я тогда ногу сломал, меня партизаны подобрали. Я у них потом сапером был.
— Ну и что же?
— Научили меня насчет... подручного материала. Я и думаю, из бензиновой бочки можно сделать ветряк.
Сходов раздраженно встал, подошел к столу и достал свою метеорологическую ведомость.
— Понимаете, Василь Васильевич, — не унимался Анисимов, — мы возьмем железную бочку и разрежем ее вдоль. Потом из двух полубочек сделаем этакую карусель, прикрепим их краями к вертикальной оси. Вот так. — Анисимов подошел к окну и нарисовал на замерзшем стекле латинскую букву «S». Ветер дует сбоку. Одна полубочка повернута к нему вогнутостью, а другая горбом. Понимаете?
— Понимаю.
— В вогнутой — ветер встречает сопротивление, давит на нее и поворачивает всю карусель. Тем временем другая полубочка подставит ветру свою вогнутость. И пошла писать губерния! Завертится вертушка, откуда бы ветер ни дул.

(с) Казанцев "Против ветра"

[Филипок]

Антикосмит пишет:
Кожух там ни к чему. Он лишает вертикальный ротор его единственного преимущества - мгновенной реакции на изменение направления ветра. А так вы переизобрели ротор Савониуса. Количество лопастей можно сократить до 2-3

Понятно, что кожух для создания большего давления ветра при низких его скоростях. То есть я предположил, что эффективность ВЭУ повысится. В среднем, направление ветра выдержано в течении длительного времени. О ветряке без кожуха я бы не писал, так как об этом общеизвестно.

[Клон Антипода]

Не, там уже посчитано всё. Самый дешёвый и эффективный ветряк - это обычный, вроде пропеллера. Вообще-то ветряк утилизирует не давление, а кинетическую энергию потока газа. В вашей конструкции ротор будет жрать энергию на придание вращения газу порядка m*r2*w2, где m - масса воздуха внутри турбины, r - радиус ротора, w - угловая скорость вращения. В итоге мощность на валу будет примерно пропорциональна скорости ветра, а не кубу её, как полагается в нормальном ветряке.

Справедливости ради, существуют конструкции с кожухом. Только кожух в виде такой воронки вокруг того же самого пропеллера. Для того, чтобы просто увеличить сечение воздушного потока. Но это только если почему-то нельзя просто увеличить диаметр винта. Например, если надо поднять мощность существующего небольшого ветряка.

[eng. Alex]

Предложенная механика съест весь, и без того малый, КПД, будет дорогой в обслуживании и недолговечной. Сама вертушка крутиться будет, а под минимальной нагрузкой, скорее, нет.

[Клон Антипода]

Не... не КПД, а КИВ - коэффициент использования энергии ветра. Он для ветряка является компромиссом между ценой и выходной мощностью. Максимальный КИВ совершенно не соответствует этому компромиссу. В отличие от винта самолёта, ветряку похер Cx. И отношение Cx/Cy. Он же к мачте приделан.

[Филипок]

Клон Антипода пишет:
Не, там уже посчитано всё. Самый дешёвый и эффективный ветряк - это обычный, вроде пропеллера. Вообще-то ветряк утилизирует не давление, а кинетическую энергию потока газа. В вашей конструкции ротор будет жрать энергию на придание вращения газу порядка m*r2*w2, где m - масса воздуха внутри турбины, r - радиус ротора, w - угловая скорость вращения. В итоге мощность на валу будет примерно пропорциональна скорости ветра, а не кубу её, как полагается в нормальном ветряке.

Справедливости ради, существуют конструкции с кожухом. Только кожух в виде такой воронки вокруг того же самого пропеллера. Для того, чтобы просто увеличить сечение воздушного потока. Но это только если почему-то нельзя просто увеличить диаметр винта. Например, если надо поднять мощность существующего небольшого ветряка.

Плохо, к сожалению не располагаю возможностью самому собрать предложенную конструкцию. Проверил бы все опытным путем. Несколько вызвала удивление фраза:: "ротор будет жрать энергию на придание вращения газу", как-будто выдернуто из учебника, не ротор придает вращение воздуху, а воздух вращает ротор. В конструкции без больших затруднений можно увеличить площадь раструба коллектора воздуха - увеличится масса воздуха на узком выходе из кожуха - увеличится давление на лопасти, вырастет мощность. В реальной конструкции могут появиться значительные отклонения от указанной вами формулы, в сторону увеличения эффективности установки, как это часто бывает в физике (в отрицательную сторону тоже).

eng. Alex пишет:
Предложенная механика съест весь, и без того малый, КПД, будет дорогой в обслуживании и недолговечной. Сама вертушка крутиться будет, а под минимальной нагрузкой, скорее, нет.

Механику, конечно, следует постараться сделать идеальной. Установка, возможно, будет дороже распространенного, но в обслуживании, напротив, ожидается дешевле - не нужен будет основательный демонтаж и, как правило, на высоте. "Недолговечной" - а что там недолговечного? Обычное железо, только учесть всякие детали эксплуатации. "Скорее не будет крутиться под минимальной нагрузкой" -  слишком мрачный взгляд - будет достаточная сила давления воздуха на лопастях - будет мощность и на генераторе. И какой КПД? Ветер-то даровой.

В общем, проверить бы все на опытном образце, формулы могут описывать другие модели. Посмотреть какие могут быть скрыты потенциальные возможности. Удобство использования привлекает и отсутствие вредных побочных эффектов. Впрочем, я, конечно, не настаиваю, это так, на заметку.

[Штуцер]

Антикосмит пишет:
Кожух там ни к чему.

Тоже подумалось.

[Alex_II]

Дабы не плодить лишних тем:

Министерство энергетики США поручило Сандийским национальным лабораториям сконструировать плавающие ветротурбины, лопасти которых достигнут 200 метров в ширину. Об этом сообщает Gizmodo.
Самые большие ветряки, размах лопастей которых достигает 80 метров,расположены в Японии (на расстоянии 20 километров от АЭС «Фукусима-2»). Они дают 7 мегаватт электроэнергии. В США же собрались строить ветрогенераторы на 50 мегаватт.

http://lenta.ru/news/2016/02/01/wind/

[Антикосмит]

Если уж и делать "концентратор", то в виде четырех-шести сходящихся стен и в центре расположить ротор. Это и проще и позволяет не тратить время на переориентацию.

[Клон Антипода]

Филипок пишет: Плохо, к сожалению не располагаю возможностью самому собрать предложенную конструкцию. Проверил бы все опытным путем. Несколько вызвала удивление фраза:: "ротор будет жрать энергию на придание вращения газу", как-будто выдернуто из учебника, не ротор придает вращение воздуху, а воздух вращает ротор. 

Делать нет смысла. Энергия ветра бесполезно затрачивается на придание вращения воздуху в роторе. Вместо того, чтобы превращаться в полезную работу. Она равна (Iw2)/2, где I - момент инерции массы воздуха в роторе относительно оси. Отсюда и формула. Потери растут пропорционально квадрату скорости вращения. 

В реальной конструкции могут появиться значительные отклонения от указанной вами формулы, в сторону увеличения эффективности установки, как это часто бывает в физике (в отрицательную сторону тоже).
 

В отрицательную. Формула не учитывает трение воздуха о стенки кожуха и другие потери.

[Филипок]

Возможно, вы Клон Антипода правы, но я поделюсь некоторыми дальнейшими вольными мыслями.

Если ротор использовать без кожуха, то лопасти при обратном ходе должны преодолевать то же сопротивление ветра, который и вращает сам ротор. А это значительно понижает мощность ротора. Кожух же является экраном от ветра и снижает противодействие ветра на возвращаемые лопасти. Раструб кожуха уплотняет воздух, повышает его давление и эффективную массу, воздействующую на рычаг ротора.
Ладно, рисую дальше. Некоторые дополнения к конструкции.

 
На роторе устанавливается полый цилиндр, на котором крепятся лопасти, как показано на рисунке. Цилиндр изолирует среднюю часть ротора и позволяет сконцентрировать массу уплотненного воздуха на лопастях, на радиусе R, с тем, чтобы давление воздуха было более эффективным и не порождало паразитных завихрений в средней части ротора. Плотность воздуха после выхода из кожуха вновь становится равным атмосферному и ротору только остается тащить эту облегченную массу в качестве не нужного баласта. Но потери, при этом, как следует ожидать будут меньше, чем если бы ротор был без кожуха, и лопастям нужно было бы преодолевать сопротивление ветра. Отсюда следует повышение эффективности ротора с кожухом.

Между тем, хоть и в небольшом количестве, но роторные ВЭУ собираются, вот только в простом варианте без кожуха. При этом эти ВЭУ все-таки генерируют электрич. ток. Мне показалось, что с кожухом эффективность вырастет, поэтому и возникла эта идея.

Ладно, на этом я, наверное, закончу. Может быть я и не прав, но поэкспериментировать было бы интересно.

[Филипок]

Нужно ещё добавить, что лопастей должно быть много, на близком расстоянии друг от друга. Это позволит оказывать полезное давление не на одну лопасть, а на несколько и, соответственно,  на несколько рычагов. Вырастет суммарная площадь давления проходимого воздуха на вращение ротора.

[Филипок]

Многие детали ротора можно делать из пластика, а он легкий и дешевый.

[Клон Антипода]

Ваша настойчивость достойна лучшего применения. Теперь у вас добавились ещё и тепловые потери. Температура газа при повышении давления будет расти пропорционально давлению. А потом тепловая энергия будет бесполезно рассеиваться. Смотрите закон Гея нашего Люссака. При этом потери на придание вращения воздуху никуда не делись.

Кроме того, вы похерили главное преимущество вертикальной турбины. Ненадобность механизма поворота по ветру, что снижает массу, сложность и стоимость всей конструкции, хотя и в ущерб КИВ по сравнению с воздушным винтом. У вас по ветру надо поворачивать здоровенный кожух.

Ну-и добрый совет (без шуток). Инженер - это такой чувак, которому никогда ничего не кажется. Он должен грамотно обосновать любое своё решение, хоть ночью разбуди. Раньше тех, кому кажется, посылали оздоровиться на Колыму. Об этом было написано прямо на обложке ГОСТов, штоб не возникало сомнений. Теперь - просто с работы выгоняют. 

[SFN]

Антикосмит пишет:
Кожух там ни к чему. Он лишает вертикальный ротор его единственного преимущества - мгновенной реакции на изменение направления ветра. А так вы переизобрели ротор Савониуса. Количество лопастей можно сократить до 2-3

Это не ротор Савониуса, и даже не ротор Угринского. Но критика правильная.

[Филипок]

Клон Антипода пишет:
Ваша настойчивость достойна лучшего применения. Теперь у вас добавились ещё и тепловые потери. Температура газа при повышении давления будет расти пропорционально давлению. А потом тепловая энергия будет бесполезно рассеиваться. Смотрите закон Гея нашего Люссака. При этом потери на придание вращения воздуху никуда не делись.

Кроме того, вы похерили главное преимущество вертикальной турбины. Ненадобность механизма поворота по ветру, что снижает массу, сложность и стоимость всей конструкции, хотя и в ущерб КИВ по сравнению с воздушным винтом. У вас по ветру надо поворачивать здоровенный кожух.

Ну-и добрый совет (без шуток). Инженер - это такой чувак, которому никогда ничего не кажется. Он должен грамотно обосновать любое своё решение, хоть ночью разбуди. Раньше тех, кому кажется, посылали оздоровиться на Колыму. Об этом было написано прямо на обложке ГОСТов, штоб не возникало сомнений. Теперь - просто с работы выгоняют.

Я тут немного посмеялся

[Старый]

Филипок пишет:
Нужно ещё добавить, что лопастей должно быть много, на близком расстоянии друг от друга. Это позволит оказывать полезное давление не на одну лопасть, а на несколько и, соответственно, на несколько рычагов. Вырастет суммарная площадь давления проходимого воздуха на вращение ротора.

При увеличения количества лопастей до бесконечности крутящий момент растёт до бесконечности. 
А в ветряках пропеллерного типа инженеры делают всего три лопасти чисто потому что лохи. Воздух понапрасну проскакивает в промежутки между лопастями но лохи-инженеры этого не понимают. И те кто ставит на самолёты и ветролёты двухлопастные винты - тоже лохи. 

[thunder26]

Клон Антипода пишет: 
Энергия ветра бесполезно затрачивается на придание вращения воздуху в роторе. 

То есть нужно отводить поток воздуха аксиально ротору?