Mała przydomowa elektrownia wiatrowa - Łopaty

Łopaty - Na początek trochę nudnej teorii.

Koło wiatrowe (śmigło) to element napędzający prądnicę, to również zespół elementów odbierających moc którą ze sobą niesie wiatr. Wyprzedzając pytania i zabezpieczając się przed takimi na które odpowiedziałem a które i tak spłyną do mnie na maila napiszę (by ostudzić zapaleńców): W Polsce średnioroczna prędkość wiatrów to 3.5m/s.

Zaprzęgając do pracy program wiatrak można bez większej utraty czasu ustalić, by przy wietrze 3.5m/s produkować moc ciągłą:
- 1 kW trzeba śmigła o średnicy 12,6m
- 2 kW wystarczy śmigło o średnicy 17,8m
- 5 kW to jedynie śmigło o średnicy 28.2m
- 10 kW już tylko śmigło o średnicy 39,9m

Jeśli ktoś dysponuje takimi możliwościami produkcyjnymi i miejscowymi to szczerze zazdroszczę...
Odnosząc to do specyfikacji producentów, gdzie podaje się jako nominalny wiatr burzowy: 9-10m/s który w Polsce występuje kilka razy w roku, to szczerze współczuję ewentualnym klientom.
Teraz by dopełnić czarę goryczy warto dopisać. Jeśli producent określa moc prądnicy jako 1,5kW którą zespół osiąga przy wietrze nominalnym np 10m/s to poniższa tabela przedstawia produkowaną moc przy innych prędkościach wiatru.

Przykład dla prądnicy o mocy 1,5KW osiagąjacej tę moc przy wietrze 10m/s
Prędkość wiatru [m/s] Moc prądnicy w % Moc w kW (W)
10 100 1,5 (1500W)
8 51,0 0,768 (768W)
6 21,6 0,324 (324W)
5
12,5 0,324 (324W)
4 6,4 0,096 (96W)
3 2,6 0,04 (40W)

Są oczywiście na mapie naszego pięknego kRaju miejsca "specjalne": przesmyki, wąwozy, etc które tworzą bardzo fajne lokalizacje dla postawienia małej przydomowej elektrowni. Tam wieje trochę lepiej, więc i osiągi będą trochę lepsze.

Główna zasadą jaką należy kierować się przy projektowaniu śmigieł: Jeśli na przykład prądnica moc 1kW osiąga przy 400 obr/min to śmigło musi gwarantować tę moc przy właśnie 400 obr/min. Każde inne zestawienie będzie generowało straty albo po stronie napędzającej lub napędzanej.

Należy podkreślić również, iż moc elektrowni wiatrowej rośnie z trzecią potęgą prędkości wiatru, a moc prądnicy jest liniowa i zależna od obrotów. Uwidacznia to wykres z prawej strony przedstawiający krzywe mocy brutto przykładowej prądnicy osiągającej moc 0,7kW przy wietrze 8m/s oraz moc brutto śmigła o średnicy 3m liczonego dla parametrów 0,7kW przy wietrze 8m/s.
Wynika z tej zależności dość spory problem dla konstruktora, bo poniżej wartości bilansu śmigło daje mniej niż jest wstanie wyprodukować prądnica, natomiast powyżej wartości bilansu śmigło daje więcej niż jest w stanie prądnica odebrać i należy o tym pamiętać.

Kolejnym problemem jest również to, iż powyżej pewnej prędkości wiatru nie będzie możliwości zatrzymać śmigła, jeśli nie zastosujemy specjalnych (dedykowanych) zabezpieczeń.


Pierwsze podejście.

Łopaty: Do klasycznego amerykana należy wykonać klasyczne łopaty - teoretycznie. Nie będę sie tu rozpisywał bo w internecie sporo jest instrukcji, tabel i innych potrzebnych danych by takowe zrobić. Opiszę tylko jak owy temat wyglądał u mnie. Do wykonania łopat zastosowałem drewno świerkowe (150x50x1250mm) z tej przyczyny, iż łatwo się je obrabia i jest dość wytrzymałe jak na nasze warunki "wietrzne".  Przy wykonywaniu łopat korzystałem z poniższej tabeli - która okazała się później wielkim niewypałem, gdyż robiłem nie w tej kolejności. Poprawna kolejność: najpierw prądnica, później śmigła.

Inna sprawa, najlepsze rezultaty osiągnąć można stosując program Wiatrak 1.1 do pobrania tu: KLIK

station width drop thickness
1 145 50 25
2 131 33 20
3 117 17 18
4 104 10 15
5 90 5 11







Kilka zdań opisu...
Na początku należy wyznaczyć na drewnie, w zależności od ilości stacji, miejsca do których później docinamy "marki". Im ich więcej tym oczywiście lepiej. Później w zależności od posiadanych narzędzi odcinamy zaznaczoną "markami" część drewna. Ta strona jest stroną nawietrzną - na nią będzie działać wiatr. Do wykończenia łopaty świetnie nadaje się szlifierka taśmowa z papierami ściernymi 36, 60, 100.
Drugą część płata - profilowaną również obrabia się szlifierką taśmową. Tu warto wspomóc się kilkoma wykrojnikami z profilem. Jeśli dysponujemy dostępem do kopiarki do elementów drewnianych to w zasadzie koniec "mordęgi", jeśli nie to zabawa trwa, gdyż pojedyncze łopaty winny mieć zbliżone parametry.


Malowanie.







Jeśli chodzi o farby, to zastosowałem najzwyklejszą białą farbę do drewna nadająca się na zewnątrz wzbogaconą barwnikiem. Oczywiście malowanie co najmniej dwoma warstwami w odstępach przewidzianych na ulotce.

Jeśli ktoś zechce zachować strukturę drewna należy koniecznie zastosować klasyczny lakier z utwardzaczem - żadnych wodorozcieńczalnych, gdyż te lubią zejść po sezonie, a czerniejące drewno nie dość, że pije wodę - co rozreguluje wyważenie śmigła, to nie jest najbardziej atrakcyjne wizualnie. Oczywiście brak wyważenia spowoduje więcej szkód; począwszy od skrócenia bezawaryjności łożyskowania, a skończywszy nawet na zniszczeniu śmigieł, ale to tylko tak na marginesie.



Łopaty - podejście drugie.

I się zaczęło... Mamy październik 2011, dość wietrzny, w międzyczasie powstaje maszyna do kopiowanie elementów drewnianych (czytaj: łopat, śmigieł) w oparciu o konstrukcję Kajana, choć z niewielkimi zmianami. Zmiany zasadniczo dotyczą elementu skrawającego, ale również i obrotnic.

Założenia projektowe odnośnie łopat śmigła:
   Liczba łopat wirnika: 3
   Długość łopaty: 1600mm, część robocza: 1200mm
   Wyróżnik szybkobieżności: 8 (wiem, dużo)
   Wybrany profil: ClarkY płasko-wypukły

Do pracy został oczywiście zaprzęgnięty program Wiatrak autorstwa Krzysztofa Baranowicza, który po kilku kliknięciach "wypluł" z siebie takie oto dane i w oparciu o nie w blenderze powstał rysunek łopaty. Jeśli ktoś ma ochotę pobrać plik .blend i .stl to proszę bardzo.

Dlaczego akurat tak? A dlatego, że mam zamiar kopyto wyciąć na CNC, stąd z blendera eksport do STL a później obróbka na TurboCNC albo MasterCAM które to pliki STL chętnie otwierają i nie trzeba się z nimi dalej męczyć.
Kopyto ma być wykonane w drewnie świerkowym, MDF lub ostatecznie w styrodurze/styropianie.
I tu zaczęły się schody...
Jedna z ostrołęckich firm posiadająca CNC zasłoniła się jakimiś "problemami" z transferem danych a później określiła czas realizacji na "dopiero w okolicach marca". Zrozumiałem przesłanie typu "spadaj Pan" choć można było mnie zbyć jeszcze prościej mówiąc np.: koszt to 3000 zł netto - efekt taki sam tylko, że w drugim przypadku firmie pozostałaby twarz. A tak sądzę po prostu, że umiejętności nie te...
Rozesłałem więc wici w Polskę i czekam, a w międzyczasie opracowuję plan B polegający na wycięciu odpowiedniej ilości wręg ze sklejki i starym modelarskim sposobem wykonanie śmigła metodą szkieletową. Później pomiędzy wręgi wkłada się styropian i całość laminuje.