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)
851,00,768 (768W)
621,60,324 (324W)
512,50,324 (324W)
46,40,096 (96W)
32,60,04 (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.
Na wykresie z prawej strony moc prądnicy wiatraka określa niebieska linia, o ile znajduje się pod linią pomarańczową. W każdym innym przypadku mocą maksymalną określa linia pomarańczowa.

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.