Veterná turbína 3 kW za 15 USD ( dokumentácia CAD )

[KUTIL]

ACTIV.pdf

(516.05 KiB) Staženo 221 x

Prikladám krátky článok s vysvetlením že žiadna revolúcia sa nekoná !

[fugas]

Dobré dopoledne přeji všem.
To co se píše v článku samozřejmě nejde popřít.Ale uvedené důvody nejsou (mluvím za sebe) zdaleka primární pro rozhodnutí mít měnitelnou geometrii listů, tedy kromě ochrany a bezpečnosti.Stejně tak regulátor.

1) Cyklování výkon/nulový výkon při malých rychlostech větru snižuje dlouhodobou produkci energie, namáhá stroj a je zdrojem nepříjemných hluků.To je zásadní pokud není jiná možnost než instalace na střechu domu.Zde je na místě právě "chytrý" regulátor s možností nastavení křivky příkonu.Generátor pracuje plynule a klidně i v nízkých a proměnlivých rychlostech větru.Další výhodou je vestavěný stepup/zvyšující měnič napětí.Umožní nastavit odběr výkonu generátoru na nižší napětí generátoru, než má zrovna baterie.Střízlivě nastavená hodnota pro olovo je 25-27V.Generátor je schopen dodávat 50W ale na napětí 29.2V, potřebné pro plné dobití baterie, by za konkrétních větrných podmínek nikdy nebylo dosaženo.Takže s chytrou regulací mám ty nejlepší zkušenosti.

2) První výhodou je, že je možné stroj zvětšit i když bychom normálně takovou "obludu" nad pozemkem nechtěli pokud by měla pevnou vrtuli.Výchozí poloha vrtule se dá zvolit v praporu a to zcela jednoduše a pouze mechanicky.To zaručí že v případě jakékoliv poruchy na systému celý stroj přejde do režimu korouhvička a je mnohonásobně mechanicky bezpečnější i při vysokých rychlostech větru.Každý kdo zažil hrůzu pod vrtulí mi jistě dá za pravdu...
Další výhoda pak spočívá v plynulosti odběru výkonu naopak při vysokých rychlostech větru.Zde už chytrý regulátor není zdaleka tolik efektivní.Zvládne totiž jen brzdit, respektive přibžďovat.To je opět zdrojem velmi nepříjemného hluku a namáhání stroje.Pokud výkon překročí nastavenou hranici tak regulátor vrtuli na několik sekund zcela zabrzdí.Dívám se z okna jak fučí a vrtule stojí.To je asi špatně.Stavitelná vrtule dokáže výkon plynule držet na zvolené hranici i za vysokých rychlostí větru a my můžeme odebírat maximální výkon poměrně v klidu.

Uvedené názory vychází z vlastních zkušeností.I přes to chápu že ne každý by chtěl do toho jít.Podobné úvahy přijdo, když se ukáže, že vrtule sice pracuje nad očekávání, ale občas dělá hluk v mém hradě a navíc 400W je prostě málo...

[KUTIL]

Tie situácie ktoré popisujete sa za normálnych okolností nevyskytujú, a z vášho popisu nie je poznať prečo by mali nastať. Iba ak generátor nekorešponduje s vrtuľou. Príkon sa nenastavuje, ten je na nás nezávislý a dá sa spracovať jednoducho využiť bez zbytku práve pevnou vrtuľou.A ten regulátor podľa youtube tak ani nefunguje.Je v podstate zbytočný. Za normálnych podmienok zbytočne cykluje ubrať- pridať, pri vysokých vetroch je to pevná vrtuľa bez ochrany.

[fugas]

Vítr není voda a tak k popsaným situacím dochází, dá se říci neustále.Neříkám nic jiného, že vycházím ze zkušeností z provozu svojí vrtulky.Ty jevy jsem zažil a viděl poměrně často.Měl jsem samozřejmě zapojený i běžný regulátor.Nikoho nenabádám aby se zabýval stavitelnou vrtulkou.Jen jsem uvedl důvody proč to stojí za to mě osobně.Že to má smysl, který vychází z praxe.

[KUTIL]

Ja píšem že taká situácia nenastane za normálnych okolností, a tie vaše asi také neboli. Ak sme sa dohodli, že pevná vrtuľa správne „spasovaná“ s alternátorom ako tá na grafe v mojom článku (ako to zvyknú robiť profesionálni konštruktéri, ktorí sa nespoliehajú na náhody)) bude pracovať správne a bez problémov v plnom rozsahu rýchlostí vetra od 4 do 12-15 m/s, tak potom sa už netreba zaoberať nejakými regulátormi, ale ochranou proti víchrici. .
Ozaj, kam sa zapája taký regulátor? Vrtuľa dala všetko čo mohla na druhý koniec hriadeľa a tam namontovaný alternátor to okrem strát poslal do baterky. Nič menej a nič viac. ;Ten „regulátor“ máte asi zapojený tam, na výstup z alternátora. Pretože energia už z vrtule odišla a je minulosťou, nemáte možnosť nič regulovať. Leda tak napätie, ale to sa dá len keď turbínku odpojíte od baterky. Vtedy sa odľahčí a ide do otáčok, napätie alternátora naprázdno sa zvýši a pri dosiahnutí určitej hodnoty ju „regulátor“ opätovne pripojí. Vnútorné napätie alternátora sa začne vyrovnávať s napätím baterky, otáčky poklesnú, energia zo zotrvačníka (celý rotor) hupne do baterky a celý proces sa bude opakovať, dokonca aj vtedy, keď by to mohlo pracovať normálne. Pripájanie by malo byť riadené tzv. „výkonovou krivkou“, ale tá sa zamieňa za „napäťovú krivku naprázdno“, čo je podstatný rozdiel. Tú „výkonovú krivku“ vášho alternátora asi nepoznáte, tú bolo treba poznať pred návrhom vrtule ale teraz je to už jedno. Celé to vzniklo u čínskych súdruhov v snahe rozšíriť okruh zákazníkov a ako vidím aj sa im to trochu podarilo.
Ešte si pamätám na vašu reakciu na moje rady, keď ste turbínku stavali. Dali ste na iných odborníkov a tu máte plody.

[josse]

Počítat Aero dynamiku neumím, tak se mi nechtělo zapojovat, ale ty návaznosti mezi baterií a alternátorem mi nesedí...

Vy mě tady říkáte, že otáčky alternátoru jsou "skoro" konstantní od 4 do 15 m/s? Myslel jsem, že aby účinnost vrtule byla co nejvyšší měly by otáčky být přímo úměrné rychlosti větru. Nebo se pletu?

Co mě k tomu vede...
Všechny točivé stroje mají mezi otáčkami a napětím přímou úměru. Všechny točivé stroje mají mezi proudem a momentem přímou úměru. Ve skutečnosti se to malinko liší o nějaké ztráty, ale opravdu jen malinko.

Napětí baterie je skoro konstantní, to znamená, že otáčky s usměrňovačem musí být také skoro konstantní.

Nevěřím tomu, že jde navrhnout vrtule, která má stejnou, maximální možnou účinnost pro různé poměry rychlosti větru a otáček.

Nebo se u těchto strojů propojených pouze přes usměrňovač počítá s nadbytečnými ztrátami, které linearizují ti nesrovnalost mezi přímou úměrou a konstantním napětím?

Tím skoro myslím při zanedbání ztrát, v ložiscích a elektrických. A také cca konstantní SOC, například LiFe.

Jak se odborně říká poměru otáček a rychlosti větru?

[miroc]

Jak se odborně říká poměru otáček a rychlosti větru?

Myslíš asi rýchlobežnosť - TSR, čo je pomer obvodovej rýchlosti vrtule k rýchlosti vetra (https://en.wikipedia.org/wiki/Tip-speed_ratio).
K nezmyslom o najideálnejšom priamom pripojení generátora cez usmerňovač k aku, alebo neužitočnosti odstredivého naklápania krídel sa tu už nebudem viac vyjadrovať. Vševedkovi nevysvetlíš nič! Má svoju pravdu, až naveky, amen!
Starší článok k regulátorom je tu: http://www.vawt.om2cm.sk/?q=node/1053

[fugas]

KUTIL: S plody, které sklízím jsem zcela spokojen.V zimním období jsem z VE spotřeboval 50kWh.Na Váš opět a zbytečně útočný tón nebudu brát zřetel.Snad jen, že jste mi stejným tónem predikoval hmotnost stroje 50kg a bylo to 10kg.Že jste mi vypočítal výkon v jednotkách W a byly to naopak desítky atd.Štěstí že jsem tenkrát neposlechl.Nelze se pak divit, že když podle Vás něco nejde, nebo se musí, tak tomu nepřikládám až takovou váhu a raději si to vyzkouším.
Že fouká vítr na hranici nejnižší výroby opravdu není neobvyklá situace.Ani to, že se vrtule přetáčí při vysokých rychlostech.Že lze s nastavitelnou křivkou regulátoru zjemnit náběh do výkonu je fakt.Mě to vyhovuje a jen jsem, opakuji, vyjádřil svůj názor vzešlý z praktické zkušenosti.Ten můj slepenec produkuje 400W(tam je regulátorem omezen) při rychlosti nižší než 10m/s, tak proč bych řešil návrh od 4 do 15m/s a počítal.On to asi ten Číňan zase tak zle neudělal-možná okopíroval, ale co už...I o těch listech jsem si zde přečetl, že jsou už od pohledu nefunkční a předurčené k destrukci protože tak jest psáno v knihách a hle!Ono to funguje nad očekávání dobře.
Nic ve zlém a hezký zbytek dne přeji

[kybos]

...Pretože energia už z vrtule odišla a je minulosťou, nemáte možnosť nič regulovať. Leda tak napätie, ale to sa dá len keď turbínku odpojíte od baterky. Vtedy sa odľahčí a ide do otáčok, napätie alternátora naprázdno sa zvýši a pri dosiahnutí určitej hodnoty ju „regulátor“ opätovne pripojí.

Proti tvrzení, že nemám možnost nic regulovat bych se ohradil. Ony totiž kromě sériových regulátorů existují i paralelní, které dokážou snížit výkon zdroje bez toho, aby se rotor odlehčil. Pro ty, kteří pochopili graf zobrazující závislost výkonového koeficientu na rychloběžnosti větrného motoru je pak také snadné pochopit princip regulace malé větrné elektrárny paralelním regulátorem. To, co je možné poměrně snadno regulovat, jsou otáčky rotoru, na kterých závisí výkon větrné elektrárny. Je několik metod regulace výkonu malých větrných elektráren a paralelní regulátor je jen jednou z nabízených možností. A že tato možnost v praxi funguje, to mohu předvést nejen na své malé větrné elektrárně, kterou provozuji již od roku 2002.

[josse]

Jak se odborně říká poměru otáček a rychlosti větru?

Myslíš asi rýchlobežnosť - TSR, čo je pomer obvodovej rýchlosti vrtule k rýchlosti vetra (https://en.wikipedia.org/wiki/Tip-speed_ratio).
K nezmyslom o najideálnejšom priamom pripojení generátora cez usmerňovač k aku, alebo neužitočnosti odstredivého naklápania krídel sa tu už nebudem viac vyjadrovať. Vševedkovi nevysvetlíš nič! Má svoju pravdu, až naveky, amen!
Starší článok k regulátorom je tu: http://www.vawt.om2cm.sk/?q=node/1053

No to bych i souhlasil...

[KUTIL]

Pre kybos: Ak regulujeme otáčky rotora, zároveň sa menia aj otáčky generátora. To nie je žiadny problém, brzdiť rotor preťažením od generátora. Sú na jednom hriadeli. Nechápem načo mariť výkon, keď ho môžem zúžitkovať!
Ja hovorím o svojej elektrárni, ktorú prevádzkujem od roku 2012. Bez regulátora, priamo do baterky. Proti preťaženiu ju chráni vyklápanie nahor s tlmením. Prežila víchricu, ktoré vyvrátila stromy v jej blízkosti.
Pre Fugas:."Že lze s nastavitelnou křivkou regulátoru zjemnit náběh do výkonu je fakt". Neviem čo to je , ale ja mám dlhoročnú skúsenosť, že vrtuľka , ktorá sa bez problémov rozbieha pri rýchlosti vetra 3,5-4 m/s a hneď začína plynule nabíjať od 0,1 do 20 A pri 12 m/s-tiež bez regulátora.
Desiatky rokov dozadu malé veterné turbínky tiež pracovali bez regulátorov či nejakej elektroniky.

[josse]

Desiatky rokov dozadu malé veterné turbínky tiež pracovali bez regulátorov či nejakej elektroniky.

To je pouze nedostupností technologie spínaného zdroje v jednočipu! Prostě to nikdo tenkrát neuměl.

[josse]

Pre kybos: Ak regulujeme otáčky rotora, zároveň sa menia aj otáčky generátora. To nie je žiadny problém, brzdiť rotor preťažením od generátora. Sú na jednom hriadeli. Nechápem načo mariť výkon, keď ho môžem zúžitkovať!

Take já to nechápu. Proč přeměňovat v teplo něco co může jít do akumulátorů?

S usměrňovačem pouze: Ve vinutí, protože moment od větru by byl, proud vlastně je správný, aby se mohl točit rychleji, napětí není, protože to omezí akumulátory.

Kdyby se točil rychleji, a byl mezi Aku a generátorem regulátor sériový, výkon by byl vyšší. Proud by byl stejný, protože ten odpovídá momentu od větru, napětí generátoru by bylo vyšší. Takhle bez regulátoru, pokud vítr udělí moment díky rychlosti větší než odpovídá aktuálním otáčkám, proud to sice generuje, ale vytváří to rozdíl napětí mezi ideálním vinutím a akumulátorem, tento rozdíl se přemění v teplo ve vinutí, protože tam je nějaký vnitřní odpor, zvětšený o omezené napětí.

Pokud nedovolím rotoru točit se podle aktuálního větru, nejen, že provozuju vrtuli v bodě s nižší účinností, ale i generátor provozuju v oblasti se zhoršenou účinností.

Docela by to mohlo být téma na diplomku, ty teoretické rovnice a náhradní schémata v nějaké ucelené podobě. Už jsem jich viděl několik ohledně malých větrných elektráren, ale pěkně zpracované jsem to ještě neviděl.

Na druhou stranu je třeba si přiznat, že pro 3-5m/s bude dobře navržená kombinace vrtule+generátor+usměrňovač+akumulátory dávat stejně jako s regulátorem s nějakou vlastní spotřebou! K tomu předpokladu místních podmínek si přidáme, že 6-10m/s fouká pouze minimálně a tyto vyšší rychlosti zanedbáme, pak je logické, že dojdeme k závěru, že regulátor není potřeba... Pokud ale jsou pro nás ty krátkodobé silnější větry zajímavé, měli bychom se na ten regulátor zaměřit jako na něco nezbytného.

Ty absolutní čísla chápejme jako úzký rozsah, konkrétní situace může být třeba 5-6.5m/s, nebo 3-5, nebo 4-6, ... Ale z principu točivého stroje to nemůže být plný rozsah 3-15m/s.

[kybos]

Take já to nechápu. Proč přeměňovat v teplo něco co může jít do akumulátorů?

Je zapotřebí si uvědomit, že výkon větru roste se třetí mocninou rychlosti a histogram rychlostí má určité typické rozdělení. Malá větrná elektrárna se pak navrhuje tak, aby optimální (jmenovitý) výkon předávala v oblasti nejčastěji se vyskytujících rychlostí větru. Vzhledem k histogramu se ale vyskytují i takové rychlosti, při kterých by byl výkon větru několikanásobně vyšší než na který je větrná elektrárna navržena. A to je právě oblast, ve které se uplatňuje paralelní regulátor, který zatížením generátoru sníží rychloběžnost rotoru, výkonový koeficient klesne směrem k nižším hodnotám a příslušný zvýšený výkon se tak ani nevyrobí a není jej tedy třeba přeměňovat v teplo.
Výkon větru při laminárním ustáleném proudění závisí na jeho rychlosti a hustotě vzduchu. Hustota vzduchu je závislá na jeho teplotě. Výkon větru lze vypočítat dle následujícího vzorce :
P=0,5 × r × A × v × v × v
kde jednotlivé symboly znamenají:
P … výkon větru ve Wattech
r … hustota vzduchu v kg/m3 (pro teplotu 0 °C lze uvažovat s hodnotou 1,296 kg/m3)
A … vztažná plocha, kterou vítr proudí v m2
v … rychlost větru v m/s
Vzhledem ke kubické závislosti výkonu na rychlosti větru je velmi důležité znát rozsah rychlostí
větru v dané lokalitě a také rozdělení četnosti rychlostí (histogram) v daném rozsahu. Budeme-li
uvažovat malou větrnou elektrárnu o průměru oběžného kola 2,4 m, pak pro obvyklou startovací
rychlost 3 m/s vychází výkon větru při 0 °C:
P = 0,5 × 1,296 × 3,1415 × 1,2 × 1,2 × 3 × 3 × 3= 79 W
Při jmenovitém výkonu větrné elektrárny, který se obvykle udává při rychlosti větru 10 m/s, vychází
výkon větru pro stejnou zametanou plochu a 0 °C:
P = 0,5 × 1,296 × 3,1415 × 1,2 × 1,2 × 10 × 10 × 10 = 2931 W
Při orkánu však může vítr dosáhnout i rychlostí přes 33 m/s. Pak pro jinak stejné podmínky vychází
výkon větru:
P = 0,5 × 1,296 × 3,1415 × 1,2 × 1,2 × 33 × 33 × 33 = 105 kW
Dynamický rozsah výkonů je tedy opravdu značný a konstrukční návrh malé větrné elektrárny a její
regulace musí s tímto rozsahem počítat.
Pokud budeme uvažovat střízlivou hodnotu výkonového koeficientu 0,4 a účinnost generátoru 0,85, bude mít tato elektrárna jmenovitý výkon kolem 1kW ale při orkánu už by výkon dosahoval hodnotu kolem 36kW a to by již bylo pro elektrárnu likvidační. Proto je žádoucí takový výkon omezit a nespoléhat se na to, že pokojně odejde do akumulátorů.

[KUTIL]

To už nie je pravá regulácia turbíny, ale brzdenie pri víchrici. Všetok príkon turbína spracováva a nie je od neho odľahčená!
K tomu "To je pouze nedostupností technologie spínaného zdroje v jednočipu!"
Ale prečo tie staré turbínky fungovali aj bez toho!

[kybos]

Všetok príkon turbína spracováva a nie je od neho odľahčená!

2 KUTIL: To je právě ten zásadní rozdíl v našich pohledech na věc. Podle mého názoru zpracovává turbína jenom ten výkon, který je schopna vygenerovat v závislosti výkonového koeficientu na rychloběžnosti rotoru. Sníži-li se tedy díky regulaci otáčky rotoru, klesne rychloběžnost, tím klesne i výkonový koeficient a následně i příkon turbíny. Pokud se turbína nebude brzdit, její příkon neklesne a bude zničena překročením pevnostních limitů rotoru. Úkolem paralelního regulátoru je omezit příkon turbíny na návrhové hodnoty a umožnit tak předání maximálního možného výkonu.

[KUTIL]

S tým sa dá súhlasiť, že pribrzdením klesne rýchlobežnosť a klesne účinnosť, aj keď to rozmedzie zmeny je pomerne široké a stroj je namáhaný možno na hranici svojich možností. Ale to nebolo hlavné téma. Tým bola zbytočnosť akéhokoľvek regulovania v rozmedzí tých užitočných vetrov od 4 do 12 (15) m/s. Tam netreba nič regulovať.
Lebo potom by nebola odpoveď na moju otázku, ktorej sa stále vyhýbate- "Ale prečo tie staré turbínky fungovali aj bez toho!"
Lebo to to nebolo treba v minulosti a teda potom to nie je treba ani dnes!

[kybos]

Ale to nebolo hlavné téma. Tým bola zbytočnosť akéhokoľvek regulovania v rozmedzí tých užitočných vetrov od 4 do 12 (15) m/s. Tam netreba nič regulovať.
Lebo potom by nebola odpoveď na moju otázku, ktorej sa stále vyhýbate- "Ale prečo tie staré turbínky fungovali aj bez toho!"
Lebo to to nebolo treba v minulosti a teda potom to nie je treba ani dnes!

Pro odpověď na tuto otázku se musíme ohlédnout do minulosti, abychom ozřejmili, jak fungovaly malé větrné elektrárny v minulosti a jak fungují dnes. Musíme vzít v úvahu konkrétní typ generátoru, konkrétní typ akumulátoru a konkrétní typ rotoru a orientace větrné turbíny, abychom mohli daný případ posoudit dle průběhu konkrétní závislosti výkonového koeficientu na rychloběžnosti.
V hluboké minulosti, kdy se používaly akumulátory typu NiFe, se napětí jednoho čláku pohybovalo v rozsahu 1,0 až 1,8 V. Přebíjení článků bylo běžným provozním stavem. Později se používaly olověné baterie, kde už byl relativní rozsah napětí článku poněkud menší. Nyní, kdy se používají články LiFePO, které se z důvodu životnosti nabíjejí v rozsahu SOC 20 až 80%, je rozsah napětí článku ještě menší (baterie je účinnější), uvažujme 3,1 až 3,4V. Vezmeme-li tedy jako základ napětí ve vybitém stavu, byl relativní rozsah napětí u článků NiFe 80%, zatímco u současné technologie LiFePO se jedná o 10%. Přebíjení současných akumulátorů vede k jejich destrukci. Napětí současných akumulátorů tedy můžeme ve srovnání s historickými málo účinnými články považovat za téměř konstantní. To je jeden ze zásadních momentů historické změny, který musíme vzít v úvahu při posuzování přizpůsobení zdroje a spotřebiče v obvodech malé větrné elektrárny.
Dalším hlediskem je typ generátoru. Zatímco v minulosti se používaly synchronní generátory s feritovými magnety s nízkou koercitivní silou, pak v dnešní době se používají synchronní generátory s magnety ze vzácných zemin s výrazně ostřejší hysterezní smyčkou. Z toho vyplývá i odpovídající změna charakteristiky generátoru.
Posledním, ale nikoliv nevýznamným hlediskem je způsob zpracování rotoru. Vezmeme-li v úvahu nejběžnější třílistou vrtuli (i když historicky jsme se u malých větrných elektráren setkávali spíše s dvoulistým rotorem) s horizontální osou rotace a její ideální průběh výkonového koeficientu v závislosti na rychloběžnosti, je evidentní, že když se v historii vyráběly listy hoblíkem "na koleně", tak se ideálnímu průběhu závislosti z důvodu značných nepřesností rotor přibližoval jen velmi zdaleka. Dnes, kdy se pro konstrukci forem listů i v amatérské praxi používá CAD a 3D grafika s 3D tiskárnami, je přesnost výroby znatelně vyšší a tím se charakteristika rotoru více blíží ideálnímu stavu.
Jestliže dříve byl úspěch, že se rotor ve větru roztočil (u některých výrobků to přetrvalo do současnosti), dnes se ladí jednotky procent účinnosti rotoru.
Pokud propojíme všechna tato tři hlediska, je najednou jasné, proč historické malé větrné elektrárny s širokým rozsahem nabíjecích napětí (v každém pracovním bodě to alespoň něco dalo), generátory s velkým vnitřním odporem (které se přizpůsobily libovolné zátěži) a nepřesně opracovaným rotorem s plochou charakteristikou, byly schopné pracovat i bez jakékoliv regulace.
V současnosti, kdy používáme vysoce účinné akumulátory s téměř konstantním napětím, účinné synchronní generátory s malým vnitřním odporem a přesně vyrobené rotory s úzkým a vysokým průběhem výkonového koeficientu, je pro dosažení maximální účinnosti celého kompletu regulátor zcela nezbytným prvkem, neboť bez něj není možné přizpůsobit pracovní body jednotlivých komponent optimálnímu stavu účinného přenosu energie.

[KUTIL]

V minulosti sa používali aj dynamá
Regulátory nepotrebujú ani veterné čerpadlá od roku 1898, ktoré pracujú na základe rovnakých fyzikálnych zákonov ako dnes
Dnes sa listy lisujú z novoplastu a o aerodynamike ani neslýchali
Takže moja terajšia turbínka s nedymovými magnetmi a listami počítanými podľa metodiky profesora Fiľakovského, formovanými zo sklolaminátu do formy pracuje bez regulátora, hoci ten už existuje. Nesmiem jej o tom povedať!

[kybos]

To je pak lepší ani nezkoušet připojit regulátor. Kdyby se pak zjistilo o kolik více energie mohla větrná elektrárna s regulátorem vyrobit, mohlo by z toho být smutno...