Jak na klasickou větrnou turbínu s horizontální osou rotace

[peet]

VÝHODY SPOLEČNÉHO POSTUPU K POŘÍZENÍ TURBÍNY/ROTORU (NÁBOJ + LISTY)

Zdravím,

společný postup zájemců, k čemuž směřuje v tomto tématu tento projekt, a kteří uvažují nad inovací své malé větrné elektrárny (MVE) nebo už plánují její pořízení (v tomto případě s horizontální osou rotace - HAWT) nebo dokonce teprve zvažují jestli vůbec HAWT či VAWT, přináší řadu výhod, na které osamocený zájemce nemůže ani pomýšlet. Zájemcem může být klidně i někdo, kdo zvažuje možnost využití volné výrobní kapacity laminování ve své firmě.

Mezi těmito výhodami jsou zejména tyto:

1. Projektu se mohou zúčastnit všichni zájemci - tj. kteří uvažují nad inovací své již pořízené MVE a kteří plánují její pořízení. V první fázi projektu se totiž nejprve nechá vyrobit velmi malý prototyp rotoru (náboj s listy), a to za účelem změření parametrů. Vyrobení prototypu nemusí být nijak nákladná záležitost, protože ho lze vyrobit třeba trochu zdatnějším leteckým modelářem. Nákladnější by to pak bylo formou 3D tvarování, obrábění apod. Náklady se rozpočítají podle počtu zájemců v poměrné výši. Předpokládám , že na každého to bude zanedbatelná částka korun (co já vím, tak dejme tomu při dvaceti zájemcích dvě stovky). Jinými slovy, takový postup snižuje míru možných rizik na zcela minimum.

2. Většina takových zájemců, kteří se zúčastní první fáze projektu (vyrobení velmi malého prototypu rotoru), nemusí mít dokonce žádné potřebné znalosti pro danou výrobní problematiku, protože se budou moci spolehnout na ostatní zájemce, kteří se v ní už tak nějak více méně vyznají - jeden třeba rozumí modelařině, druhý zase mechanice, další výrobní technologiím atd.

3. To samé platí i pro následnou druhou fázi, která bude spočívat ve změření takto vyrobeného prototypu rotoru. Změření by se však uskutečnilo velmi pravděpodobně bezplatně. Výsledky změření pak ukážou, jestli se jedná o aerodynamickou špičku. Já o tom nepochybuji už nyní. Ten zájemce, který ale nebude s těmito parametry spokojen, tak už nemusí nadále pokračovat ve své účasti do další třetí fáze projektu.

4. Ve třetí poslední fázi projektu se pokusíme někdo z nás najít subjekt (renomovaného modeláře nebo laminovací firmičku apod.), který pak vyrobí za rozumnou cenu pro každého zájemce už konečný funkční výrobek rotoru. Pokud zájemce nebude souhlasit s předpokládanou cenou, tak klidně už nemusí nadále pokračovat ve své účasti na dokončení projektu.

5. Je docela možné, že našemu kolektivu zájemců nabídne vyrobení velmi malého prototypu rotoru (první fáze projektu) bezplatně. Ve třetí fázi projektu je určitá naděje, že by nám výrobce poskytl slevu, pokud by se jednalo o někoho, kdo se zabývá výrobou laminátových komponentů profesionálně. O jednom takém už vím, je z Čech, má mnohaleté zkušenosti s výrobou laminátů a už několikrát se mi nabídl s možností nižší ceny, pokud by pak mohl vyrábět rotor sériově.

Přináší to ještě několik výhod, ale to by snad už mohlo stačit pro rozumné posouzení. Projekt by se měl úspěšně uskutečnit při počtu zájemců 20. Bude-li jich ale jen třeba 10, tak i v tomto případě je uskutečnitelný. Mělo by to však bohužel vliv na zvýšení ceny. Zájemci, kteří projeví zájem na projektu, tak mi, prosím, napište na SZ (klidně třeba anonymně). A nezapomeňte uvést nějaký e-mailový kontakt na sebe. Asi tak zítra sem uvedu e-mailový kontakt, aby mohli napsat i ti zájemci, kteří nejsou sem zaregistrování. Následně se pak všichni domluvíme na dalším postupu.

petr

[vlkazajac]

" .... Zájemci, kteří projeví zájem na projektu, tak mi, prosím, napište na SZ (klidně třeba anonymně). A nezapomeňte uvést nějaký e-mailový kontakt na sebe. Asi tak zítra sem uvedu e-mailový kontakt,...."

Prečo až zajtra ? Je škoda strácať čas, vietor už fúka......
Výskum a príprava prototypov sa zaobíde asi aj bez dvoch výrazných autorít, ktoré sa tu už stihli konfrontovať. Škoda, nemyslíte ?

A že je vietor slabý, vidno aj z predpovede na zmienenej windyty.com na najbližších 5 dní a nocí. Je vidieť, že ani 5 m/s sa konať nebude.

Dôvod, prečo som sa už naozaj posledný raz v tejto téme ozval, je ten, že by som chcel upozorniť na potrebu nastavenia správnych jednotiek, štandardne je tam "kt", zmeňte hoci na m/s.

Tak veľa zábavy a šťastia !

[KUTIL]

Celá osnova projektu ako ju prezentuje autor tejto témy je nezmysel. Všetci sme už dávno dospeli za štádium testov na nejakom zmenšenom modeli, máme praktické skúsenosti s reálnymi projektami aj podmienkami a celý náčrt priebehu projektu je zmätočný. Aj ja vyzývam autora konečne zverejniť tie tajné vzorce pre výpočet turbíny či postupy pre dosiahnutie vysokej účinnosti veterných turbín. Záujmy nejakej firmy čo sa zaoberá laminovaním sú mimo záberu záujmov všetkých doteraz zainteresovaných. Netrpezlivo čakám na dekonšipráciu autora týchto tém a prezentáciu skutočných zámerov.

[pezizka]

Rád bych se zeptal Peeta. S jakou startovací rychlostí větru se počítá? Je plánovaná nějaká návratnost? Chtěl jsem si pořídit WAWT spíš jako hračku. Oslovil jsem i KUTILA a pomohl mi k tomu abych se na vykašlal. Pokud od tohoto někdo očekáváte nějakou návratnost, raději dokupte panely, jak padlo v tématu, že by mohl vítr zachránit zimu. Možná na horách a vysočině, ale JM nehrozí. Mám i měření a odpískal jsem to. O návratnosti 20let si můžu nechat zdát. Tak velký nadšenec nejsem, a prostě mi to za tu snahu nestojí. Ale plně chápu a obdivuji lidi které to bere. Každý máme nějakého koníčka. A abych nezapomněl, mně ta meteostanice naměřila, v blbém místě 3m nad hřebenem střechy, ale tam kde HAWT měla být, průměr za rok 2,4m/s...... Ono to není jen o tom vyrobit, třeba svépomocí tu nejlepší HAWT na světě, ale taky o tom, že i tato elektrárna má své omezení, taky je potřeba ji někam umístit, (asi stožár), není to prostě jen o vrtuli a alternátoru. I to ostatní zázemí stojí ne mrzký peníz.

[fugas]

Před malou chvílí jsem testoval HAWT o výkonu přes 5kW při ot. 5300 RPM.Rotor je dvoulistý.K roztáčení 5kW generátoru je použito hydromotoru.Hydromotor je roztáčen čerpadlem hnaným vrtulí(je to z důvodu dalšího využití tlaku kapaliny).Je zde počítáno s rychlostí větru 100kt+.Dají se pomocí zmíněných vzorečků spočítat rozměry turbíny a navrhnout profil?Jsem jen zvědav,jestli bude vše odpovídat skutečnosti,nic víc.Oběhnu si to s metrem.
PS:Při nominálních otáčkách se vše živé v okruhu 100m rozuteče

[solárník]

Já myslel, že se tu zabýváme malými turbínkami pro normální lidi a ne zbraněmi hromadného ničení .

Čímž bych chtěl zmínit ještě jeden poměrně nediskutovaný a opomíjený fakt:

V podmínkách ČR potřebujeme z turbínky dostat maximum při rychlostech mezi 3m/s a dejme tomu 7m/s. Ostatní nás nemusí až tolik zajímat, protože se vyskytuje velmi málo.

Musíme si uvědomit, že například při 5m/s se pohybujeme v oblasti okolo 30-40W výstupního výkonu (při obvyklých účinnostech u malé HAWT). Jestli je tu mezi námi nějaký strojař, pak bych mu byl vděčný, pokud by se mohl vyjádřit k tomu, jaký ztrátový výkon se utopí v klasických ložiskách při různém zatížení a otáčkách. Nebo nedej bože v různých převodech, jako je ozubená mazaná převodovka, nebo třeba jen obyčejný klínový řemen, či ozubený řetěz (jako na bicyklu).

Z mých pozorování vyplývá hrubý fakt, že jednak není ložisko, jako ložisko. Tuhost kvalitních ložisek je výrazně nižší, než noname čínských. A dále, že pokud na hřídel pověsíme vrtuli nebo VAWT o hmotnosti 50kg, pak ztráty v ložiskách narostou několikanásobně oproti lehkému rotoru. A to vůbec neuvažuji nějaký převod klínovým řemenem, nebo něco podobného. Odhadem se takový rozdíl může počítat i na DESÍTKY Wattů, což, vrátíme-li se výš, v oblasti výkonů okolo 40W velmi podstatně degraduje výkon turbíny (třeba i na 20% stejné turbíny s lehkým rotorem a kvalitními ložisky, a nebo taky na 0%, protože se kolos roztočí až při 5m/s). Jednoduše si představte, kolikawattový motorek byste potřebovali pro roztočení turbíny s těžkým rotorem. Určtě to nebude malý modelářský několikawattový motorek, ale už celkem slušný motor o výkonu desítek Wattů. A to jsou právě ty diskutované ztráty.

Tedy shrnout to můžeme asi následovně:

- Těžký rotor, tuhá ložiska, nebo dokonce převod, způsobí, že mechanické ztráty narostou do desítek Wattů. U velmi těžkých rotorů klidně i stovek Wattů.

- Desítky Wattů začne turbínka vyrábět až někde nad 4m/s, tedy do té doby se vůbec neroztočí, protože mechanické ztráty budou vyšší, než dostupný výkon

- V celém rozsahu bude výkon turbínky nižší o ony "desítky Wattů", což nám významně zdegraduje výnosy turbínky právě v našem rozsahu 3-7m/s.

Výsledné doporučení je jasné: Co nejlehčí rotor bez převodu a kvalitní ložiska mohou zvednout celkový roční výnos turbínky až několikanásobně (!) aniž si to při návrhu uvědomujeme. Jedná se o daleko větší přínos, než nějaké pochybné teoretické návrhy nestandardních profilů, které stejně nejdou v praxi přesně vyrobit v kutilských podmínkách.

[fugas]

Nikoliv,jedná se o poměrně roztomilou záležitost
Pokud jde o rychlosti větru,je třeba uvažovat jeho poryvy,nárazy.Stanice ukazuje krásných 8m/s,jenže večer z ní vytáhnu graf a zjistím,že nárazy šly do 18m/s.Takže když se věc navržená pro maxima 8m/s postaví fouknutí dvoj až trojnásobnému,můžeme zajistit 100% bezpečnost?
Nejsem z počtářů návratnosti,ale pokud budu sousedovi dvakrát ročně zasklívat skleník,tak se návratnost dost prodlužuje
To je samozřejmě ten zábavnější konec.Po destrukci vrtule může dojít k mnohem závažnějším událostem.

[gupa]

Já myslel, že se tu zabýváme malými turbínkami pro normální lidi a ne zbraněmi hromadného ničení .

Na velikosti záleží.

Jediná turbínka která se mi kdy líbila, ale video kde je nemohhu najít, je systém čtyř dveří 1x2m zavěšených na pantu a ve futrách aty jsou na hřídeli přivařené v nějaké vzdálenosti. Chlapík to ukazoval co si vzpomínám, tak v podstatě nefoukalo ale dveře se furt točily a zavíraly a otevíraly. Vůbec nezorumím větru, ale kdyby to byly nějaké polystyrenové desky a celkově lehké, vyladěn proti nějakým vibracím ....

[KUTIL]

LOŽISKA A PREVODY.pdf

(128.82 KiB) Staženo 149 x

V priloženom súbore je môj pohľad na solárnikove otázky

[solárník]

Já si osobně nemyslím, že jsou ztráty zanedbatelné, obzvlášť v rozsahu 3-7m/s. Tedy u amaterských výrobků, které jsem měl možnost vidět.

V podstatě nejlepší ukazatel je, při jaké rychlosti větru se turbína rozběhne vzhledem k její zametané ploše .

Je velmi jednoduché spočítat výkon větru na zametanou plochu turbíny. A přesně rychlost, při které se turbína rozběhne nám pak ukáže, jaký výkon je třeba překonat, aby se roztočila. Tedy to se rovná přesně mechanických ztrátám ve Wattech. Fyzika nedovoluje, aby se nám tato energie někam jinam "ztratila". Samozřejmě musíme při výpočtu výkonu započíst i účinnost rotoru.

Moje výpočty ukazují, že se to pohybuje běžně nad 10 Wattů i bez převodu i u rozumných konstrukcí, kde rotor nedosahuje hmotnosti desítek kg, jako je tomu u některých VAWT, kde bývá velmi těžký. Navíc bývají u VAWT použitá nevhodná ložiska, která by měla být zatěžována kolmo na osu rotace a ne v ose rotace, jako tomu u VAWT je.

Vezmu li například rychlosti 4 a 5m/s, tak v roce 2013 ze statistiky plyne, že jimi foukalo asi 60 dní (Střední čechy, pro rychlosti větru 4.0-5.9m/s). Kdyby výkon turbínky stoupl vlivem lehkého ložiska a rotoru ze 20 na 30W, pak dostaneme:
původní turbínka 60 dní = 1440 hodin krát 20W = 29kWh
lehká turbínka 60 dní = 1440 hodin krát 30W = 43kWh
To je nárůst ze 100% na 150%. Je to snad zanedbatelné? Nepřipadá mi

[KUTIL]

Straty pri rozbehu sú započítané v účinnosti vrtule. V tabuľke som tam dal veľmi optimistických 40% pre HAWT. Ložiska s tým nemajú nič spoločné.

[solárník]

Ale o tom jsem psal ve větě
"Samozřejmě musíme při výpočtu výkonu započíst i účinnost rotoru."
Tedy jsem s tím kalkuloval.

Jinak řečeno - pokud 10W motorek (zde však opět musím vzít v úvahu účinnost motorku) dokáže pohnout rotorem turbíny, pak jsou ztráty v převodu nižší nebo rovny 10W (20W, 30W ....).

Samozřejmě můžeme komplet ztráty "utopit" při výpočtu a zahrnout je do účinnosti vrtule jako její pomyslné snížení. Ale nemyslím si, že je to správný postup. Zde se nejedná z pravém smyslu o snížení účinnosti vrtule ale skutečně o ztráty v převodu.

[KUTIL]

Skúsim to ináč: Súhlasím s vami bez výhrad, že turbína s nekvalitnými a navyše aj s nesprávne osadenými ložiskami bude mať podstatne nižšiu účinnosť a nezanedbateľne horšie vlastnosti ako turbína kvalitná. Okamžitý výkon a rozbehová rýchlosť budú určite niekde inde, čo sa na ročnej produkcii sa to výrazne prejaví.

[solárník]

Pak si rozumíme.

Je to stejné, jako když k vodnímu čerpadlu o účinnosti 60% přivedeme jednou vodu v trubce o průměru 10cm a podruhé v trubičce 1cm. Celkové množství přečerpané vody bude rozhodně vyšší při 10cm trubce. Bylo by ale přinejmenším zavádějící tvrdit, že účinnost čerpadla při 1cm přívodní trubce je nižší. (Analogicky že výkon motoru auta při zatažené ruční brzdě je nižší, atd.)

[peet]

Zdravím,

na toto téma a mých tří příspěvků mi příp. dotazy, prosím, pište nejlépe na SZ (pokud jste zaregistrovaný), jinak na phe-windturbine@volny.cz. E-mailovou schránku jsem zřídil právě za účelem uskutečnění projektu, či snazší a efektivnější komunikace, název phe-windturbine znamená projekt vysoce účinná větrná turbína.

petr

[KUTIL]

Solárnikovi,posledný pokus: ak vrtuľa stojí je jej účinnosť nulová, teda neodoberá žiadnu energiu. Po roztočení, kedy prekoná pasívne odpory ložísk a momentu alternátora od magneticko-mechanických väzieb magnetov na stator sa bude postupne rozbiehať, jej rýchlobežnosť stúpne k projektovanej hodnote a účinnosť sa blíži k maximu. Táto energia je pri okamžitých rýchlostiach vetra do tých rozbehových dajme tomu 3,5 m/s rádovo v hodnote od 0 do 10 Watt/m2, energia sa premení na teplo a zohrieva jednak ložiská, ale najmä stator vírivými prúdmi. Pri dosiahnutí „nabíjacích“ otáčok bude vklad strát v už zohriatych ložiskách do ostatných strát tých 99,8% %, ako som uviedol v tabuľke. So zvyšovaním výkonu hlavný podiel na stratách bude stále vírivými prúdmi, podiel ložísk bude nepodstatný. Kvalitná turbínka oproti tej nekvalitnej, kde do strát v ložiskách pôjdu desiatky wattov skutočne vyprodukuje podstatne viac, o tom nieto sporu.

[solárník]

Já se s vámi nehádám, myslím, že jsme se nakonec shodli na celkovém faktu, že lehký rotor s kvalitními ložisky dokáže podstatně zvednout roční výnosy turbíny při nízkých větrných podmínkách. A mám za to, že velmi podstatně. Souhlasím i s tím, že při vyšších otáčkách se budou ztráty úměrně zvyšovat. Ztráta v ložisku je pak patrně úměrná otáčkám.

Ztráty ve statoru jsou způsobeny mnoha faktory:
- Zmiňované vířivé proudy
- Ztráty stejnosměrné na odporu vinutí (ty mají zdaleka největší podíl)
- A při vyšších otáčkách se přidávají ztráty na indukčnosti cívek statoru vzhledem k frekvenci generátoru
- Kapacitní ztráty vzhledem k frekvenci generátoru je možné naprosto zanedbat

Jediné pochyby vyjadřuji v tom, že by se jednalo při cut-in, tedy při zahájení nabíjení, pouze o 0,2%, jestli tomu rozumím dobře. Dle mých zkušeností při 40W výstupním výkonu mohou být v ten moment mechanické ztráty až 10W při průměrné amatérské konstrukci (zejména po 2-3 letech po instalaci). Při horší konstrukci, nebo rotoru hmotnějším (30kg u VAWT není žádná rarita) se mohou dostat i přes 50W.

[KUTIL]

Ja by som to uzavrel takto: Tých strát je tam habadej, ale ložiská či prevody sú v tom nevinne.
Pravda je aj v tom, že čínske ložiska môžu na straty prispievať podstatne viac ako kvalitné, možno je to u nich len 99%. To sa rýchlo zistí, aj to jedno percento strát by nikoho nezabilo, životnosť je tu skôr záležitosť presnosti ako zaťaženia. Takže ak vydržali dva roky aj to je úspech.
Pozdravujem!

[miroc]

Ja by som to tak neuzatváral. Moja skúsenosť podporuje skôr názor Solárníka.

Jeden z prvých alternátorov A1 som robil na náboji z kolesa Octavie. Originálna škodovácka súčiastka, žiadna Čina. Tento náboj obsahuje dve radiálne ložiská a mohol som si to dovoliť preto, lebo nebol určený pre VAWT. Dostal sa do Prahy, kde majiteľ nameral 40w strát na ložisku (neviem ako, ale bol dostatočne technicky zdatný na to, aby som mu mohol absolútne veriť). Výmenou maziva a odstránením prachoviek sa dostal po čase na nejakých 15-20 W. Pre 1 kW nominálneho výkonu to sú 1,5-2%. Potiaľ v poriadku, oproti 1% to nie je až taký rozdiel.
Asi by sme sa ale nemali baviť o percentuálnej strate, ale o výkonovej strate. Z toho dôvodu, že tých 20W potrebných na prekonanie trenia je tam stále. A hlavne pri malej rýchlosti vetra, keď by turbína mohla dávať 50-60W bude dávať kvôli ložisku 30-40W. A to už je celkom iný percentuálny rozdiel a z dlhodobého hľadiska (kvôli prevládaniu dní s menšou rýchlosťou vetra) nebudú straty vôbec zanedbateľné.
Celé je to určite zložitejšie, pretože ložiská majú najväčšie straty pri rozbehu a dobehu. Takže teoreticky by straty rozbehnutej turbíny mohli byť menšie. Len sa obávam, či otáčky o ktorých sa bavíme v našich podmienkach nie sú vzhľadom k ložisku ešte len rozbehové.
U VAWT je to ešte o čosi komplikovanejšie. Tu je optimálna kombinácia uchytenia osi axiálne a radiálne ložisko. Nie je veľmi dôvod poklesu axiálneho zaťaženie ložiska a ani radiálneho vzhľadom k bočnému tlaku na os a nízkym otáčkam.
Pripúšťam, že straty na ložiskách nemusia byť nakoniec až tak drastické. Keď po čase dôjde k "zábehu" nového kvalitného ložiska, môžu sa čiastočne znížiť. Nemusí to byť nakoniec 20, ale možno len 10W. Malé turbínky s menšími kvalitnými ložiskami môžu mať straty ešte nižšie. Ale nebudú jednopercentné, ani dvojpercentné pri nízkych výkonoch.
Pozdravujem srdečne!

[miroc]

Mne je úplne jasné, že sú ľudia, s ktorými sa nedá a neoplatí hádať. Nie preto, že sú geniálni, ale pre poruchu osobnosti. Je mi tiež srdečne jedno nejaká papierová účinnosť 98%. Prakticky namerané bolo niečo iné. Staré kolesá možno používaš ty, ja kupujem nové diely. Možno si to niekedy videl - také tie zabalené v mastnom papieri.... smrdí to olejom.
A ešte jedna drobná nepresnosť v tvojom výpočte. Dosť pochybujem, že v turbíne používaš jediné ložisko. A s najväčšou pravdepodobnosťou bude hlúposť aj to, že straty ložísk je potrebné sčítať. To je taká vodorovná čiarka v strede prekrížená zvislou čiarkou. Génius.
Pozdravujem ešte srdečnejšie!

Edit: haló KUTIL, niekde ti zmizol ten geniálny príspevok na ktorý som týmto reagoval. Neuložil som si ho, daj ho prosím späť, nech nekazíš srandu...