Вітряк: історія, принципи роботи, будівництво вітрового пристрої

Прабатьки вітрових млинів з’явилися майже чотири тисячі років тому в Єгипті. Спочатку вітряк мала постійний напрямок лопатей і ремінний привід до осі кам’яного жорна. Пізніше в конструкції з’явилися шестерні і підшипники, поворотні механізми. Такий пристрій без радикальних змін успішно використовувалося до початку минулого століття і зараз теж має застосування.

Причини успіху енергії вітру

Характеристики вітрової енергії унікальні. Заслуговують на окрему згадку властивості, що стали причиною тривалого успіху вітряних млинів. Порівняння характеристик джерел енергії дозволяє зрозуміти такий тривалий і географічно найширше застосування енергії вітру:

  • вітер безкоштовний і невичерпний. Таке можна сказати тільки про воду, сонце і геотермальні джерела. Ядерна енергія, вугілля, нафта цим похвалитися не можуть;
  • перетворення вітру – екологічно чистий процес, як і у всіх природних джерел енергії. А ось нафту, вугілля і ядерні реакції при перетворенні виробляють відходи, шкідливі для флори і фауни, в тому числі людини;
  • вітер доступний в будь-якому місці планети. Так можна сказати ще й про сонячної енергії. Більше жоден джерело енергії так не поширений;
  • перевести вітрову кінетичну енергію дуже просто. Така ж простота притаманна тільки для енергії річкової води. З будь-якого іншого джерела отримати кінетичну енергію дозволять тільки по складним технологіям, створюючи спеціальні споруди та пристрої, постійно їх контролюючи і керуючи процесом.

Але є у вітру і недоліки. Наприклад, яке увійшло в приказку мінливість. Напрямок вітру змінюється так часто, що довелося навіть створювати млини з обертовим корпусом. А зміна сили вітру від ураганної до штилю не дозволяє розраховувати на стабільність надходження енергії. Інші природні джерела енергії теж нестабільні і зі своїми недоліками. Сонце не дає енергії ночами, а вдень може піти за хмари. Річки є не скрізь, а там, де є, можуть пересохнути або замерзнути на місяці.

Ще одним мінусом є мала щільність вітру – 1,29 кг / м3. Наприклад, щільність води становить майже тонну. Для отримання однаковою за величиною енергії площа лопатей у вітряка повинна бути в 750 разів більше, ніж у водяній. А для таких конструкцій повинен бути і відповідний корпус.

Але, тим не менше, майже чотири тисячі років вітер був затребуваний, як джерело енергії, на Європейському, Азіатському і Африканському континентах. І зараз про нього не забувають.

Як вітер крутить лопаті

Так як повітря має масу, то рух повітря має кінетичну енергію. Коли на шляху вітру, що дме в певному напрямку, з’являється предмет, їх взаємодія можна описати за допомогою векторів сили. Вітер буде відштовхувати перешкоду і відштовхуватися сам в протилежний від напрямку. При цьому лопать, закріплена на осі конструкції, буде згинатися уздовж осі обертання і крутитися на ній. Графічно це виглядає наступним чином:

Вітер після зіткнення відбивається від лопаті, залишаючи їй частину енергії:

  1. на вигин лопаті за напрямком вітру, чому конструкція протистоїть з силою Fл2-1, що створює потенційну енергію. На величину цієї сили зменшиться вектор сили вітру Fв2-1;
  2. створюючи кінетичну енергію обертання, на лопать діє сила Fл2-2. При цьому зменшується вектор сили вітру Fв2-2, змінюючи його напрям.

Величина кінетичної енергії, переданої вітром через лопаті, залежить від маси взаємодіє з лопатою повітря, швидкості його руху, напрямки щодо лопатей – чим перпендикулярно, тим краще.

У самій млині, крім конструкції лопатей, можна мінімізувати втрати на тертя, застосовуючи на осі підшипники, а передавальному механізмі – шестерні, або встановлюючи генератор безпосередньо на вісь лопатей.

Знаючи, як працює млин, можна спробувати виготовити її самостійно. Хоча б в декоративних цілях.

Як розрахувати крила млина

Спочатку потрібно вирішити, для чого і де будувати млин. Зазвичай вітрова машина ставиться на відкритій місцевості, наприклад – на дачі. Якщо навколо паркану близько і щільно ростуть дерева, доведеться робити високий корпус для вітряка. У цьому випадку обов’язково потрібно фундамент.

Фундамент потрібен і невисоким, але важким корпусам. Для дачних справ досить по периметру майбутньої будови укласти на глибину до 0,7 метра бетон або щільні ряди цегли. Для декоративних споруд досить підмостки і утрамбувати один шар цегли, ізолюючого спорудження від вологи.

Тепер треба вирішити, для чого слід будувати млин. Варіантів багато:

  • для підйому води зі свердловини;
  • для отримання електроенергії;
  • для відлякування кротів;
  • для зберігання садових інструментів;
  • в декоративному призначенні.

Порядок варіантів представлений по зниженню вимог до потужності пристрою, тобто щодо спрощення механізму. Визначення вимог до дизайну залишається правом і обов’язком власника.

Відразу запам’ятаємо, що реальна потужність побутового вітряка не перевищує 500 Вт при швидкості вітру 5-8 м / с. Однак електроенергію можна накопичувати, включаючи при необхідності потужні споживачі на короткий термін. Наприклад, насос для підйому води.

Головне в вітряку, це лопаті. В першу чергу для визначення конструкції лопатей потрібно знати про те, що чим більше потужність – тим більшу площу проекції на площину обертання повинні мати лопаті. Це досягається збільшенням кількості, довжини, площі і кута розвороту лопатей.

Для розрахунку середньої потужності конструкції потрібно знання сили звичайних для місцевості будівництва вітрів. Крім того, лопаті млини повинні бути перпендикулярні переважним напрямках вітру. Ці відомості слід дізнатися в мережі Інтернет за запитами “статистика швидкості вітру” і “роза вітрів” для свого регіону.

Залишилося підрахувати розмір лопатей. Наприклад, середній вітер 5 м / с, а споживана потужність електроприладу 100 Вт. Втрати на перетворення кінетичної енергії обертання осі млини в електричну складуть близько 20% – 40%.

Коефіцієнт корисної дії можна порахувати, враховуючи точні паспортні значення ККД генератора на осі, випрямляча, стабілізатора, перетворювача постійного струму в змінний напругою 220 В. При розрахунку відсотки втрат не підсумовуються, треба послідовно перемножити ККД кожного приладу, щоб отримати ККД системи перетворення обертання в електрику . Ще половина потужності вітру втрачається на лопатях.

Знизити втрати перетворення можна виключивши, наприклад, перетворювач постійного струму в змінний, якщо виконавчий пристрій може працювати від акумулятора. Відсутність будь-якого іншого пристрою також можливо, якщо напруга і струм не мають великого значення для роботи пристрою – наприклад, невелика лампочка розжарювання, ще практичніше – світлодіодна.

Потужність вітрогенератора прямо пропорційна щільності повітря, помноженого на швидкість вітру в третього ступеня (для 5 м / с – 125). Якщо розділити результат на подвоєну площу проекції лопатей на площину обертання, виходить потужність, яку може виробити генератор на осі обертання лопатей.

Для прикладу можна порахувати площа проекції для 4 лопатей шириною 0,5 м, що утворюють при обертанні коло діаметром 2 м, закріплені під кутом 60 градусів до площини обертання. Площа за формулою d / 2 * sin (30) * 0.5 * 4 дорівнює 2/2 * 0,25 * 4 = 1 квадратному метру.

Така конструкція, при найбільш поширеному в України середньому значенні швидкості вітру 5 м / с, отримує від вітру енергію в кількості 1,29 * 125/2 * 1 = 80 Вт. Зняти половину на перетворення в обертальний рух, прибрати 25% на перетворення в електроенергію і залишиться близько 30 Вт для споживачів. Максимальна вітрова потужність при такому вітрі на лопатях, повністю перекривають в проекції площа кола, може вирости в 3,14 рази. В результаті споживачеві дістанеться максимум близько 100 Вт. Не так вже й погано.

Якщо в декоративних цілях використовувати світлодіоди, розміри млини зміняться до смішних, був би низький вітер уздовж землі.

Без перетворення в електричну використовують енергію вітру для відлякування дрібних комах, які живуть під землею. Досить опустити на 15 сантиметрів в поглиблення дерев’яну вісь, що обертається від вітряка, як вібрація грунту відлякає їх на кілька метрів, не заважаючи господарям.

Різновиди лопатей вітряків

Конструкції лопатей бувають не тільки з вертикальним обертанням, але і з горизонтальним. Лопаті можуть мати гвинтову конструкцію, змінну парусність. Будувалися млини на століття і так, щоб в кожному будові була унікальність. Сучасні конструкції теж вражають різноманітністю.

Статистика та перспективи

У України кінця 19 століття працювали близько 200 000 борошномельних млинів. Звичайний вітряк виробляв потужність 3,5 кВт, великий з діаметром лопатей 24 метра – до 15 кВт. Сумарна виробляється ними потужність в той час доходила до 750 мВт. Зараз використовуються вітряні електрогенератори і лічені одиниці млинів іншого призначення. А енергії все вони виробляють в 50 разів менше, ніж 100 років тому, цілих 15 мВт. Плани розвитку. звичайно. створюються, адже потенціал вітру над нашою країною становить десятки мільярдів кіловат.

Поки плани не реалізувалися, можна перефразувати відомий вислів Володимира Маяковського і сказати: “Якщо млини будують – значить – це комусь потрібно? Значить – хтось хоче, щоб вони були?” Зачаровує краса працюють млинів стала потужним надихаючим фактором для умільців, що створюють шедеври у дворах і на дачних ділянках.