Làm thế nào để kích thước chính xác các cánh quạt cho một tuabin gió giáo dục nhỏ?

Tôi muốn thiết kế một tuabin gió nhỏ có thể dễ dàng mang ra khỏi lớp học vào sân thể thao trong điều kiện gió tương đối thấp (5-15km / h) có thể cung cấp năng lượng cho đèn LED 5V siêu sáng nhỏ - chỉ đủ để cho thấy điều đó nó hoạt động

Làm cách nào để tính toán công suất tôi có thể nhận được từ các đường kính lưỡi cắt khác nhau trong các điều kiện gió này và công suất cần thiết để lái một động cơ / máy phát điện DC nhỏ đủ để thắp sáng đèn LED?

— jhabbott
nguồn

Công suất ~~~ = Z x 600 x A x Cd x (V / 10) ^ 3. watts | Cd = kéo coeff - đặt thành 1 để bắt đầu. 0 <Z <0,6 (giới hạn Betz) là hiệu quả. Tự làm tốt = 0,2. Có khả năng ~ = 0,1 thấp hơn quá dễ dàng :-). V tính bằng m / s A = diện tích quét trong m ^ 2. | Với tốc độ 2 m / s, thông thường bạn sẽ gặp vấn đề với "sự kỳ thị" khi bắt đầu. Cũng cầu xin từ nhiều người thay thế. Thật dễ dàng để tạo ra một đĩa lớn với lưỡi dao nhẹ sẽ quay trong gió thấp.

— Russell McMahon

Câu trả lời:

Khi điều đó xảy ra, tôi mới tự mình trải qua tính toán đó cho một trang web khác.

Đưa ra các sự kiện sau đây từ một tìm kiếm trên web nhanh, không khó để tìm ra các con số.

Hiệu suất tối đa của một cối xay gió (lớn) là khoảng 40%.
Mật độ không khí là 1,225 kg / m ³
Bạn cần khoảng 50 mW (10 mA ở 5V) để bật đèn LED

Trước tiên, chúng ta sẽ cần khoảng 50 mW / 0,40 = 125 mW năng lượng không khí chạy qua cối xay gió để tạo ra điện mà chúng ta cần (bỏ qua các yếu tố khác như hiệu suất thực tế của một cối xay gió nhỏ và hiệu suất của máy phát điện).

Công suất của không khí chảy qua cối xay gió là 0,5mv ² , trong đó m là tốc độ khối lượng của không khí chảy qua "đĩa" được xác định bởi đường kính của các cánh quạt. Ví dụ: giả sử chúng ta có một đĩa 0,03m ² (đường kính khoảng 20 cm). Tốc độ khối của không khí là diện tích của đĩa nhân với tốc độ không khí, nhân với mật độ của không khí:

Tỷ lệ khối lượng = = 0,03 m^{2} \cdot v \cdot 1.225 {kg / m}^{3} = = v \cdot 0,03675 kg / m

$\text{Mass rate} = 0.03 \text {m}^2 \cdot v \cdot 1.225 \text{ kg/m}^3 = v \cdot 0.03675 \text{ kg/m}$

Sức mạnh của không khí đó là do:

P = = 0,5 \cdot Tỷ lệ khối lượng \cdot v^{2}

$P = 0.5 \cdot \text{Mass rate} \cdot v^2$

Thay thế và giải quyết cho : $v$

v = = \sqrt[3]{\frac{0,125 W}{0,5 \cdot 0,03675 kg / m}} = = 1.9 Cô

$v = \sqrt[3]{\frac{0.125 \text{ W}}{0.5 \cdot 0.03675 \text{ kg/m}}} = 1.9 \text{ m/s}$

... hoặc khoảng 7 km / h.

Có tính đến hiệu quả mà chúng tôi đã bỏ qua trước đó, cộng với tổn thất trong một bộ truyền bánh răng có thể cần thiết để đưa RPM của máy phát lên đến mức có thể sử dụng, tôi có thể sẽ bắn khoảng 4 × diện tích, hoặc khoảng 2 × đường kính (40 -50 cm), để có được kết quả hợp lý.

— Dave Tweed
nguồn

Câu trả lời tuyệt vời, và tôi tò mò. Điều này giả sử 3 hoặc 4 lưỡi? Những loại vật liệu nên được sử dụng cho một tuabin mà người dự định thực hiện cho một sân bóng đá?

— KTM

@KTM: Nó không giả định gì cả. Những chi tiết như vậy được ẩn trong số hiệu suất tuabin gió tôi tìm thấy trên mạng.

— Dave Tweed

Rất tiếc, có vẻ như tôi đã bỏ lỡ câu cuối cùng trong OP (và có thể thấy lý do tại sao bạn vẽ đường phạm vi nơi bạn đã làm).

— KTM

Điều này là hoàn hảo, tôi đã lo lắng rằng nếu tôi xây dựng một thử nghiệm và nó không hoạt động thì tôi sẽ không biết liệu nó quá nhỏ hay có gì khác không. Bây giờ tôi có đủ thông tin để bắt đầu.

— jhabbott

Hãy thử cắt một ít từ gỗ balsa để xem những gì bạn nhận được. Thử nghiệm có lẽ là phương pháp tốt nhất ở quy mô nhỏ như vậy và toán học sẽ không giúp bạn tiến xa mà không có kiến thức sâu rộng về vật liệu (tức là vật liệu càng rẻ, lưỡi dao sẽ càng trông giống như lưỡi dao lớn).

Tôi đã làm việc các hoạt động mùa hè tại trường đại học của mình bằng cách sử dụng các tài liệu từ KidWind, và thực sự rất vui khi tự xây dựng và thử nghiệm nó. Chúng tôi đã luôn thiết lập một hầm gió và giá đỡ / cánh quạt tua-bin mà bọn trẻ sau đó sẽ thiết kế và gắn lưỡi dao vào. Hàng tấn niềm vui, và bạn sẽ ngạc nhiên về những loại hình dạng thực sự hoạt động đáng giá. Các hoạt động thậm chí mất ít hơn một giờ để hoàn thành.

http://challenge.kidwind.org/events/building-a-turbine

http://learn.kidwind.org/learn/science_fair_projects

Một trang có hình ảnh của một đường hầm (chúng tôi đã mô hình hóa chúng tôi về điều này): http://challenge.kidwind.org/?/national/tunnel

— KTM
nguồn