Bagaimana cara mengukur bilah dengan benar untuk turbin angin pendidikan kecil?

Saya ingin merancang turbin angin kecil yang dapat dengan mudah dibawa keluar dari ruang kelas ke lapangan olahraga dalam kondisi angin yang relatif rendah (5-15km / jam) yang dapat memberi daya LED 5V ultra-terang kecil - cukup untuk menunjukkan bahwa berhasil.

Bagaimana cara menghitung daya yang bisa saya dapatkan dari diameter blade yang berbeda dalam kondisi angin ini, dan daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan motor DC kecil / generator yang cukup untuk menyalakan LED?

— jhabbott
sumber

Kekuatan ~~~ = Z x 600 x A x Cd x (V / 10) ^ 3. watt | Cd = seret coeff - atur ke 1 untuk memulai. 0 <Z <0,6 (batas Betz) adalah efisiensi. DIY bagus = 0,2. Kemungkinan ~ = 0,1 lebih rendah terlalu mudah :-). V dalam m / s A = area sapuan dalam m ^ 2. | Pada 2 m / s Anda biasanya akan memiliki masalah dengan "stiction" saat memulai. Juga cogging dari banyak alternator. Sangat mudah untuk membuat disk besar dengan bilah cahaya yang akan berputar di angin rendah.

— Russell McMahon

Jawaban:

Seperti yang terjadi, saya baru saja melewati perhitungan itu sendiri untuk situs yang berbeda.

Mengingat fakta-fakta berikut dari pencarian web cepat, tidak sulit untuk menentukan jumlahnya.

Efisiensi maksimum kincir angin (besar) sekitar 40%.
Kepadatan udara adalah 1,225 kg / m ³
Anda membutuhkan sekitar 50 mW (10 mA pada 5V) untuk menyalakan LED

Pertama, kita akan membutuhkan sekitar 50 mW / 0,40 = 125 mW kekuatan udara yang mengalir melalui kincir angin untuk menciptakan listrik yang kita butuhkan (mengabaikan faktor-faktor lain seperti efisiensi aktual kincir angin kecil dan efisiensi generator).

Kekuatan udara yang mengalir melalui kincir angin adalah 0,5mv ² , di mana m adalah laju massa udara yang mengalir melalui "piringan" yang ditentukan oleh diameter bilah. Sebagai contoh, misalkan kita memiliki disk berukuran 0,03m ² (berdiameter sekitar 20cm). Laju massa udara adalah luas cakram yang dikalikan dengan kecepatan udara, dikalikan kerapatan udara:

Tingkat massa = 0,03 m^{2} \cdot v \cdot 1.225 {kg / m}^{3} = v \cdot 0,03675 kg / m

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

Karena itu kekuatan udara itu adalah:

P = 0,5 \cdot Tingkat massa \cdot v^{2}

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

Mengganti dan memecahkan untuk : $v$

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

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

... atau sekitar 7 km / jam.

Mempertimbangkan efisiensi yang sebelumnya kami abaikan, ditambah kerugian di gir kereta yang mungkin diperlukan untuk membuat RPM generator mencapai tingkat yang dapat digunakan, saya mungkin akan menembak sekitar 4 × area, atau sekitar 2 × diameter (40 -50 cm), untuk mendapatkan hasil yang masuk akal.

— Dave Tweed
sumber

Jawaban yang bagus, dan saya tertarik. Apakah ini mengasumsikan 3 atau 4 bilah? Jenis bahan apa yang harus digunakan untuk turbin yang poster ingin bawa ke lapangan sepak bola?

— KTM

@KTM: Itu tidak menganggap apa-apa. Rincian seperti itu tersembunyi dalam angka efisiensi turbin angin yang saya temukan online.

— Dave Tweed

Woops, sepertinya saya melewatkan kalimat terakhir di OP (dan dapat melihat mengapa Anda menarik garis cakupan di mana Anda melakukannya).

— KTM

Ini sempurna, saya khawatir jika saya membuat percobaan dan itu tidak berhasil maka saya tidak akan tahu apakah itu terlalu kecil atau ada yang salah. Sekarang saya memiliki informasi yang cukup untuk memulai.

— jhabbott

Cobalah untuk memotong beberapa dari kayu balsa untuk melihat apa yang Anda dapatkan. Eksperimen mungkin merupakan metode terbaik dalam skala sekecil itu, dan matematika tidak akan membuat Anda jauh tanpa pengetahuan yang luas tentang materi (yaitu semakin murah material, semakin kecil kemungkinan bilah akan terlihat seperti yang besar).

Saya mengerjakan kegiatan musim panas di universitas saya menggunakan bahan-bahan dari KidWind, dan sebenarnya sangat menyenangkan untuk membangun sendiri dan bereksperimen dengannya. Kami selalu menyiapkan terowongan angin dan turbin / rotor yang kemudian akan dirancang dan dipasang oleh anak-anak. Banyak kesenangan, dan Anda akan kagum dengan bentuk apa yang benar-benar bekerja yang sangat berharga. Kegiatan ini bahkan membutuhkan waktu kurang dari satu jam untuk diselesaikan.

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

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

Halaman dengan foto terowongan (kami membuat model terowongan ini): http://challenge.kidwind.org/?/national/tunnel

— KTM
sumber