De bedoeling van dit project, dat is gemaakt in samenwerking met Mech425, is om de beste hoek voor platte, uniforme bladen te identificeren in relatie tot de luchtstroom. De hoek van de bladen moet worden geoptimaliseerd om de meeste hoeveelheid energie om te zetten in rotatiebeweging. Platte bladen worden gebruikt in combinatie met verticale asturbines en het ontwerp wordt over het algemeen gekozen wanneer eenvoud de voorkeur heeft of wanneer de toegang tot gereedschappen en benodigdheden beperkt is.
- Het project is geselecteerd om ondersteuning te bieden aan individuen die elektriciteit willen opwekken door windenergie te oogsten.
- De doelgroep bestaat uit mensen die zich geen commercieel verkrijgbare modellen kunnen veroorloven en ervoor hebben gekozen om hun eigen model te bouwen.
Windmolens hebben veel functies en kunnen overal worden bediend waar er toegang is tot wind. Windmolens gebruiken hun wieken om de energie in wind om te zetten in een draaiende beweging. Deze draaiende beweging kan worden gebruikt voor direct werk of weer worden omgezet in elektriciteit. Oorspronkelijk werden windmolens gebruikt om het malen in molens uit te voeren. Tegenwoordig worden ze nog steeds voor dit doel gebruikt, maar ze hebben hun toepassingsbereik uitgebreid naar het oppompen van water en het opwekken van elektriciteit. In economisch minder ontwikkelde landen wordt de elektriciteit die wordt opgewekt door zelfgemaakte windmolens vaak gebruikt om batterijen en mobiele telefoons op te laden of om verlichtingsapparatuur, radio's en irrigatiepompen te bedienen.
Moderne windturbines die commercieel verkrijgbaar zijn, zijn afgestemd op specifieke windsnelheden en kunnen megawatts aan elektriciteit genereren met elke turbine. Zelfgemaakte oplossingen zijn echter vaak low-tech en zijn nauwelijks onderzocht op het gebied van optimalisatie. Dit rapport is bedoeld om de beste hoek te identificeren om de bladen te kantelen ten opzichte van de naderende wind om de meeste hoeveelheid elektriciteit te genereren.
William Kamkwamba is een fantastisch voorbeeld van iemand die zou kunnen profiteren van de analyse die in dit rapport wordt gepresenteerd. Hij was in staat om de windmolen te bouwen met behulp van zijn vindingrijkheid en een trial-and-error mentaliteit. Hij transformeerde de afvalmaterialen om hem heen met succes in een functionele windmolen die zowel licht als irrigatie biedt. Zijn werk heeft zijn familie en vrienden een beter leven gegeven, terwijl hij mensen over de hele wereld inspireerde. Echter, op basis van zijn beperkte formele opleiding, heeft hij geen technische berekeningen opgenomen om het ontwerp te optimaliseren. Nu meer mensen proberen het potentieel van de wind te benutten, is het van groot belang om deze apparaten te optimaliseren om hun maatschappelijke voordeel te maximaliseren.
Voor meer informatie over William kunt u hieronder zijn inspirerende verhaal bekijken:
Inhoud
Voordelen van platte messen
Platte messen zijn minder gebruikelijk dan andere ontwerpen, maar bieden aanzienlijke voordelen, vooral in gebieden met een laag inkomen of afgelegen gebieden. Hieronder volgt een lijst met voordelen die worden geboden door het gebruik van platte messen:
- Gemakkelijk te bouwen
- Minder ontwerp- en lokale kennis vereist
- Er is minder apparatuur en tijd nodig tijdens de bouw
- Gemakkelijker om ervoor te zorgen dat de messen een consistente vorm en maat hebben
Technische berekeningen
De kinetische energie die in de wind is opgeslagen, kan worden gevonden volgens het principe van Bernoulli:
KE = 1 / 2( m * v 2 )
Om de energie in de wind te vinden, moeten we de massa van de cilinder vinden. Dit is gebaseerd op het volume van de cilinder vermenigvuldigd met de dichtheid van de vloeistof:
m = ρ * V
Het totale volume van de vloeistof dat wordt weergegeven door de cilindrische kolom is:
V = A * L
We kunnen de oppervlakte van de basis van de cilinder berekenen door:
Een = 1 / 4(π * D2 )
De lengte van de cilinder vertegenwoordigt de hoeveelheid vloeistof die door het geveegde oppervlak van de windmolen is gegaan. Dit wordt berekend door de windsnelheid te vermenigvuldigen met de tijd:
L = v * t
Dit kan als volgt worden vereenvoudigd:
KE = 1 / 8(ρ * π * D 2 ) * v 3 * t
Ten slotte is de kracht in de wind eenvoudigweg de energie per tijdseenheid
P = π / 8(ρ * D 2 * v 3 )
Zoals aangetoond, is het vermogen in de wind sterk gerelateerd aan de snelheid van de lucht en in mindere mate aan de diameter van de bladen. De hoeveelheid energie in de vloeistof is gerelateerd aan de snelheid van de vloeistof in de derde macht en geeft het belang van hoge windsnelheden aan. Om de energie-output te verhogen, is de belangrijkste factor daarom om een locatie te vinden met hoge windsnelheden. Dit kan worden bereikt door een toren te maken om de windmolen op een hogere locatie te plaatsen. Dit zal helpen om de impact van obstakels vanaf het grondniveau te verminderen. De grootte van de turbinebladen is ook belangrijk en moet ook worden overwogen als een methode om meer vermogen te verkrijgen.
Maximale mogelijke efficiëntie
De Betz-limiet is ontwikkeld door Albert Betz en is bedoeld om de maximaal mogelijke energie weer te geven die een apparaat kan afleiden uit een vloeistofstroom bij een bepaalde snelheid. In het geval van een windmolen kan de maximale theoretische efficiëntie van een dunne rotor worden gevonden op basis van de volgende aannames:
- De rotor wordt als ideaal beschouwd, omdat deze een oneindig aantal bladen heeft en geen weerstand ondervindt.
- De stroming in en uit de rotor is axiaal en in overeenstemming met behoudsvergelijkingen.
- De vloeistof wordt gemodelleerd op basis van onsamendrukbare stroming.
De Betz-limiet heeft voorspeld dat de theoretische maximumwaarde voor de vermogenscoëfficiënt 0,593 is. Dit betekent dat de theoretische limiet van het vermogen dat uit de vloeistof wordt verwijderd 59,3% is. Ter vergelijking: commerciële windturbines zijn momenteel in staat om 40 - 50% conversie te bereiken vanwege lichte inefficiënties gerelateerd aan het ontwerp van de bladen en het mechanische proces. [1]
Optimale hoek van de bladen
De hoeveelheid energie die beschikbaar is in een vloeistofstroom is hieronder aangegeven en is nauw gerelateerd aan zowel de vloeistofsnelheid als het geveegde oppervlak van de bladen. Het andere belangrijke onderdeel is hoeveel energie kan worden afgeleid van de tegemoetkomende vloeistof. Voor platte bladen bepaalt de hoek waarin de windmolenbladen zijn gekanteld ten opzichte van de vloeistofstroom hoeveel energie kan worden omgezet in rotatiebeweging en vervolgens door het systeem kan worden vastgelegd voor zinvol werk. De optimale hoek is hieronder berekend:
De winddruk is de hoeveelheid kracht die de wind uitoefent per oppervlakte-eenheid van de bladen en wordt gegeven door: P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v 2
- Waarbij c een constante is en gelijk is aan 1,0 voor lange, vlakke platen.
De kracht van de wind tegen het windmolenblad is gebaseerd op de winddruk vermenigvuldigd met het oppervlak van het blad dat naar de tegemoetkomende stroming is gericht. In het geval dat het blad onder een hoek staat ten opzichte van de tegemoetkomende luchtstroom, wordt het oppervlak van het blad dat aan de vloeistof is blootgesteld, verminderd met een factor sin θ . Als zodanig wordt de winddrukberekening vermenigvuldigd met A * sin θ om de kracht van de wind op de bladen te verkrijgen. Bovendien is de kracht van de wind die is omgezet in een rotatiebeweging gerelateerd aan de hoek van het blad in relatie tot de tegemoetkomende vloeistofstroom. Deze relatie wordt gegeven door een factor cos θ .
Bovendien zullen de bladen een weerstandscoëfficiënt ondervinden die gerelateerd is aan de hoek van de bladen terwijl ze roteren in hun eigen as loodrecht op de tegemoetkomende vloeistofstroom. Deze weerstandscoëfficiënt zal worden weergegeven door D * cos θ .
De gecombineerde berekening om de krachtenbalans op de bladen te bepalen is dus:
F = ρ * v 2 * A * zonde θ * cos θ * D * cos θ
Een belangrijke relatie om op te merken is die tussen kracht en θ . De gecombineerde krachtbalans geeft een relatie aan tussen kracht en sin θ * cos θ * cos θ .
Als gevolg hiervan zou de optimale kanteling van de bladen een hoek aan de luchtstroom verschaffen, zodat sin θ * cos θ * cos θ maximaal is. Deze waarde is in de onderstaande grafiek weergegeven om te laten zien hoe de waarde verandert als θ wordt aangepast.
De hoek wordt aangepast in radialen en lijkt een maximale waarde aan te geven van ongeveer 0,62 radialen, of ongeveer 35,5 graden. Dit vertaalt zich in een maximale omzetting van 38,5% van de windkracht in rotatiebeweging. Daarom moeten de bladen worden gekanteld in een hoek van ongeveer 35,5 graden ten opzichte van de tegemoetkomende luchtstroom om de optimale hoeveelheid energie te verkrijgen met behulp van windmolens met platte bladen.
Een computational fluid dynamic (CFD)-analyse was bedoeld voor deze bladhoek om de drukverdeling en luchtstroom te onderzoeken terwijl deze langs de bladen passeert. Helaas is de licentie voor de CFD-software Fluent verlopen. Het meshed model van het bladontwerp, met behulp van het programma Gambit, is hieronder opgenomen.
De voltooide CFD-analyse wordt gepubliceerd zodra toegang tot Fluent of een gelijkwaardig softwareprogramma beschikbaar is.
Regionale overwegingen
De doelregio's voor deze technologie zijn locaties waar mensen beperkte toegang hebben tot gereedschappen of benodigdheden, zoals Sub-Sahara Afrika. Daarnaast moet het gebied toegang hebben tot een redelijke windbron en toegang tot bepaalde belangrijke materialen. Deze materialen omvatten veel technologisch geavanceerde materialen zoals generatoren en motoren. Deze kunnen echter op schroothopen worden gevonden, zolang ze functioneel zijn en aan hun fundamentele vereisten kunnen voldoen. Hoewel veel mensen zich deze items niet kunnen veroorloven, zijn er veel kapotte auto's en apparaten die voldoende zouden zijn.
Wat betreft de sociale impact is de mogelijkheid om toegang te krijgen tot elektriciteit een krachtig hulpmiddel dat gemeenschappen uit de armoede kan helpen. Omgekeerd is herhaaldelijk aangetoond dat het helpt de economische kloof te bestendigen en te vergroten. Het is belangrijk dat energie met respect wordt behandeld en dat het niet wordt gebruikt als een instrument om de ongelukkigen verder te verarmen.
Materialen
De volgende lijst geeft de basismaterialen weer die nodig zijn om een windmolen te maken, hetzij thuis of met behulp van afvalmaterialen. Omdat William Kamkwamba heeft laten zien wat mogelijk is en mensen over de hele wereld heeft geïnspireerd, worden de materialen die hij gebruikte om zijn eerste windmolen te bouwen hieronder weergegeven: [2]
Als de windmolen wordt gebouwd en het de bedoeling is om elektriciteit op te slaan, dan zijn de volgende materialen ook nodig: [3]
- Deep cycle accu's 12V (als de gebruiker elektrische energie wil opslaan)
- Laadregelaar om te regelen hoeveel de accu laadt
- DC/AC-omvormer
- Bruggelijkrichter (om ervoor te zorgen dat er elektriciteit naar de batterijen stroomt)
Hulpmiddelen
Als er geen beperkingen zijn aan de gereedschappen die voorhanden zijn, dan zou het waardevol zijn om een zaag, schroevendraaier, schroeven, een hamer, spijkers, ringen, moeren en bouten, een waterpas en markeerstift te hebben. Bovendien zou het elektrische werk gemakkelijker zijn met tangen en ook met spannings-, ampère- en weerstandsmeters. In landelijke delen van de wereld worden mensen echter gedwongen om creatiever te zijn met de beschikbare middelen. Hier zijn een paar voorbeelden van hoe dit het geval is: [4]
- De platte bladen kunnen worden gemaakt door een PVC-buis in de lengte door te zagen met een zaag of een soortgelijk apparaat, en de buis vervolgens boven een vuur te verhitten. Als de buis eenmaal heet is, kan deze worden gevormd tot een lang, plat blad.
- Ringetjes kun je maken door flessendoppen plat te slaan en er vervolgens een gat in het midden te slaan.
In deze omstandigheden worden spijkers, stenen, vuur en hout de gereedschappen om de windturbine te bouwen. Staal of stenen kunnen worden gebruikt als hamers en fietsspaken kunnen langs een steen worden geschraapt om een vlakke rand te creëren en plastic zakken kunnen worden gesmolten om een handvat rond een uiteinde te maken. Verder kunnen er boren worden gemaakt van een maïskolf als handvat en een extruderende spijker. De spijker kan vervolgens worden verhit boven een open vuur totdat deze roodgloeiend wordt en vervolgens worden gebruikt om door bepaalde materialen te dringen.
Vaardigheden en kennis
Om te profiteren van het energieopwekkende potentieel van windturbines, is het belangrijk om te begrijpen hoeveel wind er op een bepaalde locatie beschikbaar is. Een Beaufortschaal geeft een indicatie van windsnelheden op basis van verschillende visuele aanwijzingen. Hoewel deze aanwijzingen indicaties geven van de windsnelheid op de grond, is er waarschijnlijk een grotere hoeveelheid energie in de wind naarmate de hoogte toeneemt. Dit is gebaseerd op de grenslaag die zich op het aardoppervlak ontwikkelt, samen met verschillende obstakels op de grond die de stroming van de wind beïnvloeden. De Beaufortschaal wordt hieronder weergegeven: [5]
Voor een completere lijst met fysieke identificerende factoren klikt u op deze link.
Bovendien is het, om de gegenereerde elektriciteit te kunnen overbrengen voor toepassingen zoals het bedienen van lampen, radio's of het opladen van batterijen, van cruciaal belang om kennis te hebben van elektrische theorie, zoals de vereiste spanning en ampèrage om het gewenste apparaat van stroom te voorzien. Een overzicht van deze kennis is hier te vinden.
Technische specificaties
William kon zijn windmolen bouwen op basis van het schema hieronder. [6] Deze werd vervolgens gemonteerd op een grote toren die hij van hout had gemaakt. Over het algemeen is de machine vrij eenvoudig van opzet, met als belangrijkste beperkingen de beschikbare materialen en de beperkte toegang tot gereedschappen. Door middel van testen ontdekte William dat met zijn ontwerp een windmolen met vier bladen meer vermogen kon genereren dan zijn tegenhanger met drie bladen. [7]
Geschatte kosten
William has disclosed that his windmill cost approximately $15 to produce and that the bicycle generator was the most difficult to attain.[8] An estimate of the costs for the various components has been compiled based on what he has been able to find for free in the scrap yard or from family.
In rural settings, the cost for the parts will vary significantly based on the materials that can be salvaged or must be purchased either locally or from neighbouring villages. Therefore, it is more appropriate to offer a range of anticipated costs based on the variability of how accessible certain materials are. While this is purely an estimate, it offers an idea as to how much one might expect to pay for the parts.
As indicated, the range of costs is approximately $0 - $99 and provides a general range of project costs based on how much can be salvaged. Based on these estimates, William's $15 budget appears to be at the lower end of the range as he was able to find the majority of his materials from what others considered to be waste.
Beyond the initial cost, the power harnessed from the wind has an opportunity to become an income generating technology. Cell phones have provided jobs to many people who rent their phones to individuals looking to call neighboring markets to determine the price for various goods. Similarly, power can be sold to people looking to charge their cell phones or other batteries that can be used for lighting applications or to listen to radios.
Common Mistakes
There are many variations to the windmill design used by William Kamkwamba and refined throughout this section. However, there are some variations that are commonly used and have a negative impact on performance. One of these examples is using wood as the material to create blades. Wood is a poor choice as it is a heavier substance and therefore requires more energy to begin rotation and achieve more spin. Other materials should be considered.
Also, it is very important that blades are evenly shaped as this can cause a wobble to occur. The wobble will result in reduced performance and will shorten the windmill's life based on additional vibrations. The windmill blades should also be placed high above all other obstructions in order to obtain a more powerful and consistent wind stream. A good rule of thumb is to place the turbine twice as high as any nearby obstructions.
Other Designs
If you happen to have access to additional equipment such as saws and sand paper, then it may be possible to use the design showcased in the video below. Also, be sure to note that the wind turbine is able to pivot and uses a tail to direct the blades into the wind.
References
- ↑ Gorlov AM, Silantyev VM, Limieten van de turbine-efficiëntie voor vrije vloeistofstroming, Journal of Energy Resources Technology - December 2001 - Volume 123, Issue 4, pp. 311-317.
- ↑ Kamkwamba, William. De jongen die de wind beteugelde.fckLRWilliam Morrow, 2009.
- ↑ Maak een windturbine. Beschikbaar op: http://web.archive.org/web/20210101102628/http://makeawindturbine.com/ [Geraadpleegd op 9 april 2010].
- ↑ The Doers Club. Beschikbaar op: http://web.archive.org/web/20100822115207/http://changeobserver.designobserver.com:80/entryprint.html?entry=10707 .[Geraadpleegd op 4 april 2010]
- ↑ De Beaufort-schaal. Beschikbaar op: http://web.archive.org/web/20100822162021/http://gcaptain.com:80/maritime/blog/beaufort-scale-images [Geraadpleegd op 4 april 2010].
- ↑ The Doers Club. Beschikbaar op: http://web.archive.org/web/20100822115207/http://changeobserver.designobserver.com:80/entryprint.html?entry=10707 .[Geraadpleegd op 4 april 2010]
- ↑ Kamkwamba, William. De jongen die de wind beteugelde. William Morrow, 2009.
- ↑ African Leadership Academy. Beschikbaar op: http://www.alagapyear.org/community/african_students/williamk.htmlfckLR [Geraadpleegd op 16 april 2010].