Бурезащита ветрогенератора складыванием хвоста

Как защитить ветрогенератор от сильного ветра ведь к примеру при урагане запросто могут не выдержать лопасти и по-отлетать. Или что еще хуже не выдержит мачта, например оторвет растяжки и ветрогенератор рухнет сметая все на пути падения. Конечно для небольших ветрячков с диаметром винта до 1,5м защита от сильного ветра не особо актуальна, так-как нет такого огромного давления на винт. А вот для больших ветряков бурезащита обязательна, большой винт при урагане испытывает огромное давление и тут не только лопасти могут отлететь, но и стальные тросы может порвать или вырвать с корнем из земли. Ну в общем я думаю понятно что без защиты особенно в близи людей и строений ветряк лучше не ставить, раз в год как минимум ураганы все равно бывают.

В заводских ветрогенератора бурезащита уже заложена, для малых ветряков как правило используется электротормоз. То-есть при достижении определенных оборотов, контроллером импульсно закорачиваются фазы генератора и винт теряет обороты сбрасывая мощность. Или же защита совсем не предусмотрена и контроллер тормозит закорачивая генератор только когда напряжение превысит определенное значение, к примеру 14 вольт для двенадцативольтовой системы. Для самодельных небольших ветряков часто делают самодельные контролеры (балластные регуляторы) которые так же тормозят ветряк при превышении напряжения, тормозят включением дополнительной нагрузки в виде лампочек или нихромных спиралей, теннов. Или покупают готовые контроллеры где все уже есть и торможение и принудительная остановка ветряка.

Большие ветряки кроме контроллера должны иметь и механическую защиту так как большие винты отбирают огромную мощность на сильном ветру и уходят "в разнос" и даже полное замыкание генератора не останавливает винт. В заводских ветряках защита обычно выполнена методом поворота хвоста и винт отворачивается в сторону от ветра. У "ветроловов" за основу взят ставший уже давно классическим метод увода винта от ветра складыванием хвоста. Вот о этой схеме и пойдет речь далее.

Схема защиты от сильного ветра

Схема расположения узлов для реализации защиты от урагана методом увода ветроголовки из под ветра складыванием хвоста. Если присмотреться то на рисунке видно что генератор смещен относительно цента поворотной оси. А хвост одет на "палец", который приварен с боку под углом, по вертикали 20 градусов и по горизонтали на 45 градусов.
Защита работает так. Когда нет ветра и винт не вращается хвост отклонен на свои 45 градусов и висит в сторону. С появлением ветра винт поворачивается и начинает вращаться, а хвост поворачивается по ветру и выравнивается. При превышении определенной скорости ветра давление на винт становится больше чем вес хвоста и он отворачивается, а хвост складывается. Как только ветер ослабевает хвост под весом снова раскладывается и винт становится на ветер. Чтобы при складывании хвост не повредил лопасти, приваривают ограничитель.

Принцип защиты ветрогенератора

Четыре этапа, на которых видно как происходит защита ветряка от сильного ветра
Тут основную роль играет вес хвоста и его длинна и площадь оперения, а так же расстояние на которое смещена ось вращения винта. Для расчета есть формулы, но люди для удобства написали таблички эксель по которым все считается в два клика. Ниже привожу две таблички взятых с форума windpower-russia.ru

Скриншот первой таблички. В желтые поля вводите данные и получаете нужную длину хвоста и вес его кончика. Площадь оперения по умолчанию 15-20% от ометаемой площади винта.

Скачать - Расчет хвостового оперения.xls

Расчет хвостового оперения

Скриншот таблицы "расчет хвостового оперения для ветрогенератора"
Вторая табличка немного отличается, Тут можно изменять угол отклонения хвоста по горизонтали. Он в первой таблице считается как 45 градусов, а здесь его можно менять также как и отклонение по вертикали. Плюс добавляется пружина, которая дополнительно удерживает хвост. Пружина устанавливается как сопротивление складыванию хвоста для более быстрого возврата и чтобы снизить вес хвоста. Так же в расчете учитывается площадь оперения хвоста.

Скачать - Расчет хвостового оперения 2.xls

Расчет хвостового оперения 2

Скриншот таблицы "расчет хвоста для ветрогенератора 2"

Так же вес хвоста и другие параметры можно рассчитать вот по этим формулам

Сама формула Fa*x*pi/2=m*g*l*sin(a).

Fa - осевая сила на винт.

по Сабинину Fa=1,172*pi*D^2/4*1,19/2*V^2
по Жуковскому Fa=0,888*pi*D^2/4*1,19/2*V^2,
где D - диаметр ветроколеса, V скорость ветра;

x - искомое смещение (offset) от поворотной оси до оси вращения вин;
m - масса хвоста;
g - ускорение свободного падения;
l - расстояние от пальца до центра тяжести хвоста;
a - угол наклона пальца.

К примеру винт диаметром 2 метра, скорость ветра, при которой хвост должен сложиться =10 м/с

считаем по Жуковскому Fa=0,888*3.1415*2^2/4*1.19/2*10^2=165Н

далее
x=m*g*l*sin(a)/Fa/pi*2

масса хвоста =5 кг,
расстояние от пальца до центра тяжести хвоста =2м,
угол наклона пальца =20 градусов

x=5*9,81*2*sin(20)/165/3.1415*2=0,129 м.

Также более понятный расчет массы хвоста

0.5*Q*S*V^2*L1*п/2=М*L2*g*sin(a), где:
Q - плотность воздуха;
S - площадь винта(м^2);
V - скорость ветра(м/с);
L1 - смещение оси поворота ветроголовки от оси вращения винта(м);
M - масса хвоста(кг);
L2 - расстояние от оси поворота хвоста до его центра тяжести(м);
g - 9,81 (сила тяжести);
a - угол наклона оси поворота хвоста.

Ну вот наверное и все, в принцепе табличек эксель вполне достаточно для расчета, хотя можно воспользоваться и формулами. Минус такой схемы защиты это рыскание винта при работе и несколько запоздалая реакция на изменение направления ветра из за плавающего хвоста, но это не особо отражается на выработке энергии. Кроме того есть еще вариант защиты "всплытием" винта.Генератор ставят выше и он опрокидывается при этом винт как бы ложится отворачиваясь от ветра, генератор в этом случае подпирает амортизатор.