Парусная Ветроэнергетическая установка

Предлагается не имеющая аналогов Самоустанавливающаяся Парусная Ветроэнергоустановка (ВЭУ) которая, за счёт большой площади поверхности парусов начинает работать от слабого ветра, бесшумная и безопасная, так как является тихоходной, т. е. вращается в три раза медленнее ветра, тогда как, для примера, законцовки лопастей пропеллерной турбины вращаются, примерно, в десять раз быстрее ветра. Ориентация паруса при смене направления ветра происходит автоматически, при этом каждый парус всегда оказывается под оптимальным, единственно правильным углом относительно ветра и, по ходу вращения ротора, каждый парус поворачивается на требуемый угол, то есть - против ветра парус идёт ребром с минимальным сопротивлением, поперёк ветра парус поворачивается на 45 градусов, по ветру - перпендикулярно. Парусная ВЭУ может быть изготовлена из доступных, дешёвых материалов, то есть имеет низкую себестоимость, соответственно быструю окупаемость, если же считать окупаемость по стоимости выработанной электроэнергии, то такая ВЭУ, установленная там, где дуют достаточно постоянные и сильные ветра, окупится меньше, чем за полгода.
Для реализации проекта нужен инвестор (спонсор, бизнес-ангел) с последующим созданием компании для изготовления ВЭУ разной мощности и их продажей, а также продажей вырабатываемой ими электроэнергии предприятиям или населённым пунктам. Для этого компания должна иметь производственные мощности, компетентное руководство, квалифицированных специалистов и рабочих, а также станки и оборудование, необходимые для их изготовления.

Расчёт мощности.
Мощность ветрового потока рассчитывается по формуле Р=рSU^3/2 где р -плотность воздуха=1,225 кг/м^3, S=рабочая площадь парусов, U^3=скорость ветра.
Но это полная энергия ветра, приводящая в движение любую ВЭУ, эффективно сть работы которой определяется через КИЭВ -коэффициент использования энергии ветра, у лучших пропеллерных ВЭУ он достигает 0,4, но в среднем 0,30-0,35
Рассчитать мощность предлагаемой Парусной ВЭУ, опираясь на данные из открытых источников не представляется возможным,так как нет нигде вообще подобных ВЭУ, нет и, соответственно, адекватных формул и способов расчета. В чем заключается сложность? В том, что парус, перемещаясь по кругу, постоянно изменяет угол атаки относительно направления ветра, что можно сравнить с движением галсами парусного судна, то есть при попутном ветре парус устанавливается перпендикулярно, это у мореходов называется фордевинд. При движении галфвиндом, то есть поперек ветра, парус устанавливается под углом плюс минус 45 градусов, при движении против ветра парус выходит на острые углы, то есть движется за счет аэродинамики так называемым бейдевиндом,-под небольшим углом к ветру. Чтобы удержать судно против ветра на якоре, парус переводят в левентик, то есть ребром к ветру, обеспечивая наименьшую силу взаимодействия ветра с парусом. Таким образом парусная ВЭУ по динамике движения полностью подобна любому парусному судну.
Рассчитать предполагаемую мощность парусной ВЭУ можно, разбив задачу на несколько частей.
Сначала посчитаем максимально достижимую мощность пропеллерной ВЭУ для примера, имеющую ту же ометаемую площадь винта, что и Парусная ВЭУ в миделе, то есть в габаритном сечении, в нашем случае 3,5 м в высоту и 6 в ширину, площадью 21 кв.м и мощностью 5 кВт, при 2м х 3,5м размере паруса и его площади 7 кв.м
Диаметр ветроколеса такой пропеллерной. ВЭУ будет 5,2 кв.м, которое будет вырабатывать согласно выше приведенной формуле с КИЭВ 0,4 (при полной энергии ветра 22,2 кВт) х 0,4 = 8,88 кВт. Для средней хорошей турбины 22,2 х 0,35 = 7,77 кВт. Для простой конструкции 22,2 х 0,2 = 4,4 кВт
В парусной ВЭУ при работе установки под непосредственном воздействии ветра находится не один, а как минимум сразу два паруса, каждый под своим определенным углом, силу тяги которых удобнее всего можно определить в зависимости от угла атаки к оси ветра - 90, 75, 60, 45 и 15 градусов. На ( рис.1 ) верхнем слева один парус находится под углом 30 градусов, второй под 90 градусов и третий под 30 градусов. По известной формуле лобового сопротивления F=0,5 x p x U^2 x S x Cx находим, что при положении паруса 90 градусов сила F=6,2 кгс/кв.м, при 30 градусах оба с силой F= 1,56 кгс/кв.м. Средняя F=6,2+1,56+1,56/3=3,1 кгс/кв.м. Так же можно посчитать по упрощенной формуле Р=0,08 х U^2 x S
А так как три паруса по 7 кв.м , то при общей площади 21 кв/м х 3,1 кгс/кв.м =
65,1 кгс при 10 м/с. При 12 м/с. F=94,5 кгс. При 14 м/с F=128,8 кгс
При 10 м/с по формуле Р=F x U где U=⅓ от скорости ветра =3,33 м/с, Р= 65,1 кгс х 9,81 Н/кгс =638,6 Н х 3,33 получается приблизительно = 2,13 кВт
При 12 м/с P= 94,5 кгс х 9,81 Н х 4 = 3,7 кВт
При 14 м/с Р=128,8 кгс х 9,81 Н х 4,66 = 5,9 кВт
При других положениях паруса, как на рис. 1 слева в середине , то распределение усилий несколько меняется, - один парус выходит в левентик, то есть идет против ветра ребром с наименьшим сопротивлением, два других пребывают под углом 60 градусов. Тем не менее суммарная сила тяги остается прежней. Средняя F= 4,7+4,7/2=4,7 кгс/кв.м, а так как в работе остаются два паруса, то
4,7 кгс/кв.м х 2 паруса х 7 кв.м = 65,8 кгс
При 10 м/с в данное мгновение два паруса смогут генерировать
Р=65,8 кгс х 9,81 Н х 3,33 м/с = 2,15 кВт
При 12 м/с Р=6,74 х 2 х 7 х 9,81 х 4 = 3,7 кВт
При 14 м/с Р=9,18 х2 х7 х 9,81 х 4,66 = 5,9 кВт
При третьем расположении парусов при скорости ветра 10 м/с один парус под углом 45 градусов развивает 3,12 кгс/кв.м, второй под 75 градусов - 5,8 кгс/кв.м, третий под 15 градусов - 0,44 кгс/кв.м. Среднее Р =3,12 + 5,8 +0,44 / 3 =
=3,12 кгс/кв.м х 21 кв.м = 65,52 кгс. При 10 м/с Р = 65,52 х 9,81 х 3,33 =
=2,14 кВт
При 12 м/с среднее Р = 4,5 + 8,4 + 0,62 / 3 = 4,5 кгс / кв.м х 21 = 94,64 х 9,81 х 4 = 3,7 кВти
При 14 м/с среднее Р = 6,12 + 11,42 + 0,86 /3 = 6,13 кгс/кв.м х 21 х 9,81 х 4,66 = = 5,9 кВт.
При любом положении парусов относительно ротора по формуле лобового сопротивления, без учета приращения мощности от аэродинамической составляющей, расчет был произведен применительно как к простой плоской жесткой пластине в зависимости от скорости ветра:
U=10 м/с Р=2,14 кВт
U=12 м/с Р=3,7 кВт
U=14 м/с Р=5,9 кВт
Паруса, изготовленные из современных материалов, позволяют достичь аэродинамического эффекта, - подьемной силы крыла, что кардинально влияет на эффективность, увеличивая силу тяги в разы, от трех до восьми раз, лучшие из парусов показывают более чем в десять раз, что означает большую установленную мощность, производительность, быструю окупаемость, при тех же габаритах и себестоимости.
Таким образом Парусная ВЭУ при габаритах 3,5 на 6 метров в миделе могла бы вырабатывать без шума и пыли , в зависимости от скорости ветра, если взять среднее приращение мощности от аэродинамической составляющей в 6 раз:
U=10 м/с Р=12,84 кВт
U=12 м/с Р=22,2 кВт
U =14 м/с Р=35,4 кВт
что в теории по производительности не то что превосходит самые лучшие пропеллерные ВЭУ с горизонтальной осью, а просто КИЭВ такой ВЭУ получается равен единице, чего просто не может быть, хотя бы потому что после прохождения ветром такой ветроустановки он должен упасть в полный штиль. При взятых в пример габаритах мидель парусной ВЭУ равен 21 кв.м Полная мощность ветра миделя этой площади будет равна по формуле: P=pSU^3/2
U=10 м/с Р=12,86 кВт
U=12 м/с Р=22,22 кВт
U=14 м/с Р=35,3 кВт
Истинный коэффициент использования энергии ветра может показать только непосредственная эксплуатация такой ВЭУ при разных скоростях ветра и нагрузках, подбирая разные по свойствам материала паруса в поисках оптимального, с учетом цены/качества, с целью достижения максимального совершенства конструкции.
Так как для изготовления такой установки не требуется дефицитных и дорогих материалов, а также не требует специфических технологий, установка по себестоимости будет не намного дороже придорожного билборда.
ВЭУ с горизонтальной осью
Благодаря аэродинамическому эффекту пропеллерные установки с горизонтальной осью до последнего времени считаются лучшими по КИЭВ среди других известных типов ВЭУ. Парус, как лопасть и крыло самолета используют одно и тоже явление, - подъемную силу крыла, - когда воздух огибает парус с подветренный стороны так называемое пузо, ему приходится преодолевать больший путь, от чего увеличивается скорость потока и возникает, согласно закону Бернулли, - разряжение, область пониженного давления, а с наветренной стороны наоборот избыточное давление, и на этой разнице давлений возникает такое многократное увеличение силы тяги паруса. Без этого явления лопасти пропеллерной ветряка может быть вообще бы не крутились. При той площади, которая приходится на лопасти от ометаемой ими поверхности, а это ничтожные проценты, - тем не менее пропеллерные ВЭУ, за счет аэродинамического эффекта и того, что лопасть представляет собой по сути дела рычаг, прекрасно работают и тотально доминируют среди других типов ВЭУ. И если не ряд существенных проблем, которые мешают их большему распространению, другие типы ВЭУ были бы вообще обречены.
И эти проблемы весьма существенны, -одно то, что пропеллерные ветряки нельзя устанавливать в городах, да и вообще в любых населенных пунктах, ввиду их потенциальной опасности, например, отрыва лопастей при шквальном ветре, генерированию помимо полезного электричества, всего спектра вредного ультра инфра и прочего звука и объемных волн, от которых мрут даже дождевые черви, они создают помехи радио и теле сигналу, птицы не способны уклонится от встречи с быстро вращающейся лопастью, уродуют ландшафт, - все это просто убивает развитие чистой, возобновляемой энергетики. Всего этого лишены предлагаемые Парусные ВЭУ, - вращаются в три раза медленнее ветра, поэтому безопасны и их можно было бы ставить в городах ,-бесшумны и очень эффективны, а также вполне эстетичны.
Поверхность парусов большой площади прекрасно подходит для активной рекламы разнообразного исполнения, -современные технологии проецирования, всевозможные световые эффекты, иллюминации и прочие инсталляции способны превратить любую такую ВЭУ в настоящий арт-объект, который при этом осуществляет еще и выработку чистой энергии.
Себестоимость
Парусная ВЭУ при габаритах 3,5 на 5 метров в миделе могла бы вырабатывать , в зависимости от скорости ветра от 6 до 20 кВт и выше.
Приблизительная смета на 5 кВт ВЭУ с тремя парусами по 7 квадратных метра. Цены взяты в интернете и у маркетплейсов.

Подшипниковый узел 70х100 12 шт. х 1500 р.= 18 000 р
Подшипник 70 х 100 10шт х 1200 р = 12000 р
Подшипник 30 х 62 3шт х 500 р = 1500 р
Звезды (вело) большие 4 шт х 600 р = 2 400 р
Звезды малые 4 шт х 100 р = 400 р
Цепь (вело) 16 м х 1400 р = 22 400 р
Ткань парусная (брезент) 25 кв.м 9 000 р
Труба 2 дюйма 712 р/м х 65 м = 46 280 р
Консоль ал. 2 дюйма 15 х 583 р = 8 740 р
Трос 5 мм 250 м х 40р = 10 000 р
Тяги кривошипов 15 м. = 4 000 р
Кривошипы. 3 шт =3 000 р
Крестовины со втулками = 10 000 р
Генератор 25 000 р
Инвертор. 16 000 р
Батарея аккумуляторов 40 000 р
Кабель 5 000 р
Втулки токарные 20 000 р
Прочее 7 000 р
Итого 300 000 р
Работа 200 000 р
Примерная стоимость ВЭУ - 500 000 р
Если ВЭУ будет работать в идеале постоянно весь год, 5 кВт/ч х 24 часа/день х 365 дней/год х 8 р/ кВт/ч = на 350 000 рублей она выработает электроэнергии и теоретически окупится менее чем за полтора года. Если генератор будет на 10 кВт, окупится по выработанной энергии примерно за семь месяцев. Зависит от скорости ветра и установленной мощности.