Szélautó

Feladat: „Tervezz és készíts olyan autót, amelyet kizárólag szélenergiával hajthatunk meg!

 A kocsi

A tervünk az volt, hogy olyan szélkocsit készítsünk, ami széllel szemben is halad. A szélenergia befogására több ötletünk is volt, a hagyományos vízszintes tengelyű légcsavar számunkra nem lett volna megfelelő, mivel ennek igazodnia kellett volna a szélirányhoz, és a kerekekkel való összekapcsolása is körülményes lett volna. Ezért egy függőleges tengelyű szélturbina mellett döntöttünk, mert ezt könnyedén össze tudtuk kapcsolni a kerekek tengelyével. 

A függőleges tengelyű szélturbináknak (VAWT: Vertical Axis Wind Turbine) két típusa van: Az első, az egyszerűbb típus a közegellenálláson alapul, a második a felhajtóerőre épül. A közegellenálláson alapulók lapátjai nem mozoghatnak gyorsabban a szél sebességénél, míg a felhajtóerőn alapulóké a szélsebesség többszörösével is mozoghatnak. Ezért az utóbbi típus sokkal alkalmasabb elektromos energia termelésére.

 

 Mi mégis a közegellenálláson alapulót választottuk, mert az egyszerűbben megépíthető, és nagyobb erőkifejtésre képes.

Kétféle ernyőt készítettünk. Mindkét típus azon alapult, hogy egy alakzatnak eltérő lehet az alaktényezője különböző irányokból nézve. Először a félgömbnél (kkonvex = 0,34 kkonkáv = 1,33) próbáltuk ezt felhasználni: félbevágott pingponglabdákat erősítettünk fel négy hurkapálca végére, és ezeket sugárirányban szimmetrikusan helyeztük el. Ez azonban nem vált be, mivel a pingponglabdák túl kicsinek bizonyultak.

A második alkalommal már egy félhengernél próbáltuk kihasználni az alaktényezők különbségét. Ennek megvalósítása egy függőlegesen kettévágott olajos üveg lett. Az elején 2 literessel próbálkoztunk, ám ez kicsinek bizonyult (nem volt elég széles), így áttértünk az 5 literesre.

 A kocsi stabilitása szempontjából kedvezőbbnek bizonyult az alacsonyabb, de szélesebb építésű szélturbina, ami így a következőképpen nézett ki:

 A kocsi alapját LEGO -ból készítettük el, a következőképpen:

 

 

 

 A szélkocsi adatai:

 

Tömeg

vitorla

0,045 kg

összesen

0,095 kg

kocsi

0,05 kg

1 nehezékkel

0,145 kg

nehezék

0,05 kg

2 nehezékkel

0,195 kg

 

Vitorla adatai

átmérő

30cm

magasság

9,7cm

 Mérések:

 

Stroboszkóppal megmértük a ventillátor fordulatszámát. Ezen kívül 1 méteren menetidőket mértünk szembeszélben és hátszélben.

A ventillátor helyzete rögzített volt, ezért az 1 méteres távot befutva a kocsi közelített hozzá, és némileg nőtt a sebessége, ezért csak átlagsebességet határoztunk meg, ebből pedig átlagteljesítményt.

Szembeszél, 2 súly

Fokozat

Kettes

Hármas

Menetidő 1 méteren (s)

32,3

25,0

30,6

25,6

29,5

25,3

32,2

24,4

32,1

24,4

32,7

25,1

26,4

25,4

27,8

25,5

26,2

24,8

28,0

25,7

Átlag

29,8

25,1

 

Szembeszél, 2 súly

Fokozat

Kettes

Hármas

Átlagsebesség 1 méteren (s)

0,0310

0,0400

0,0327

0,0391

0,0339

0,0395

0,0311

0,0410

0,0312

0,0410

0,0306

0,0398

0,0379

0,0394

0,0360

0,0392

0,0382

0,0403

0,0357

0,0389

Átlag

0,0336

0,0398

  

Hátszél, 2 súly

 

Hátszél, 1 súly

Fokozat

Hármas

 

Fokozat

Hármas

Menetidő 1 méteren (s)

17,1

 

Menetidő 1 méteren (s)

17,1

17,5

 

15

16,7

 

16,4

16,9

 

16

17,1

 

16,1

18

 

16,7

Átlag

17,2

 

Átlag

16,2

  

Hátszél, 2 súly

 

Hátszél, 1 súly

Fokozat

Hármas

 

Fokozat

Hármas

Átlagsebesség 1 méteren (s)

0,0585

 

Átlagsebesség 1 méteren (s)

0,0585

0,0571

 

0,0667

0,0599

 

0,0610

0,0592

 

0,0625

0,0585

 

0,0621

0,0556

 

0,0599

Átlag

0,0581

 

Átlag

0,0617

  

Szög

Erő

Forgatónyomaték

(°)

(N)

(Nm)

-80

0,00

0,0000

-45

0,00

0,0000

-15

0,32

0,0038

0

0,50

0,0060

15

0,62

0,0074

30

0,75

0,0090

40

0,78

0,0094

45

0,75

0,0090

60

0,65

0,0078

75

0,50

0,0060

100

0,00

0,0000

135

0,00

0,0000

165

0,32

0,0038

180

0,50

0,0060

195

0,62

0,0074

210

0,75

0,0090

220

0,78

0,0094

225

0,75

0,0090

240

0,65

0,0078

255

0,50

0,0060

280

0,00

0,0000

 A táblázatban a mért forgatónyomatékokat ábrázoltuk a szög függvényében és ezt integrálva megkaptuk, hogy a szél egy fordulat alatt mennyi munkát végez a szélturbinán.

 

 Tehát a szélturbina munkája 1 körülfordulás alatt W=0,0278 J. Egy körülfordulás idejét kb 0.8 s-nak mértük, tehát a szélturbina teljesítménye: .

A turbina-keresztmetszetre számolt szélteljesítmény és hatásfok:

 A kocsi hasznos teljesítményét a súrlódási és a közegellenállási erő ellenében végzett munkából számoltuk ki (A kocsi az adott helyen nem gyorsult).

  W

W

W

Ezek szerint a teljes szélkocsi hatásfoka (amennyit a szél energiájából hasznosít)

Problémák:

 Mivel a kocsi könnyű volt, a ventillátorhoz közeledve megemelkedett az eleje. Ezért nehezékeket raktunk rá (egyenként 50g-os súlyokat). A ventilátor által megmozgatott levegő sebességének megmérése is nehézségeket okozott. Erre egy fonálra függesztett pingponglabda kitérésével tudtunk nagyságrendi becslést adni

 

 

 

 

letölthető video:  kocsi1        kocsi2