Ключовими показниками роботи вітротурбіни, є коефіцієнт використання енергії вітру. Цей показник залежить як від аеродинамічних так и геометричних показників ВЕУ. Завдання теоретичного розрахунку вітротурбіни полягає в тому, щоб достатньо точно розрахувати аеродинамічні характеристики лопатей вітротурбіни, та оптимізувати їх геометрію для отримання заданого показника потужності.

Запропонована математична модель дозволяє виконати таку оптимізацію з високою точністю за лічені секунди. Тому було прийнято рішення для перевірки алгоритму роботи програмного комплексу «Аеродинама» шляхом виготовлення фізичної моделі вітротурбіни, та перевірка її в реальних умовах експлуатації.

Для контролю показників ВЕУ, було розроблено логер на базі плати мікроконтролера Arduino Nano версії 3.0 та набору кількох датчиків. А саме датчика Хола KY-003 Hall, датчика ACS712 30А та датчика DS18B20. Швидкість вітру вимірювалась за допомогою аналогового анемометра з електромагнітною системою, та контролювалась за рівнем напруги на виході. Поточні дані накопичувались на карті пам’яті та дублювалися на дисплей. Крок вимірювання – 1 сек. Відстежувались такі дані: швидкість вітру, оберти робочого валу вітроколеса, напруга на виході блока випрямляча, струм на виході випрямляча, потужність та температура обмоток генератора.

Для перевірки математичної моделі, було взято ВЕУ з генератором на постійних неодимових магнітах потужністю 400 Вт та стартовим моментом 0,49 Н·м. ККД генератора прийнято 80%. Для вітроколеса обрано трилопатевий гвинт з профілем лопатей BRUXEL 36. Середньорічну швидкість вітру взято як 3,5 м/с, а буремну, як 25 м/с.

В результаті розрахунків отримано вітроколесо з діаметром 2,55 м, коефіцієнтом використання енергії вітру 0,46 та розрахунковими обертами 340 об/хв. Стартова швидкість вітру 1,5 м/с, розрахункова сило лобового тиску 170 Н та розрахунковий крутний момент на валу генератора 11,2 Н·м.

З набору отриманої, в результаті математичного моделювання, хмари точок, за допомогою програмного пакету SolidWorks було побудовано 3D модель лопаті, а далі виготовлено її фізичну модель та сконструйовано ВЕУ.

В рамках захисту ВЕУ від несприятливих умов, було використано механічний захист, що гарантував вивід вітроколеса з робочої площини в площину паралельну напрямку вітру. Захист налаштовано таким чином, щоб він починав діяти при досягненні швидкості вітру близько 8 м/с. Роботу електричного генератора було направлено на зарядку акумуляторних батарей через зарядний пристрій.

Зібрані дані було імпортовано в програмний комплекс MS EXCEL для обробки та побудування графіків. На рис. ми можемо побачити фрагмент файлу з даними.

В приведеному прикладі видно, що значення швидкості вітру та обертів не мають чіткої та прямої залежності. Наприклад, ми можемо побачити, що значенню 150 об/хв в строках 207, 211, 213 та 214 відповідають різні показники швидкості вітру, а саме 2,54, 2,73, 3,22 та 2,83. Така різниця в показниках зумовлена інерційністю механічної системи ВЕУ та впливом електричного навантаження.

Тим не менше, варіювання показників, має незначний характер, що дозволяє побудувати графіки залежності обертів та потужності ВЕУ від швидкості вітру, в достатньо великому діапазоні.

Так, як при побудуванні графіків розрахункової моделі, потужність задано як механічний параметр, а при логуванні даних це параметр електричний, то для порівняння результатів, нами обрано лише графік залежності обертів від швидкості вітру. В програмному комплексі MS EXCEL, було побудовано графік.

Незначна не лінійність графіка зліва зумовлена впливом системи управління зарядом акумуляторних батарей через електричне навантаження на роботу генератора, що в свою чергу дає додаткове навантаження на вітроколесо. Тим не менше, на графіках можна чітко відстежити, що отримані дані відповідають розрахунковим.

Проведений експеримент за допомогою ВЕУ потужності 400 Вт, підтвердив правильність математичної моделі, отриманої завдяки програмного комплексу «Аеродинама». Незначні відхилення математичної моделі від фізичної викликані з відсутністю врахування додаткових параметрів, що впливають на роботу ВЕУ. До таких параметрів можна віднести вплив споживача електричної енергії.