Jak obliczyć generator wiatrowy: wzory + praktyczny przykład obliczeń

Alternatywna energia pozyskiwana z elektrowni wiatrowych cieszy się dużym zainteresowaniem społeczeństwa.Istnieje wiele dowodów na to na poziomie codziennej praktyki.

Właściciele posiadłości wiejskich budują wiatraki własnymi rękami i są zadowoleni z efektu, choć efekt może być krótkotrwały. Powodem jest to, że generator wiatrowy nie został prawidłowo obliczony podczas montażu.

Zgadzam się, nie chciałbym tracić czasu i pieniędzy na realizację projektu i skończyć z nieefektywną instalacją. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć, jak obliczyć generator wiatrowy i według jakich parametrów wybrać główne elementy robocze turbiny wiatrowej.

Artykuł poświęcony jest rozwiązaniu tych problemów. Część teoretyczną materiału uzupełniono ilustrującymi przykładami i praktycznymi zaleceniami dotyczącymi montażu generatora wiatrowego.

Obliczenia turbin wiatrowych

Od czego zacząć obliczanie systemu wytwarzania prądu z energii wiatru? Biorąc pod uwagę, że mówimy o generatorze wiatrowym, logiczna wydaje się wstępna analiza róży wiatrów na konkretnym terenie.

Ważnymi parametrami projektowymi są parametry obliczeniowe, takie jak prędkość wiatru i jego charakterystyczny dla danego obszaru kierunek. W pewnym stopniu wyznaczają one poziom mocy turbiny wiatrowej, jaki faktycznie będzie możliwy do osiągnięcia.

Trudno sobie nawet wyobrazić generatory wiatrowe o takiej mocy. Ale takie projekty istnieją i działają skutecznie.Obliczenia takich konstrukcji wykazują jednak stosunkowo małą moc w porównaniu z tradycyjnymi źródłami energii

Co ciekawe, proces ten ma charakter długotrwały (co najmniej 1 miesiąc), co jest dość oczywiste. Nie da się obliczyć maksymalnych prawdopodobnych parametrów prędkości wiatru i jego najczęściej występującego kierunku na podstawie jednego lub dwóch pomiarów.

Wymaganych będzie kilkadziesiąt pomiarów. Jednak ta operacja jest naprawdę konieczna, jeśli istnieje chęć zbudowania skutecznego systemu produkcyjnego.

Jak obliczyć moc wiatraka

Generatory wiatrowe do użytku domowego, zwłaszcza te wykonane ręcznie, nigdy nie zaskoczyły ludzi dużą mocą. To jest zrozumiałe. Wystarczy wyobrazić sobie masywny maszt o wysokości 8-10 m, wyposażony w generator o rozpiętości łopat śmigła ponad 3 m. A nie jest to najpotężniejsza instalacja. Tylko około 2 kW.

Do obsługi turbin wiatrowych tej mocy wykorzystuje się helikoptery oraz kilkunastoosobowe ekipy specjalistów. Aby obliczyć taką elektrownię, zaangażowana jest jeszcze większa liczba wykonawców

Ogólnie rzecz biorąc, jeśli opierać się na standardowej tabeli pokazującej zależność mocy generatora wiatrowego od wymaganej rozpiętości łopat śmigła, jest się czym dziwić. Według tabeli do wiatraka o mocy 10 W potrzebne jest dwumetrowe śmigło.

Konstrukcja o mocy 500 W będzie wymagała śmigła o średnicy 14 m. Ponadto parametr rozpiętości łopat zależy od ich liczby. Im więcej ostrzy, tym mniejsza rozpiętość.

Ale to tylko teoria, uwarunkowana prędkością wiatru nieprzekraczającą 4 m/s.W praktyce wszystko jest nieco inne, a moc instalacji domowych, które faktycznie działają przez długi czas, nigdy nie przekroczyła 500 W.

Dlatego też wybór mocy tutaj ogranicza się zwykle do zakresu 250-500 W przy średniej prędkości wiatru 6-8 m/s.

Tabela zależności mocy systemu energetyki wiatrowej od średnicy wirnika i liczby łopatek. Tablicę tę można wykorzystać do obliczeń, jednak biorąc pod uwagę jej zestawienie dla parametrów prędkości wiatru do 4 m/s (+)

Z teoretycznego stanowiska moc elektrowni wiatrowej oblicza się ze wzoru:

N=p*S*V³/2,

Gdzie:

• P – gęstość mas powietrza;
• S – całkowita powierzchnia przedmuchu łopatek śmigła;
• V — prędkość przepływu powietrza;
• N – moc przepływu powietrza.

Ponieważ N jest parametrem mającym radykalny wpływ na moc generatora wiatrowego, rzeczywista moc instalacji będzie bliska obliczonej wartości N.

Obliczanie śmigieł turbin wiatrowych

Przy budowie wiatraka zwykle stosuje się dwa rodzaje śmigieł:

• skrzydlaty — obrót w płaszczyźnie poziomej;
• Wirnik Savonius, rotor Darrieus — obrót w płaszczyźnie pionowej.

Konstrukcje śrub z obrotem w dowolnej płaszczyźnie można obliczyć ze wzoru:

Z=L*W/60/V

Gdzie:

• Z – stopień prędkości (niskiej prędkości) śmigła;
• L – wielkość długości koła opisanego przez ostrza;
• W – prędkość (częstotliwość) obrotu śmigła;
• V – prędkość przepływu powietrza.

Na podstawie tego wzoru można łatwo obliczyć liczbę obrotów W - prędkość obrotową.

Tak wygląda konstrukcja śruby zwanej „Darieu Rotor”. Ta wersja śmigła jest uważana za skuteczną w produkcji generatorów wiatrowych o małej mocy i rozmiarach.Obliczenie śruby ma pewne cechy

Zależność roboczą między obrotami a prędkością wiatru można znaleźć w tabelach dostępnych w Internecie. Przykładowo dla śmigła dwułopatowego i Z=5 obowiązuje zależność:

Ponadto jednym z ważnych wskaźników śmigła wiatraka jest skok.

Parametr ten można wyznaczyć korzystając ze wzoru:

H=2πR* tan α,

Gdzie:

• 2π – stała (2*3,14);
• R – promień opisywany przez ostrze;
• opalenizna α – kąt przekroju.

Dodatkowe informacje na temat wyboru kształtu i liczby ostrzy, a także instrukcje dotyczące ich wytwarzania znajdują się w Ten artykuł.

Dobór generatorów do turbin wiatrowych

Mając obliczoną wartość liczby obrotów ślimaka (W), otrzymaną metodą opisaną powyżej, można już dobrać (wyprodukować) odpowiedni generator.

Przykładowo przy stopniu prędkości Z=5, liczbie łopatek równej 2 i prędkości obrotowej 330 obr./min. Przy prędkości wiatru 8 m/s. Moc generatora powinna wynosić około 300 W.

Przekrój poprzeczny generatora elektrowni wiatrowej. Przykład demonstracyjny jednego z możliwych projektów domowego generatora systemu energetyki wiatrowej, montowanego samodzielnie

Biorąc pod uwagę te parametry, odpowiednim wyborem jako generator dla krajowej elektrowni wiatrowej może być silnik zastosowany w konstrukcjach nowoczesnych rowerów elektrycznych. Tradycyjna nazwa tej części to silnik rowerowy (wyprodukowany w Chinach).

Tak wygląda elektryczny silnik rowerowy, na podstawie którego proponuje się wykonanie generatora do domowego wiatraka. Konstrukcja silnika rowerowego jest idealna do wdrożenia praktycznie bez obliczeń i modyfikacji. Jednak ich moc jest niewielka

Charakterystyka elektrycznego silnika rowerowego jest w przybliżeniu następująca:

Pozytywną cechą silników rowerowych jest to, że praktycznie nie trzeba ich zmieniać. Konstrukcyjnie zostały zaprojektowane jako wolnoobrotowe silniki elektryczne i mogą być z powodzeniem stosowane w generatorach wiatrowych.

Możesz zrobić wiatrak użyj generatora samochodowego lub zbieraj zespół pralki.

Obliczanie i dobór regulatora ładowania

Kontroler ładowania akumulatora jest wymagany w przypadku każdego rodzaju elektrowni wiatrowej, w tym także elektrowni domowej.

Obliczenie tego urządzenia sprowadza się do doboru obwodu elektrycznego urządzenia, który będzie odpowiadał parametrom projektowym systemu wiatrowego.

Spośród tych parametrów najważniejsze to:

• napięcie znamionowe i maksymalne generatora;
• maksymalna możliwa moc generatora;
• maksymalny możliwy prąd ładowania akumulatora;
• napięcie baterii;
• temperatura otoczenia;
• poziom wilgotności otoczenia.

Na podstawie przedstawionych parametrów, zespół kontrolera ładowania zrób to sam lub wybierz gotowe urządzenie.

Kontroler ładowania akumulatorów wykorzystywanych w elektrowni wiatrowej. Urządzenie produkowane przemysłowo, przy wyborze którego wystarczy dokładnie przestudiować parametry techniczne w celu dokładnej koordynacji z istniejącym systemem

Oczywiście wskazane jest wybranie (lub zmontowanie) urządzenia, którego obwód zapewni łatwy start w warunkach słabych przepływów powietrza. Mile widziany jest również kontroler przeznaczony do pracy z akumulatorami o różnych napięciach (12, 24, 48 V).

Wreszcie przy obliczaniu (wyborze) obwodu sterownika nie należy zapominać o obecności takiej funkcji, jak sterowanie falownikiem.

Dobór akumulatora do systemu

W praktyce stosuje się różne typy akumulatorów i prawie wszystkie nadają się do stosowania jako część systemu energetyki wiatrowej. Ale w każdym przypadku trzeba będzie dokonać konkretnego wyboru. W zależności od parametrów systemu wiatrakowego, dobiera się akumulator w oparciu o napięcie, pojemność i warunki ładowania.

Tradycyjnymi komponentami do wiatraków przydomowych są klasyczne akumulatory kwasowo-ołowiowe. W praktyce wykazały dobre wyniki.Ponadto koszt tego typu baterii jest bardziej rozsądny w porównaniu do innych typów.

Akumulatory ołowiowo-kwasowe są szczególnie bezpretensjonalne pod względem warunków ładowania/rozładowania, jednak niedopuszczalne jest włączanie ich do systemu bez sterownika.

Jeżeli instalacja turbiny wiatrowej zawiera profesjonalnie zaprojektowany kontroler ładowania z pełnoprawnym systemem automatyki, racjonalne wydaje się zastosowanie akumulatorów AGM lub helowych.

Zestaw akumulatorów do domowego generatora wiatrowego. Nie jest to najlepsza opcja do użycia, biorąc pod uwagę chaos przewodów i wymagania dotyczące przechowywania. W takim stanie magazynów energii nie można liczyć na ich długotrwałą pracę.

Obydwa typy magazynów energii charakteryzują się większą wydajnością i długą żywotnością, jednak stawiają wysokie wymagania w zakresie warunków ładowania.

To samo tyczy się tzw. pancernych akumulatorów helowych. Ale wybór tych akumulatorów do wiatraka domowego jest znacznie ograniczony ceną. Jednak żywotność tych drogich akumulatorów jest najdłuższa w porównaniu do wszystkich innych typów.

Akumulatory te mają również dłuższy cykl ładowania/rozładowania, ale tylko wtedy, gdy używana jest wysokiej jakości ładowarka.

Obliczanie falownika dla wiatraka domowego

Należy od razu zauważyć: jeśli konstrukcja domowej turbiny wiatrowej uwzględnia jeden akumulator 12 V, nie ma sensu instalować w takim systemie falownika.

Średnie zużycie energii w gospodarstwie domowym wynosi co najmniej 4 kW przy obciążeniu szczytowym.Stąd wniosek: liczba akumulatorów dla takiej mocy powinna wynosić co najmniej 10 sztuk, a najlepiej o napięciu 24 woltów. Przy takiej liczbie akumulatorów sensowne jest zainstalowanie falownika.

Aby jednak w pełni dostarczyć energię do 10 akumulatorów o napięciu 24 W każdy i stabilnie utrzymać ich ładunek, niezbędny będzie wiatrak o mocy co najmniej 2-3 kW. Oczywiście proste struktury domowe nie są w stanie wytrzymać takiej mocy.

Falownik małej mocy (600 W), który można zastosować w domowych instalacjach małej mocy. Z takiego sprzętu można zasilać telewizor lub małą lodówkę napięciem 220 woltów. Nie ma już wystarczającego prądu dla lamp w żyrandolu

Moc falownika można jednak obliczyć w następujący sposób:

1. Podsumuj siłę wszystkich konsumentów.
2. Określ czas spożycia.
3. Określ obciążenie szczytowe.

W konkretnym przykładzie będzie to wyglądać tak.

Niech jako ładunek będą domowe urządzenia elektryczne: lampy oświetleniowe - 3 szt. 40 W każdy, odbiornik telewizyjny - 120 W, lodówka kompaktowa 200 W. Sumujemy moc: 3*40+120+200 i na wyjściu otrzymujemy 440 W.

Określmy moc odbiorców dla średniego okresu 4 godzin: 440*4=1760 W. Na podstawie uzyskanej wartości mocy w czasie zużycia logicznym wydaje się wybór spośród takich urządzeń falownika o mocy wyjściowej 2 kW i większej.

Na podstawie tej wartości obliczana jest charakterystyka prądowo-napięciowa wymaganego urządzenia: 2000*0,6=1200 V/A.

Klasyczny schemat odtwarzania i dystrybucji energii uzyskanej z domowego generatora wiatrowego. Aby jednak zapewnić długoterminową energię takiej liczbie urządzeń, potrzebna jest odpowiednio mocna instalacja (+)

W rzeczywistości obciążenie gospodarstwa domowego trzyosobowej rodziny, w pełni wyposażonej w sprzęt AGD, będzie wyższe niż obliczone w przykładzie. Zazwyczaj czas podłączenia obciążenia również przekracza wymagane 4 godziny. W związku z tym falownik systemu energetyki wiatrowej będzie potrzebował mocniejszego.

Wstępne obliczenia wiatraka przydadzą się nie tylko przy jego samodzielnym montażu. Konieczne jest również określenie optymalnych parametrów, kiedy wybór gotowego generatora wiatrowego.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Sposób analizy danych źródłowych i zastosowanie formuł pokazuje film:

W każdym przypadku konieczne jest wykorzystanie obliczonych danych. Niezależnie od tego, czy jest to elektrownia przemysłowa, czy też produkowana na potrzeby domowe, obliczenie każdej jednostki zawsze zapewnia maksymalną wydajność urządzenia i, co najważniejsze, bezpieczeństwo pracy.

Wstępne obliczenia określają wykonalność projektu i pomagają określić, jak kosztowny lub ekonomiczny jest projekt.

Czy masz doświadczenie w rozwiązywaniu podobnych problemów? A może nadal masz pytania na ten temat? Podziel się swoimi umiejętnościami w zakresie obliczeń i projektowania turbin wiatrowych. Możesz zostawiać komentarze i zadawać pytania w poniższym formularzu.