Как да изчислим вятърен генератор: формули + практически пример за изчисление

Алтернативната енергия, получена от вятърни електроцентрали, е от голям интерес в обществото.Има много доказателства за това на ниво реална ежедневна практика.

Собствениците на селски имоти изграждат вятърни мелници със собствените си ръце и са доволни от резултата, въпреки че ефектът може да бъде краткотраен. Причината е, че ветрогенераторът не е изчислен правилно по време на монтажа.

Съгласен съм, не бих искал да харча време и пари за изпълнението на проекта и да завърша с неефективна инсталация. Ето защо е важно да разберете как да изчислите вятърен генератор и по какви параметри да изберете основните работни компоненти на вятърна турбина.

Статията е посветена на решаването на тези проблеми. Теоретичната част на материала е допълнена с илюстративни примери и практически препоръки за сглобяване на вятърен генератор.

Изчисляване на вятърни турбини

Откъде да започнем да изчисляваме система за производство на електроенергия от вятърна енергия? Като се има предвид, че говорим за ветрогенератор, предварителният анализ на розата на ветровете в определен район изглежда логичен.

Изчислителните параметри като скоростта на вятъра и неговата характерна посока за дадена територия са важни параметри за проектиране. До известна степен те определят нивото на мощност на вятърните турбини, което реално ще бъде постижимо.

Трудно е дори да си представим вятърни генератори с такава мощност. Но такива дизайни съществуват и работят ефективно.Изчисленията на такива структури обаче показват относително ниска мощност в сравнение с традиционните енергийни източници

За отбелязване е, че този процес е дългосрочен (поне 1 месец), което е доста очевидно. Невъзможно е да се изчислят максимално вероятните параметри на скоростта на вятъра и неговата най-честа посока с едно или две измервания.

Ще са необходими десетки измервания. Тази операция обаче е наистина необходима, ако има желание да се изгради ефективна продуктивна система.

Как да изчислим мощността на вятърна мелница

Вятърните генератори за битови нужди, особено тези, направени на ръка, никога не са изненадвали хората с висока мощност. Това е разбираемо. Човек трябва само да си представи масивна мачта с височина 8-10 м, оборудвана с генератор с обхват на лопатките на витлото над 3 м. И това не е най-мощната инсталация. Само около 2 kW.

За обслужване на вятърни турбини с такава мощност се използват хеликоптери и екипи от специалисти, наброяващи до дузина души. За изчисляване на такава електроцентрала са включени още по-голям брой изпълнители

Като цяло, ако разчитате на стандартна таблица, показваща връзката между мощността на вятърния генератор и необходимия обхват на лопатките на витлото, има какво да се изненадате. Според таблицата вятърна мелница с мощност 10 W изисква двуметрово витло.

500-ватов дизайн ще изисква витло с диаметър 14 м. Освен това параметърът на обхвата на лопатките зависи от техния брой. Колкото повече остриета, толкова по-малък е обхватът.

Но това е само теория, обусловена от скорост на вятъра не повече от 4 м/сек.На практика всичко е малко по-различно и мощността на битовите инсталации, които действително работят дълго време, никога не е надвишавала 500 W.

Следователно изборът на мощност тук обикновено се ограничава до диапазона от 250-500 W при средна скорост на вятъра 6-8 m/sec.

Таблица на зависимостта на мощността на вятърна енергийна система от диаметъра на ротора и броя на лопатките. Тази таблица може да се използва за изчисления, но като се вземе предвид съставянето й за параметри на скоростта на вятъра до 4 m/sec (+)

От теоретична позиция мощността на вятърна електроцентрала се изчислява по формулата:

N=p*S*V³/2,

Където:

• стр – плътност на въздушните маси;
• С – обща продухана площ на лопатките на витлото;
• V — скорост на въздушния поток;
• н – мощност на въздушния поток.

Тъй като N е параметър, който радикално влияе върху мощността на вятърния генератор, действителната мощност на инсталацията ще бъде близка до изчислената стойност на N.

Изчисляване на витла на вятърни турбини

При конструирането на вятърна мелница обикновено се използват два вида витла:

• крилат — въртене в хоризонтална равнина;
• Ротор на Савоний, ротор на Дарие — въртене във вертикална равнина.

Винтовите конструкции с въртене във всяка равнина могат да бъдат изчислени по формулата:

Z=L*W/60/V

Където:

• З – степен на скорост (ниска скорост) на витлото;
• Л – размерът на дължината на описаната от лопатките окръжност;
• У – скорост (честота) на въртене на витлото;
• V – скорост на въздушния поток.

Въз основа на тази формула можете лесно да изчислите броя на оборотите W - скоростта на въртене.

Ето как изглежда дизайнът на винта, наречен "Darieu Rotor". Тази версия на витлото се счита за ефективна при производството на вятърни генератори с малка мощност и размер.Изчисляването на винта има някои характеристики

И работната връзка между оборотите и скоростта на вятъра може да се намери в таблици, които са достъпни в Интернет. Например за витло с две лопатки и Z=5 е валидна следната зависимост:

Също така, един от важните показатели на витлото на вятърна мелница е стъпката.

Този параметър може да се определи по формулата:

H=2πR* tan α,

Където:

• 2π – константа (2*3.14);
• Р – радиус, описан от острието;
• тен α – ъгъл на сечение.

Допълнителна информация за избор на форма и брой остриета, както и инструкции за тяхното производство, е предоставена в тази статия.

Избор на генератори за вятърни турбини

Имайки изчислената стойност на броя обороти на винта (W), получена по описания по-горе метод, вече можете да изберете (произведете) подходящия генератор.

Например при степен на скорост Z=5, брой лопатки равен на 2 и скорост 330 об./мин. При скорост на вятъра 8 м/с. Мощността на генератора трябва да бъде приблизително 300 W.

Изглед на напречно сечение на генератор на вятърна електроцентрала. Демонстративен пример за един от възможните дизайни на домашен генератор за вятърна енергия, сглобен самостоятелно

Предвид тези параметри, подходящ избор като генератор за домашна вятърна електроцентрала може да бъде двигателят, използван в дизайна на съвременните електрически велосипеди. Традиционното име на частта е велосипеден мотор (произведен в Китай).

Ето как изглежда електрически велосипеден мотор, на базата на който се предлага да се направи генератор за домашна вятърна мелница. Дизайнът на мотора на велосипеда е идеален за внедряване без практически никакви изчисления или модификации. Мощността им обаче е ниска

Характеристиките на мотора на електрически велосипед са приблизително както следва:

Положителна характеристика на велосипедните двигатели е, че те практически не се нуждаят от промяна. Те са структурно проектирани като нискооборотни електродвигатели и могат успешно да се използват за вятърни генератори.

За да направите вятърна мелница можете използвайте автомобилен генератор или събирайте блок за пералня.

Изчисляване и избор на заряден контролер

Контролерът за зареждане на батерията е необходим за всеки тип вятърна електроцентрала, включително домашен дизайн.

Изчисляването на това устройство се свежда до избора на електрическата верига на устройството, която да съответства на проектните параметри на вятърната система.

От тези параметри основните са:

• номинално и максимално напрежение на генератора;
• максимална възможна мощност на генератора;
• максимален възможен ток на зареждане на батерията;
• напрежение на батерията;
• температура на околната среда;
• ниво на влажност на околната среда.

Въз основа на представените параметри, монтаж на контролер за зареждане направете го сами или изберете готово устройство.

Контролер за зареждане на батерии, използвани като част от вятърна електроцентрала. Индустриално произведено устройство, при избора на което трябва само внимателно да проучите техническите характеристики за прецизно съгласуване със съществуващата система

Разбира се, препоръчително е да изберете (или сглобите) устройство, чиято верига ще осигури лесна функция за стартиране в условия на слаб въздушен поток. Контролер, предназначен за работа с батерии с различни напрежения (12, 24, 48 волта), също е добре дошъл.

И накрая, при изчисляване (избор) на схемата на контролера се препоръчва да не забравяме за наличието на такава функция като управление на инвертора.

Избор на батерия за системата

На практика се използват различни видове батерии и почти всички са доста подходящи за използване като част от вятърна енергийна система. Но във всеки случай ще трябва да се направи конкретен избор. В зависимост от параметрите на системата на вятърната мелница, батерията се избира въз основа на напрежението, капацитета и условията на зареждане.

Традиционните компоненти за домашни вятърни мелници са класическите оловно-киселинни батерии. Те показаха добри резултати в практически смисъл.В допълнение, цената на този тип батерии е по-разумна в сравнение с други видове.

Оловно-киселинните батерии са особено непретенциозни към условията на зареждане/разреждане, но е недопустимо включването им в система без контролер.

Ако инсталацията на вятърна турбина съдържа професионално проектиран контролер за зареждане с пълноценна система за автоматизация, изглежда рационално да се използват AGM или хелиеви батерии.

Батерия за домашен вятърен генератор. Не е най-добрият вариант за използване, като се има предвид хаосът от кабели и изискванията за съхранение. При това състояние на устройствата за съхранение на енергия не може да се разчита на тяхната дългосрочна работа.

И двата вида устройства за съхранение на енергия се характеризират с по-голяма ефективност и дълъг експлоатационен живот, но поставят високи изисквания към условията на зареждане.

Същото важи и за така наречените бронирани хелиеви батерии. Но изборът на тези батерии за битова вятърна мелница е значително ограничен от цената. Въпреки това животът на тези скъпи батерии е най-дълъг в сравнение с всички останали видове.

Тези батерии имат и по-дълъг цикъл на зареждане/разреждане, но само ако се използва висококачествено зарядно устройство.

Изчисляване на инвертор за домашна вятърна мелница

Веднага трябва да се отбележи: ако дизайнът на домашна вятърна турбина съдържа една 12-волтова батерия, няма смисъл да инсталирате инвертор на такава система.

Средната консумация на енергия в домакинствата е най-малко 4 kW при пикови натоварвания.Оттук и заключението: броят на акумулаторните батерии за такава мощност трябва да бъде най-малко 10 броя и за предпочитане с напрежение 24 волта. За такъв брой батерии има смисъл да се инсталира инвертор.

Въпреки това, за да осигурите напълно енергия на 10 батерии с напрежение от 24 W всяка и стабилно да поддържате заряда им, ще е необходима вятърна мелница с мощност най-малко 2-3 kW. Очевидно простите домакински структури не могат да се справят с такава мощност.

Маломощен инвертор (600 W), който може да се използва за домашни малки инсталации. Можете да захранвате телевизор или малък хладилник от такова оборудване с напрежение 220 волта. Вече няма достатъчно ток за лампите в полилея

Можете обаче да изчислите мощността на инвертора, както следва:

1. Обобщете мощността на всички потребители.
2. Определете времето за консумация.
3. Определете пиковото натоварване.

В конкретен пример ще изглежда така.

Като товар да има домакински електроуреди: осветителни лампи - 3 бр. 40 W всяка, телевизионен приемник - 120 W, компактен хладилник 200 W. Обобщаваме мощността: 3*40+120+200 и получаваме 440 W на изхода.

Да определим мощността на консуматорите за среден период от 4 часа: 440*4=1760 W. Въз основа на получената стойност на мощността във времето на потребление изглежда логично да се избере инвертор сред такива устройства с изходна мощност от 2 kW или повече.

Въз основа на тази стойност се изчислява ток-напрежението на необходимото устройство: 2000*0,6=1200 V/A.

Класическа схема за възпроизвеждане и разпределение на енергия, получена от битов вятърен генератор. Въпреки това, за да се осигури дълготрайна енергия за такъв брой устройства, е необходима достатъчно мощна инсталация (+)

В действителност домакинското натоварване на семейство от трима души, което е напълно оборудвано с домакински уреди, ще бъде по-високо от изчисленото в примера. Обикновено времето за свързване на товара също надвишава необходимите 4 часа. Съответно, инверторът на вятърната система ще се нуждае от по-мощен.

Предварителното изчисление на вятърна мелница е полезно не само за нейното самостоятелно сглобяване. Също така е необходимо да се определят оптималните параметри, когато избор на готов ветрогенератор.

Изводи и полезно видео по темата

Как се анализират изходните данни и как се прилагат формулите е представено във видеото:

Във всеки случай е необходимо да се използват изчислени данни. Независимо дали става дума за промишлена електроцентрала или за домашна употреба, изчислението на всяка единица винаги гарантира максимална ефективност на устройството и най-важното - безопасност при работа.

Предварителните изчисления определят осъществимостта на изпълнението на проекта и помагат да се определи колко скъп или икономичен е проектът.

Имате ли опит в решаването на подобни проблеми? Или все още имате въпроси по темата? Моля, споделете вашите умения за изчисляване и проектиране на вятърни турбини. Можете да оставяте коментари и да задавате въпроси във формата по-долу.