Hoe een windgenerator berekenen: formules + praktisch rekenvoorbeeld

Alternatieve energie verkregen uit windenergiecentrales is van groot maatschappelijk belang.Er is veel bewijs hiervan op het niveau van de echte dagelijkse praktijk.

Eigenaren van landeigendommen bouwen met hun eigen handen windmolens en zijn tevreden met het resultaat, hoewel het effect van korte duur kan zijn. De reden is dat de windgenerator tijdens de montage niet goed is berekend.

Mee eens, ik zou geen tijd en geld willen besteden aan de implementatie van het project en eindigen met een ineffectieve installatie. Daarom is het belangrijk om te begrijpen hoe u een windgenerator moet berekenen en met welke parameters u de belangrijkste operationele componenten van een windturbine moet selecteren.

Het artikel is gewijd aan het oplossen van deze problemen. Het theoretische deel van het materiaal wordt aangevuld met illustratieve voorbeelden en praktische aanbevelingen voor het monteren van een windgenerator.

Berekening van windturbines

Waar moet je beginnen met het berekenen van een systeem voor het opwekken van elektriciteit uit windenergie? Aangezien het hier om een ​​windgenerator gaat, lijkt een voorlopige analyse van de windroos in een specifiek gebied logisch.

Berekeningsparameters zoals windsnelheid en de karakteristieke richting ervan voor een bepaald gebied zijn belangrijke ontwerpparameters. Tot op zekere hoogte bepalen ze het niveau van het windturbinevermogen dat daadwerkelijk haalbaar zal zijn.

Het is moeilijk om je windgeneratoren met een dergelijk vermogen voor te stellen. Maar zulke ontwerpen bestaan ​​en werken effectief.Uit berekeningen van dergelijke structuren blijkt echter dat het vermogen relatief laag is vergeleken met traditionele energiebronnen

Opmerkelijk is dat dit proces een langdurig karakter heeft (minimaal 1 maand), wat vrij duidelijk is. Het is onmogelijk om met één of twee metingen de maximaal waarschijnlijke parameters van de windsnelheid en de meest voorkomende richting te berekenen.

Er zullen tientallen metingen nodig zijn. Deze operatie is echter echt noodzakelijk als er een verlangen is om een ​​effectief productief systeem op te bouwen.

Hoe de kracht van een windmolen te berekenen

Windgeneratoren voor huishoudelijk gebruik, vooral die met de hand gemaakt, hebben mensen met een hoog vermogen nog nooit verrast. Dit is begrijpelijk. Je hoeft je alleen maar een enorme mast voor te stellen van 8-10 m hoog, uitgerust met een generator met een propellerbladoverspanning van meer dan 3 m. En dit is niet de krachtigste installatie. Ongeveer 2 kW.

Om windturbines met dit vermogen te onderhouden, worden helikopters en teams van specialisten van maximaal een dozijn mensen gebruikt. Om zo’n energiecentrale te berekenen zijn een nog groter aantal artiesten betrokken

Als je afgaat op een standaardtabel die de relatie weergeeft tussen het vermogen van een windgenerator en de vereiste overspanning van de propellerbladen, is er over het algemeen iets om je over te verbazen. Volgens de tabel heeft een windmolen van 10 W een propeller van twee meter nodig.

Voor een ontwerp van 500 watt is een propeller nodig met een diameter van 14 m. Bovendien hangt de parameter van de bladspanwijdte af van hun aantal. Hoe meer bladen, hoe kleiner de overspanning.

Maar dit is slechts een theorie, bepaald door windsnelheden van niet meer dan 4 m/sec.In de praktijk is alles enigszins anders en is het vermogen van huishoudelijke installaties die daadwerkelijk lang werken nooit hoger geweest dan 500 W.

Daarom is de vermogenskeuze hier doorgaans beperkt tot het bereik van 250-500 W bij een gemiddelde windsnelheid van 6-8 m/sec.

Tabel met de afhankelijkheid van het vermogen van een windenergiesysteem van de diameter van de rotor en het aantal bladen. Deze tabel kan worden gebruikt voor berekeningen, maar rekening houdend met de samenstelling ervan voor windsnelheidsparameters tot 4 m/sec (+)

Vanuit een theoretisch standpunt wordt het vermogen van een windenergiecentrale berekend met behulp van de formule:

N=p*S*V³/2,

Waar:

• P – dichtheid van luchtmassa's;
• S – totaal geblazen oppervlak van de propellerbladen;
• V — luchtstroomsnelheid;
• N – luchtstroomvermogen.

Omdat N een parameter is die het vermogen van een windgenerator radicaal beïnvloedt, zal het werkelijke vermogen van de installatie dicht bij de berekende waarde van N liggen.

Berekening van windturbinepropellers

Bij het bouwen van een windmolen worden meestal twee soorten propellers gebruikt:

• gevleugeld — rotatie in het horizontale vlak;
• Savonius-rotor, Darrieus-rotor — rotatie in een verticaal vlak.

Schroefontwerpen met rotatie in elk vlak kunnen worden berekend met behulp van de formule:

Z=L*B/60/V

Waar:

• Z – snelheidsgraad (laag toerental) van de propeller;
• L – de grootte van de lengte van de cirkel beschreven door de bladen;
• W – snelheid (frequentie) van rotatie van de propeller;
• V – luchtstroomsnelheid.

Op basis van deze formule kunt u eenvoudig het aantal omwentelingen W - rotatiesnelheid berekenen.

Zo ziet het ontwerp van de schroef genaamd de “Darieu Rotor” eruit. Deze versie van de propeller wordt als effectief beschouwd bij de vervaardiging van windgeneratoren met een klein vermogen en kleine afmetingen.De berekening van de schroef heeft enkele kenmerken

En de werkrelatie tussen toerental en windsnelheid is te vinden in tabellen die op internet beschikbaar zijn. Voor een propeller met twee bladen en Z=5 geldt bijvoorbeeld de volgende relatie:

Een van de belangrijke indicatoren van een windmolenpropeller is ook de spoed.

Deze parameter kan worden bepaald met behulp van de formule:

H=2πR* tan α,

Waar:

• 2π – constant (2*3,14);
• R – straal beschreven door het mes;
• bruin α – sectiehoek.

Aanvullende informatie over het kiezen van de vorm en het aantal messen, evenals instructies voor de vervaardiging ervan, vindt u in Dit artikel.

Selectie van generatoren voor windturbines

Met de berekende waarde van het aantal schroefomwentelingen (W), verkregen met behulp van de hierboven beschreven methode, kunt u de juiste generator al selecteren (fabriceren).

Bij een snelheidsgraad Z=5 is het aantal messen bijvoorbeeld gelijk aan 2 en een toerental van 330 tpm. Bij een windsnelheid van 8 m/s. Het generatorvermogen moet ongeveer 300 W bedragen.

Dwarsdoorsnede van een generator voor een windenergiecentrale. Demonstratief voorbeeld van een van de mogelijke ontwerpen van een generator voor een windenergiesysteem voor thuisgebruik, onafhankelijk geassembleerd

Gegeven deze parameters kan een geschikte keuze als generator voor een binnenlandse windenergiecentrale de motor zijn die wordt gebruikt in de ontwerpen van moderne elektrische fietsen. De traditionele naam van het onderdeel is fietsmotor (made in China).

Zo ziet een elektrische fietsmotor eruit, op basis waarvan wordt voorgesteld om een ​​generator voor een thuiswindmolen te maken. Het ontwerp van de fietsmotor is ideaal om vrijwel zonder berekeningen of aanpassingen te implementeren. Hun macht is echter laag

De kenmerken van een elektrische fietsmotor zijn ongeveer als volgt:

Een positief kenmerk van fietsmotoren is dat ze praktisch niet hoeven te worden aangepast. Ze zijn structureel ontworpen als elektromotoren met laag toerental en kunnen met succes worden gebruikt voor windgeneratoren.

Je kunt een windmolen maken gebruik een autogenerator of verzamelen wasmachine eenheid.

Berekening en selectie van laadregelaar

Voor elk type windenergiecentrale, inclusief huishoudelijk ontwerp, is een batterijlaadregelaar vereist.

De berekening van dit apparaat komt neer op het selecteren van het elektrische circuit van het apparaat, dat zou overeenkomen met de ontwerpparameters van het windsysteem.

Van deze parameters zijn de belangrijkste:

• nominale en maximale spanning van de generator;
• maximaal mogelijk generatorvermogen;
• maximaal mogelijke laadstroom van de batterij;
• batterij voltage;
• omgevingstemperatuur;
• omgevingsvochtigheidsniveau.

Op basis van de gepresenteerde parameters, montage van de laadregelaar doe het zelf of selecteer een kant-en-klaar apparaat.

Laadregelaar voor accu's die worden gebruikt als onderdeel van een windenergiecentrale. Een industrieel vervaardigd apparaat, waarbij u bij de keuze alleen de technische kenmerken zorgvuldig hoeft te bestuderen voor nauwkeurige afstemming met het bestaande systeem

Uiteraard is het raadzaam om een ​​apparaat te selecteren (of te monteren) waarvan het circuit een gemakkelijke startfunctie biedt in omstandigheden met zwakke luchtstromen. Een controller die is ontworpen voor gebruik met batterijen met verschillende spanningen (12, 24, 48 volt) is ook welkom.

Tenslotte wordt aanbevolen om bij het berekenen (selecteren) van het controllercircuit de aanwezigheid van een functie als inverterbesturing niet te vergeten.

Een batterij voor het systeem selecteren

In de praktijk worden verschillende soorten batterijen gebruikt en deze zijn vrijwel allemaal zeer geschikt om te gebruiken als onderdeel van een windenergiesysteem. Maar er zal hoe dan ook een specifieke keuze gemaakt moeten worden. Afhankelijk van de parameters van het windmolensysteem wordt de batterij geselecteerd op basis van spanning, capaciteit en laadomstandigheden.

Traditionele componenten voor thuiswindmolens zijn klassieke loodzuuraccu's. In praktische zin lieten ze goede resultaten zien.Bovendien zijn de kosten van dit type batterij redelijker in vergelijking met andere typen.

Loodzuuraccu's zijn bijzonder pretentieloos wat betreft laad-/ontlaadomstandigheden, maar het is onaanvaardbaar om ze op te nemen in een systeem zonder controller.

Als de windturbine-installatie een professioneel ontworpen laadregelaar bevat met een volwaardig automatiseringssysteem, lijkt het rationeel om AGM- of heliumbatterijen te gebruiken.

Batterijpakket voor windgenerator voor thuis. Niet de beste gebruiksoptie, gezien de chaos van draden en opslagvereisten. In deze staat van energieopslagapparaten kan men niet rekenen op hun langdurige werking.

Beide soorten energieopslagapparaten worden gekenmerkt door een grotere efficiëntie en een lange levensduur, maar stellen hoge eisen aan de laadomstandigheden.

Hetzelfde geldt voor de zogenaamde gepantserde helium-type batterijen. Maar de keuze van deze batterijen voor een huishoudelijke windmolen wordt aanzienlijk beperkt door de prijs. De levensduur van deze dure batterijen is echter het langst vergeleken met alle andere typen.

Deze accu's hebben ook een langere laad-/ontlaadcyclus, maar alleen als er een hoogwaardige lader wordt gebruikt.

Berekening van een omvormer voor een thuiswindmolen

Er moet meteen worden opgemerkt: als het ontwerp van een thuiswindturbine één batterij van 12 volt bevat, heeft het geen zin om een ​​​​omvormer op een dergelijk systeem te installeren.

Gemiddeld bedraagt ​​het energieverbruik van huishoudens bij piekbelasting minimaal 4 kW.Vandaar de conclusie: het aantal oplaadbare batterijen voor dergelijk vermogen moet minimaal 10 stuks zijn en bij voorkeur met een spanning van 24 volt. Voor een dergelijk aantal batterijen is het zinvol om een ​​omvormer te installeren.

Om echter 10 batterijen met een spanning van elk 24 W volledig van energie te voorzien en hun lading stabiel te behouden, is een windmolen met een vermogen van minimaal 2-3 kW nodig. Het is duidelijk dat eenvoudige huishoudelijke structuren dergelijke macht niet aankunnen.

Omvormer met laag vermogen (600 W), die kan worden gebruikt voor kleine stroominstallaties thuis. U kunt een tv of een kleine koelkast van dergelijke apparatuur van stroom voorzien met een spanning van 220 volt. Er is niet meer voldoende stroom voor de lampen in de kroonluchter

U kunt het omvormervermogen echter als volgt berekenen:

1. Vat de kracht van alle consumenten samen.
2. Bepaal het tijdstip van consumptie.
3. Bepaal de piekbelasting.

In een specifiek voorbeeld zal het er zo uitzien.

Laat er huishoudelijke elektrische apparaten als belasting zijn: verlichtingslampen - 3 stuks. 40 W per stuk, televisieontvanger - 120 W, compacte koelkast 200 W. We sommen het vermogen op: 3*40+120+200 en we krijgen 440 W aan de uitgang.

Laten we het vermogen van consumenten bepalen voor een gemiddelde periode van 4 uur: 440*4=1760 W. Op basis van de verkregen vermogenswaarde in de loop van het verbruik lijkt het logisch om uit dergelijke apparaten een omvormer te selecteren met een uitgangsvermogen van 2 kW of meer.

Op basis van deze waarde wordt de stroom-spanningskarakteristiek van het benodigde apparaat berekend: 2000*0,6=1200 V/A.

Een klassiek schema voor de reproductie en distributie van energie verkregen uit een huishoudelijke windgenerator. Om een ​​dergelijk aantal apparaten op lange termijn van energie te voorzien is echter een voldoende krachtige installatie nodig (+)

In werkelijkheid zal de huishoudbelasting van een gezin van drie personen, dat volledig is uitgerust met huishoudelijke apparaten, hoger zijn dan in het voorbeeld berekend. Normaal gesproken overschrijdt de belastingaansluittijd ook de vereiste 4 uur. Dienovereenkomstig heeft de omvormer van het windenergiesysteem een ​​krachtigere nodig.

Een voorlopige berekening van een windmolen is niet alleen nuttig voor de zelfmontage. Het is ook noodzakelijk om de optimale parameters te bepalen wanneer het kiezen van een kant-en-klare windgenerator.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Hoe de brongegevens worden geanalyseerd en hoe de formules worden toegepast, wordt in de video gepresenteerd:

Het is in ieder geval noodzakelijk om berekende gegevens te gebruiken. Of het nu een industriële elektriciteitscentrale is of een elektriciteitscentrale die is vervaardigd voor huishoudelijk gebruik, de berekening van elke eenheid zorgt altijd voor maximale efficiëntie van het apparaat en, belangrijker nog, operationele veiligheid.

Voorlopige berekeningen bepalen de haalbaarheid van de implementatie van het project en helpen bepalen hoe duur of economisch het project is.

Heb jij ervaring met het oplossen van soortgelijke problemen? Of heeft u nog vragen over dit onderwerp? Deel alstublieft uw vaardigheden op het gebied van berekening en ontwerp van windturbines. Via onderstaand formulier kunt u opmerkingen achterlaten en vragen stellen.