Cum se calculează un generator eolian: formule + exemplu practic de calcul

Energia alternativă obținută din centralele eoliene prezintă un mare interes în societate.Există o mulțime de dovezi în acest sens la nivelul practicii reale de zi cu zi.

Proprietarii de proprietăți de la țară construiesc mori de vânt cu propriile mâini și sunt mulțumiți de rezultat, deși efectul poate fi de scurtă durată. Motivul este că generatorul eolian nu a fost calculat corespunzător în timpul asamblarii.

De acord, nu aș dori să cheltuiesc timp și bani pentru implementarea proiectului și să ajung cu o instalare ineficientă. Prin urmare, este important să înțelegeți cum să calculați un generator eolian și prin ce parametri să selectați principalele componente de funcționare ale unei turbine eoliene.

Articolul este dedicat soluționării acestor probleme. Partea teoretică a materialului este completată cu exemple ilustrative și recomandări practice pentru asamblarea unui generator eolian.

Calcul turbinei eoliene

De unde să începem calcularea unui sistem de generare a energiei electrice din energia eoliană? Avand in vedere ca vorbim de un generator eolian, pare logica o analiza preliminara a rozei vantului intr-o zona anume.

Parametrii de calcul precum viteza vântului și direcția caracteristică a acestuia pentru un anumit teritoriu sunt parametri importanți de proiectare. Într-o oarecare măsură, ele determină nivelul de putere a turbinei eoliene care va fi de fapt realizabil.

Este greu să ne imaginăm generatoare eoliene cu o asemenea putere. Dar astfel de modele există și funcționează eficient.Cu toate acestea, calculele unor astfel de structuri arată o putere relativ scăzută în comparație cu sursele tradiționale de energie

Ceea ce este de remarcat este că acest proces este de natură pe termen lung (cel puțin 1 lună), ceea ce este destul de evident. Este imposibil să se calculeze parametrii maximi probabili ai vitezei vântului și a direcției sale cele mai frecvente cu una sau două măsurători.

Vor fi necesare zeci de măsurători. Cu toate acestea, această operațiune este cu adevărat necesară dacă există dorința de a construi un sistem productiv eficient.

Cum se calculează puterea unei mori de vânt

Generatoarele eoliene de uz casnic, în special cele realizate manual, nu au surprins niciodată oamenii cu putere mare. Acest lucru este de înțeles. Nu trebuie decât să ne imaginăm un catarg masiv de 8-10 m înălțime, echipat cu un generator cu o deschidere a palelor elicei de peste 3 m. Și aceasta nu este cea mai puternică instalație. Doar aproximativ 2 kW.

Pentru deservirea turbinelor eoliene de această putere sunt folosite elicoptere și echipe de specialiști în număr de până la o duzină de oameni. Pentru a calcula o astfel de centrală este implicat un număr și mai mare de interpreți

În general, dacă te bazezi pe un tabel standard care arată relația dintre puterea unui generator eolian și lungimea necesară a palelor elicei, există ceva de surprins. Conform tabelului, o moară de vânt de 10 W necesită o elice de doi metri.

Un design de 500 de wați va necesita o elice cu un diametru de 14 m. Mai mult, parametrul deschiderii palelor depinde de numărul acestora. Cu cât sunt mai multe lame, cu atât deschiderea este mai mică.

Dar aceasta este doar o teorie, condiționată de viteze ale vântului care nu depășesc 4 m/sec.În practică, totul este oarecum diferit, iar puterea instalațiilor de uz casnic care funcționează efectiv de mult timp nu a depășit niciodată 500 W.

Prin urmare, alegerea puterii aici este de obicei limitată la intervalul de 250-500 W cu o viteză medie a vântului de 6-8 m/sec.

Tabel al dependenței puterii unui sistem de energie eoliană de diametrul rotorului și de numărul de pale. Acest tabel poate fi folosit pentru calcule, dar ținând cont de compilarea lui pentru parametrii vitezei vântului de până la 4 m/sec (+)

Dintr-o poziție teoretică, puterea unei centrale eoliene se calculează folosind formula:

N=p*S*V³/2,

Unde:

• p – densitatea maselor de aer;
• S – suprafața totală suflată a palelor elicei;
• V — viteza fluxului de aer;
• N – puterea fluxului de aer.

Deoarece N este un parametru care afectează radical puterea unui generator eolian, puterea reală a instalației va fi apropiată de valoarea calculată a lui N.

Calculul elicelor turbinelor eoliene

La construirea unei mori de vânt, se folosesc de obicei două tipuri de elice:

• înaripat — rotație în plan orizontal;
• Rotorul Savonius, rotorul Darrieus — rotație în plan vertical.

Modelele de șuruburi cu rotație în orice plan pot fi calculate folosind formula:

Z=L*W/60/V

Unde:

• Z – gradul de viteza (viteza mica) al elicei;
• L – dimensiunea lungimii cercului descris de lame;
• W – viteza (frecvența) de rotație a elicei;
• V – viteza fluxului de aer.

Pe baza acestei formule, puteți calcula cu ușurință numărul de rotații W - viteza de rotație.

Așa arată designul șurubului numit „Rotor Darieu”. Această versiune a elicei este considerată eficientă în fabricarea generatoarelor eoliene de putere și dimensiune mică.Calculul șurubului are câteva caracteristici

Iar relația de lucru dintre revoluții și viteza vântului poate fi găsită în tabelele care sunt disponibile pe Internet. De exemplu, pentru o elice cu două pale și Z=5, este valabilă următoarea relație:

De asemenea, unul dintre indicatorii importanți ai elicei unei morii de vânt este pasul.

Acest parametru poate fi determinat folosind formula:

H=2πR* tan α,

Unde:

• 2π – constantă (2*3,14);
• R – raza descrisă de lamă;
• tan α – unghiul de secțiune.

Informații suplimentare despre alegerea formei și numărului de lame, precum și instrucțiuni pentru fabricarea acestora sunt furnizate în Acest articol.

Selectarea generatoarelor pentru turbine eoliene

Având valoarea calculată a numărului de rotații ale șurubului (W), obținută prin metoda descrisă mai sus, puteți deja selecta (fabrica) generatorul corespunzător.

De exemplu, cu un grad de turație Z=5, numărul de lame egal cu 2 și o turație de 330 rpm. La o viteză a vântului de 8 m/s. Puterea generatorului ar trebui să fie de aproximativ 300 W.

Vedere în secțiune transversală a unui generator al unei centrale eoliene. Exemplu demonstrativ al unuia dintre modelele posibile ale unui generator de sistem eolian de acasă, asamblat independent

Având în vedere acești parametri, o alegere potrivită ca generator pentru o centrală eoliană domestică poate fi motorul utilizat în proiectarea bicicletelor electrice moderne. Numele tradițional al piesei este motor de bicicletă (fabricat în China).

Așa arată un motor de bicicletă electrică, pe baza căruia se propune realizarea unui generator pentru o moară de vânt de acasă. Designul motorului bicicletei este ideal pentru implementare, practic fără calcule sau modificări. Cu toate acestea, puterea lor este scăzută

Caracteristicile unui motor de bicicletă electrică sunt aproximativ după cum urmează:

O caracteristică pozitivă a motoarelor de biciclete este că practic nu trebuie să fie modificate. Au fost proiectate structural ca motoare electrice de turație redusă și pot fi utilizate cu succes pentru generatoarele eoliene.

Pentru a face o moară de vânt poți utilizați generatorul auto sau colectează unitate mașină de spălat.

Calculul și selectarea regulatorului de încărcare

Un controler de încărcare a bateriei este necesar pentru orice tip de centrală eoliană, inclusiv pentru un design casnic.

Calculul acestui dispozitiv se reduce la selectarea circuitului electric al dispozitivului, care ar corespunde parametrilor de proiectare ai sistemului eolian.

Dintre acești parametri, principalii sunt:

• tensiunea nominală și maximă a generatorului;
• putere maximă posibilă a generatorului;
• curent maxim posibil de încărcare a bateriei;
• voltajul bateriei;
• temperatura ambientala;
• nivelul de umiditate ambientală.

Pe baza parametrilor prezentați, ansamblu controler de încărcare fă-o singur sau selectează un dispozitiv gata făcut.

Controler de încărcare pentru bateriile utilizate ca parte a unei centrale eoliene. Un dispozitiv fabricat industrial, atunci când îl alegeți trebuie doar să studiați cu atenție caracteristicile tehnice pentru o coordonare precisă cu sistemul existent

Desigur, este recomandabil să selectați (sau să asamblați) un dispozitiv al cărui circuit să ofere o funcție de pornire ușoară în condiții de fluxuri de aer slabe. Un controler conceput pentru funcționarea cu baterii de diferite tensiuni (12, 24, 48 volți) este de asemenea binevenit.

În cele din urmă, atunci când se calculează (se selectează) circuitul controlerului, se recomandă să nu uităm de prezența unei astfel de funcții precum controlul invertorului.

Selectarea unei baterii pentru sistem

În practică, se folosesc diferite tipuri de baterii și aproape toate sunt destul de potrivite pentru a fi utilizate ca parte a unui sistem de energie eoliană. Dar o alegere specifică va trebui făcută în orice caz. În funcție de parametrii sistemului de morii de vânt, bateria este selectată în funcție de tensiune, capacitate și condiții de încărcare.

Componentele tradiționale pentru morile de vânt de acasă sunt bateriile clasice cu plumb-acid. Au dat rezultate bune în sens practic.În plus, costul acestui tip de baterie este mai rezonabil în comparație cu alte tipuri.

Bateriile cu plumb sunt deosebit de nepretențioase la condițiile de încărcare/descărcare, dar este inacceptabil să le includă într-un sistem fără controler.

Dacă instalația turbinei eoliene conține un controler de încărcare proiectat profesional, cu un sistem de automatizare complet, pare rațional să folosiți baterii AGM sau cu heliu.

Pachet de baterii pentru generator eolian de acasă. Nu este cea mai bună opțiune de utilizare, având în vedere haosul de fire și cerințele de depozitare. În această stare a dispozitivelor de stocare a energiei, nu se poate conta pe funcționarea lor pe termen lung.

Ambele tipuri de dispozitive de stocare a energiei se caracterizează printr-o eficiență mai mare și o durată lungă de viață, dar impun condiții mari de încărcare.

Același lucru este valabil și pentru așa-numitele baterii blindate de tip heliu. Dar alegerea acestor baterii pentru o moară de vânt de uz casnic este limitată semnificativ de preț. Cu toate acestea, durata de viață a acestor baterii scumpe este cea mai lungă în comparație cu toate celelalte tipuri.

Aceste baterii au, de asemenea, un ciclu de încărcare/descărcare mai lung, dar numai dacă se folosește un încărcător de înaltă calitate.

Calculul unui invertor pentru o moară de vânt acasă

Trebuie remarcat imediat: dacă proiectarea unei turbine eoliene de acasă conține o baterie de 12 volți, nu are rost să instalați un invertor pe un astfel de sistem.

În medie, consumul de energie al gospodăriei este de cel puțin 4 kW la sarcini de vârf.De aici concluzia: numărul de baterii reîncărcabile pentru o astfel de putere ar trebui să fie de cel puțin 10 bucăți și de preferință cu o tensiune de 24 de volți. Pentru un astfel de număr de baterii este logic să instalați un invertor.

Cu toate acestea, pentru a furniza energie pe deplin la 10 baterii cu o tensiune de 24 W fiecare și pentru a le menține în mod stabil încărcarea, va fi necesară o moară de vânt cu o putere de cel puțin 2-3 kW. Evident, structurile gospodărești simple nu pot face față unei astfel de puteri.

Invertor de putere redusă (600 W), care poate fi utilizat pentru instalații de putere mică acasă. Puteți alimenta un televizor sau un mic frigider dintr-un astfel de echipament cu o tensiune de 220 de volți. Nu mai este suficient curent pentru lămpile din candelabru

Cu toate acestea, puteți calcula puterea invertorului după cum urmează:

1. Rezumați puterea tuturor consumatorilor.
2. Stabiliți timpul de consum.
3. Determinați sarcina de vârf.

Într-un exemplu specific, va arăta așa.

Să existe aparate electrice de uz casnic ca sarcină: lămpi de iluminat - 3 buc. 40 W fiecare, receptor televizor - 120 W, frigider compact 200 W. Însumăm puterea: 3*40+120+200 și obținem 440 W la ieșire.

Să determinăm puterea consumatorilor pentru o perioadă medie de 4 ore: 440*4=1760 W. Pe baza valorii puterii obținute în timpul consumului, pare logic să se selecteze un invertor dintre astfel de dispozitive cu o putere de ieșire de 2 kW sau mai mult.

Pe baza acestei valori se calculează caracteristica curent-tensiune a dispozitivului necesar: 2000*0,6=1200 V/A.

O schemă clasică de reproducere și distribuție a energiei obținute de la un generator eolian de uz casnic. Cu toate acestea, pentru a furniza energie pe termen lung unui astfel de număr de dispozitive, este nevoie de o instalație suficient de puternică (+)

În realitate, sarcina casnică pentru o familie de trei persoane, care este complet echipată cu aparate electrocasnice, va fi mai mare decât cea calculată în exemplu. De obicei, timpul de conectare la sarcină depășește, de asemenea, cele 4 ore necesare. În consecință, invertorul sistemului eolian va avea nevoie de unul mai puternic.

Calculul preliminar al unei mori de vânt este util nu numai pentru auto-asamblarea acesteia. De asemenea, este necesar să se determine parametrii optimi când alegerea unui generator eolian gata făcut.

Concluzii și video util pe această temă

Cum sunt analizate datele sursă și cum sunt aplicate formulele este prezentat în videoclip:

În orice caz, este necesar să folosiți date calculate. Fie ca este vorba de o centrala industriala sau de una fabricata pentru uz casnic, calculul fiecarei unitati asigura intotdeauna eficienta maxima a dispozitivului si, cel mai important, siguranta in exploatare.

Calculele preliminare determină fezabilitatea implementării proiectului și ajută la determinarea cât de costisitor sau economic este proiectul.

Aveți experiență în rezolvarea unor probleme similare? Sau mai ai intrebari pe acest subiect? Vă rugăm să vă împărtășiți abilitățile de calcul și proiectare ale turbinelor eoliene. Puteți lăsa comentarii și pune întrebări în formularul de mai jos.