Как да направите изчисление на ветрогенератор: формули + практически пример за изчисление

Алтернативната енергия, получена от енергийни вятърни инсталации, предизвиква голям интерес в обществото. Има множество потвърждения за това на ниво реална битова практика.

Собствениците на крайградска недвижима собственост строят вятърни генератори със собствените си ръце и се задоволяват с получения резултат, въпреки че ефектът понякога е краткотраен. Причината – по време на сглобяването не е направено правилно изчисление на вятърния генератор.

Съгласете се, не бихте искали да похарчите време и средства за реализацията на проекта, и да получите нискоефективна инсталация. Ето защо е важно да разберете как да изчислите вятърен генератор,  и по какви параметри да изберете основните работни възли на вятърния генератор.

Статията е посветена на решаването на тези въпроси. Теоретичната част на материала е допълнена с нагледни примери и практическки препоръки за сглобяване на вятърна генераторна инсталация.

Изчисление на вятърна генераторна инсталация

Откъде да започнем да изчисляваме система за производство на електроенергия от вятърна енергия? Като се има предвид, че става въпрос за вятърен генератор, логично изглежда предварителен анализ на розата на ветровете в конкретната местност.

Такива изчислителни параметри като скорост на вятъра и характерната му посока за дадена територия са важни изчислителни параметри. Те до известна степен определят нивото на мощност на вятърния генератор, което реално ще бъде постижимо.

Вятърни генератори с такава мощност е трудно дори да си предстаим. Но подобни конструкти ци съществуват и работят ефективно. Въпреки това изчисленията на подобни конструкти показват относително малка мощност в сравнение с традиционните източници на енергия.

Което е забележително, този прочес има дълготраен характер (не по-малко от 1 месец), което е напълно очевидно. Невъзможно е да се изчислят максимално вероятните параметри на скоростта на вятъра и най-честата му посока с едно или две измервания.

Ще са необходими десетки измервания. Независимо от това, тази операция е наистина необходима, ако има желание за изграждане на ефективна производителна система.

Как да изчислим мощността на вятърния генератор

Вятърните генератори за битови нужди, особено направените на ръка, все още не са успели да изненадват хората с високи мощности. Това е разбираемо. Достатъчно е само да си представим масивна мачта с височина 8-10 м, оборудвана с генератор с размах на витлата над 3 м. И това не е най-мощната инсталация. Само около 2 кВт.

За обслужване на вятърни турбини с такава мощност се използват хеликоптери и екипи от специалисти, наброяващи до десетина души. За да се направи изчисление на такава енергийна инсталация, се привлича още по-голям брой изпълнители.

Изобщо, ако се опрем на стандартна таблица, показваща съотношението на мощността на вятърния генератор и необходимия размах на лопатките на витлото, има на какво да се учудим. Според таблицата, за вятърна турбина с мощност 10 W е необходимо двуметрово витло.

За конструкция с мощност 500 W ще е необходимо витло с диаметър 14 м. При това параметърът на размах на лопатките зависи от техния брой. Колкото повече лопатки, толкова по-малък размах.

Но това е само теория, обусловена от скоростта на вятъра, не надвишаваща стойността от 4 м/сек. На практика всичко е малко по-различно, а мощността на инсталациите за битово предназначение, реално работещи продължително време, никога не е надвишавала 500 W.

Затова изборът на мощност тук обикновено е ограничен в диапазона 250-500 W при средна скорост на вятъра 6-8 м/сек.

Таблица на зависимостта на мощността на вятърна енергийна система от диаметъра на работното витло и броя на лопатките. Тази таблица може да се приложи за изчисления, но като се вземе предвид, че е съставена за параметър скорост на вятъра до 4 м/сек (+)

От теоретична гледна точка, мощността на вятърна енергийна станция се изчислява по формулата:

N=p*S*V³/2,

където:

• p – плътност на въздушните маси;
• S – обща обдувана площ на лопатките на витлото;
• V – скорост на въздушния поток;
• N – мощност на въздушния поток.

Тъй като N е параметър, който кардинално влияе на мощността на вятърния генератор, то реалната мощност на инсталацията ще бъде близо до изчислената стойност на N.

Изчисление на витла на вятърни инсталации

При конструирането на вятърна турбина обикновено се прилагат два вида витла:

• крилчати – въртене в хоризонтална равнина;
• ротор на Савониус, ротор на Дарие – въртене във вертикална равнина.

Конструкциите на витла с въртене в коя да е от равнините могат да се изчислят с помощта на формулата:

Z= L*W/60/V

където:

• Z – степен на бързоходност (тихоходност) на витлото;
• L – размер на дължината на описаната от лопатките окръжност;
• W – скорост (честота) на въртене на витлото;
• V – скорост на потока на въздуха.

Изхождайки от тази формула, лесно може да се изчисли броят на оборотите W – скоростта на въртене.

Така изглежда конструкцията на витло, наречено «Ротор на Дарие». Този вариант на витлото се счита за ефективен при изработката на вятърни генератори с малка мощност и размери. Изчислението на витлото има някои особености.

А работното съотношение на оборотите и скоростта на вятъра може да се намери в таблиците, които са достъпни в мрежата. Например, за витло с две лопатки и Z=5, важи следното съотношение:

Също така един от важните показатели на витлото на вятърния генератор е стъпката.

Този параметър може да се определи, като се използва формулата:

H=2πR* tg α,

където:

• 2π – константа (2*3,14);
• R – радиусът, описван от лопатката;
• tg α – ъгълът на сечението.

Допълнителна информация относно избора на форма и брой на лопатките, както и инструкция за тяхното изработване е дадена в тази статия.

Подбор на генератори за вятърни турбини

Като разполагаме с изчислената стойност на броя обороти на витлото (W), получена по описаната по-горе методика, вече може да се избере (изработи) съответния генератор.

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

Генератор на вятърна енергийна инсталация 'в разрез'. Показателен екземпляр на една от възможните конструкции на генератор на домашна вятърна енергийна система, сглобена самостоятелно.

При такива параметри подходящ избор като генератор за битова вятърна електроцентрала може да бъде мотор, който се използва в конструкциите на съвременните електрически велосипеди. Традиционното наименование на детайла – веломотор (производство КНР).

Така изглежда електрическият веломотор, на основата на който се предлага да се направи генератор за домашен вятърен генератор. Конструкцията на веломотора идеално подхожда за внедряване практически без изчисления и доработки. Въпреки това мощността им не е голяма.

Характеристики на електрическия веломотор приблизително следните:

Положителната особеност на веломоторите е, че те практически не се нуждаят от преправяне. Те са конструктивно разработени като електродвигатели с ниски обороти и успешно могат да се прилагат за ветрогенератори.

За изработване на вятърен генератор можете да използвате автомобилен генератор или да сглобите агрегат от пералня.

Изчисление и избор на контролер за зареждане

Контролер за зареждане на акумулатор е необходим за вятърна енергийна инсталация от всякакъв тип, включително и за битова конструкция.

Изчисляването на това устройство се свежда до избор на електрическа схема на прибора, която да съответства на изчислените параметри на вятърната система.

От тези параметри основните са:

• номинално и максимално напрежение на генератора;
• максимално възможната мощност на генератора;
• максимално възможният ток на заряд на АКБ;
• напрежение на АКБ;
• температура на околния въздух;
• ниво на влажност на околната среда.

Изхождайки от представените параметри, се извършва сглобяване на контролера за заряд със собствени ръце или избор на готово устройство.

Контролер за заряд на акумулатори, използвани в състава на вятърна енергийна инсталация. Прибор от промишлено производство, при избора на който трябва само внимателно да се проучат техническите характеристики за точно съгласуване с наличната система.

Разбира се, желателно е да се избира (или сглобява) устройство, чиято схема да осигурява функцията за лесен старт в условия на течение на слаби въздушни потоци. Контролер, проектиран за експлоатация с батерии с различно напрежение (12, 24, 48 волта), също е само добре дошъл.

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

Подбор на акумулаторна батерия за системата

На практика се използват акумулатори от различен тип и почти всички са напълно подходящи за използване в състава на вятърна енергийна система. Но конкретният избор ще трябва да се направи във всеки случай. В зависимост от параметрите на системата на вятърника, изборът на акумулатор се извършва по напрежение, капацитет, условия на заряд.

Традиционни компоненти за домашни вятърници се считат класическите киселинно-оловни акумулатори. Те показаха добри резултати в практически смисъл. Освен това цената на този тип батерии е по-приемлива в сравнение с други видове.

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

При наличие на професионално изработен контролер за зареждане с пълноценна автоматична система в състава на вятърната генераторна инсталация, рационално е да се използват акумулатори от тип AGM или гелови.

Блок акумулатори на домашен вятърен генератор. Не е най-добрият вариант за експлоатация, предвид хаоса от проводници и изискванията за съхранение. При такова състояние на накопителите на енергия не може да се разчита на дългосрочната им работа.

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

Същото се отнася и за така наречените панцирни акумулатори от гелов тип. Но изборът на тези акумулатори за домашен вятърен генератор значително се ограничава от цената. Въпреки това, експлоатационният живот на тези скъпи батерии е най-продължителен в сравнение с всички други видове.

Тези акумулатори се отличават и с по-значителен цикъл на зареждане/разреждане, но при условие, че към тях се прилага качествено зарядно устройство.

Изчисление на инвертор за домашен вятърен генератор

Веднага следва да се отбележи: ако конструкцията на домашната вятърна енергийна инсталация съдържа един 12-волтов акумулатор, смисълът да се постави инвертор на такава система напълно отпада.

Средната консумирана мощност на домакинството е не по-малко от 4 kW при пикови натоварвания. Оттук изводът: броят на акумулаторните батерии за такава мощност трябва да бъде не по-малко от 10 броя и за предпочитане с напрежение 24 волта. За такъв брой акумулатори вече има смисъл да се монтира инвертор.

Въпреки това, за да се осигури напълно енергия на 10 акумулатора с напрежение по 24 W всеки и стабилно да се поддържа зарядът им, ще е необходим вятърник с мощност не по-малко от 2-3 kW. Очевидно, за прости домакински конструкции такава мощност не може да се постигне.

Инвертор с малка мощност (600 W), който може да се използва за домашна малка енергийна инсталация. Може да се захранва телевизор или малък хладилник с напрежение 220 волта. За лампите в полилея токът вече няма да стигне.

Въпреки това, мощността на инвертора може да се изчисли по следния начин:

1. Съберете мощността на всички консуматори.
2. Определете времето на потребление.
3. Определете пиковото натоварване.

На конкретен пример това ще изглежда така.

Да предположим, че като товар има домашни електроуреди: лампи за осветление – 3 бр. по 40 W, телевизионен приемник – 120 W, компактен хладилник 200 W. Сумираме мощността: 3*40+120+200 и получаваме на изхода 440 W.

Да определим мощността на консуматорите за среден период от 4 часа: 440*4=1760 W. Изхождайки от получената стойност на мощността според времето на потребление, логично изглежда изборът на инвертор измеред такива уреди с изходна мощност от 2 kW.

Въз основа на тази стойност се изчислява волт-амперната характеристика на необходимия уред: 2000*0,6=1200 V/A.

Класическа схема за възпроизвеждане и разпределение на енергията, получена от вятърен генератор от домашен тип. Въпреки това, за да се осигури дълготрайна енергия на такова количество уреди, е необходима доста мощна инсталация (+)

Реално натоварването от домакинство за семейство от трима души, което има пълно оборудване с домакинска техника, ще бъде по-високо от изчисленото в примера. Обикновено и по време на свързване на товара параметърът надвишава взетите 4 часа. Съответно, ще е необходим по-мощен инвертор за вятърната енергийна система.

Предварителното изчисление на вятърника ще бъде полезно не само за самостоятелното му сглобяване. Необходимо е да се определят оптималните параметри и при избора на готов вятърен генератор.

Изводи и полезно видео по темата

Как става анализът на изходните данни и как се прилагат формулите, е представено във видеото:

Използването на изчислителните данни е необходимо във всеки случай. Било то промишлена енергийна инсталация или изработена за битови условия, изчислението на всеки възел винаги води до максимална ефективност на устройството и най-вече – безопасна експлоатация.

Предварително извършените изчисления определят целесъобразността на реализацията на проекта, помагат да се установи колко скъп или икономичен се оказва проектът.

Имате ли опит в решаването на подобни задачи? Или останаха въпроси по темата? Моля, споделете вашите умения за изчисление и проектиране на вятърен генератор. Можете да оставяте коментари и да задавате въпроси във формата, разположена по-долу.