Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Альтернативная энергия, получаемая от энергетических ветряных установок, вызывает в обществе высокий интерес. Подтверждений тому на уровне реальной бытовой практики множество.

Владельцы загородной недвижимости строят ветряки собственными руками и довольствуются полученным результатом, хотя эффект бывает и кратковременным. Причина — при сборке не был произведён расчёт ветрогенератора должным образом.

Согласитесь, не хотелось бы потратив время и средства на реализацию проекта, получить малоэффективную установку. Поэтому важно понять, как произвести расчет ветрогенератора,  и по каким параметрам подобрать основные рабочие узлы ветряка.

Решению этих вопросов и посвящена статья. Теоретическая часть материала дополнена наглядными примерами и практичными рекомендациями по сборке ветрогенераторной установки.

Расчёт ветрогенераторной установки

С чего начать рассчитывать систему воспроизводства электроэнергии из энергии ветра? Учитывая, что речь идёт о ветрогенераторе, логичным видится предварительный анализ розы ветров в конкретной местности.

Такие расчётные параметры, как скорость ветра и характерное его направление для данной территории – это важные расчётные параметры. Ими в какой-то степени определяется тот уровень мощности ветряка, который будет реально достижим.

Ветрогенераторы такой мощности сложно даже представить. Но подобные конструкции существуют и эффективно работают. Однако расчёты подобных конструкций показывают относительно небольшую мощность по сравнению с традиционными источниками энергии

Что примечательно, процесс этот носит долговременный характер (не менее 1 месяца), что вполне очевидно. Вычислить максимально вероятные параметры скорости ветра и его наиболее частое направление невозможно одним или двумя замерами.

Потребуется выполнить десятки замеров. Тем не менее, операция эта действительно необходима, если есть желание построить эффективную производительную систему.

Как вычислить мощность ветряка

Ветрогенераторам бытового назначения, тем более сделанным своими руками, удивлять народ высокими мощностями ещё не приходилось. Оно и понятно. Стоит лишь представить массивную мачту высотой 8-10 м, оснащённую генератором с размахом лопастей винта более 3 м. И это не самая мощная установка. Всего-то около 2 кВт.

Для обслуживания ветряков такой мощности используются вертолёты и бригады специалистов, насчитывающие до десятка человек. Чтобы произвести расчёт такой энергоустановки, привлекается ещё большее число исполнителей

Вообще, если опираться на стандартную таблицу, показывающую соотношение мощности ветрогенератора и требуемого размаха лопастей винта, есть чему удивиться. Согласно таблице, для ветряка мощностью 10 Вт необходим двухметровый пропеллер.

На 500-ваттную конструкцию потребуется уже винт диаметром 14 м. При этом параметр размаха лопастей зависит от их количества. Чем больше лопастей, тем меньше размах.

Но это всего лишь теория, обусловленная скоростью ветра, не превышающей значения 4 м/сек. На практике всё несколько иначе, а мощность установок бытового назначения, реально действующих продолжительное время, ещё никогда не превышала 500 Вт.

Поэтому выбор мощности здесь обычно ограничен диапазоном 250-500 Вт при средней скорости ветра 6-8 м/сек.

Таблица зависимости мощности ветряной энергетической системы от диаметра рабочего винта и количества лопастей. Эту таблицу можно применить для расчётов, но с учётом её составления под параметр скорости ветра до 4 м/сек (+)

С теоретической позиции, мощность ветряной энергетической станции считают по формуле:

N=p*S*V³/2,

где:

• p – плотность воздушных масс;
• S – общая обдуваемая площадь лопастей винта;
• V — скорость воздушного потока;
• N – мощность потока воздуха.

Так как N – параметр, кардинально влияющий на мощность ветрогенератора, то реальная мощность установки будет находиться недалеко от вычисленного значения N.

Расчёт винтов ветряных установок

При конструировании ветряка обычно применяются два вида винтов:

• крыльчатые — вращение в горизонтальной плоскости;
• ротор Савониуса, ротор Дарье — вращение в вертикальной плоскости.

Конструкции винтов с вращением в любой из плоскостей можно рассчитать при помощи формулы:

Z= L*W/60/V

где:

• Z – степень быстроходности (тихоходности) винта;
• L – размер длины описываемой лопастями окружности;
• W – скорость (частота) вращения винта;
• V – скорость потока воздуха.

Отталкиваясь от этой формулы, можно легко рассчитать число оборотов W – скорость вращения.

Такой выглядит конструкция винта под названием «Ротор Дарье». Этот вариант пропеллера считается эффективным при изготовлении ветрогенераторов небольшой мощности и размеров. Расчёт винта имеет некоторые особенности

А рабочее соотношение оборотов и скорости ветра можно найти в таблицах, которые доступны в сети. Например, для винта с двумя лопастями и Z=5, справедливо следующее соотношение:

Также одним из важных показателей винта ветряка является шаг.

Этот параметр можно определить, если воспользоваться формулой:

H=2πR* tg α,

где:

• 2π – константа (2*3.14);
• R – радиус, описываемый лопастью;
• tg α – угол сечения.

Дополнительная информация о выборе формы и количества лопастей, а также инструкция по их изготовлению приведена в этой статье.

Подбор генераторов для ветряков

Имея расчётное значение числа оборотов винта (W), полученное по вышеописанной методике, можно уже подбирать (изготавливать) соответствующий генератор.

Например, при степени быстроходности Z=5, количестве лопастей равном 2 и частоте оборотов 330 об/мин. При скорости ветра 8 м/с. мощность генератора приблизительно должна составлять 300 Вт.

Генератор ветряной энергетической установки «в разрезе». Показательный экземпляр одной из возможных конструкций генератора домашней ветряной энергосистемы, собранной самостоятельно

При таких параметрах подходящим выбором в качестве генератора для бытовой ветряной электростанции может стать мотор, который используется в конструкциях современных электровелосипедов. Традиционное наименование детали – веломотор (производство КНР).

Так выглядит электрический веломотор, на базе которого предлагается делать генератор для домашнего ветряка. Конструкция веломотора идеально подходит для внедрения практически без расчётов и доработок. Однако мощность их невелика

Характеристики электрического веломотора примерно следующие:

Положительная особенность веломоторов в том, что их практически не нужно переделывать. Они конструктивно разрабатывались как электродвигатели с низкими оборотами и успешно могут применяться под ветрогенераторы.

Для изготовления ветряка можно использовать автомобильный генератор или собрать агрегат из стиральной машинки.

Расчёт и выбор контроллера заряда

Контроллер заряда АКБ необходим для ветряной энергетической установки любого типа, включая бытовую конструкцию.

Расчёт этого устройства сводится к подбору электрической схемы прибора, которая бы соответствовала расчётным параметрам ветровой системы.

Из тих параметров основными являются:

• номинальное и максимальное напряжение генератора;
• максимально возможная мощность генератора;
• максимально возможный ток заряда АКБ;
• напряжение на АКБ;
• температура окружающего воздуха;
• уровень влажности окружающей среды.

Исходя из представленных параметров, ведётся сборка контроллера заряда своими руками или подбор готового устройства.

Контроллер заряда аккумуляторов, применяемых в составе ветровой энергоустановки. Прибор промышленного изготовления, выбирая который требуется лишь внимательно изучить технические характеристики для точного согласования с имеющейся системой

Конечно, желательно подбирать (или собирать) устройство, схема которого обеспечивала бы функцию лёгкого старта в условиях течения слабых потоков воздуха. Контроллер, рассчитанный под эксплуатацию с батареями разного напряжения (12, 24, 48 вольт) тоже лишь приветствуется.

Наконец, при расчёте (подборе) схемы контроллера, рекомендуется не забывать о присутствии такой функции, как управление инвертором.

Подбор аккумуляторной батареи для системы

На практике используются аккумуляторы разного типа и почти все вполне пригодны для использования в составе ветряной энергетической системы. Но конкретный выбор придётся делать в любом случае. В зависимости от параметров системы ветряка, подбор аккумулятора ведётся по напряжению, ёмкости, условиям заряда.

Традиционными комплектующими для домашних ветряков считаются классические кислотно-свинцовые аккумуляторы. Они показали неплохие результаты в практическом смысле. К тому же стоимость этого типа батарей более приемлема по сравнению с другими видами.

Свинцово-кислотные АКБ особо неприхотливы к условиям заряда/разряда, но включать их в систему без контроллера недопустимо.

При наличии в составе ветрогенераторной установи профессионально выполненного контроллера заряда, имеющего полноценную систему автоматики, рациональным видится применение аккумуляторов типа AGM или гелиевых.

Блок аккумуляторов домашнего ветрогенератора. Не самый лучший вариант эксплуатации, учитывая хаос из проводов и требования к хранению. При таком состоянии накопителей энергии рассчитывать на их долгосрочное действие не приходится

Оба вида накопителей энергии характеризуются большей эффективностью и долгим сроком службы, но предъявляют высокие требования к условиям заряда.

То же самое относится к так называемым панцирным АКБ гелиевого типа. Но выбор этих аккумуляторов для бытового ветряка значительно ограничивается ценой. Однако срок службы этих дорогостоящих батарей самый продолжительный по отношению ко всем другим видам.

Эти аккумуляторы выделяются также более значительным циклом заряда/разряда, но при условии применения к ним качественного зарядного устройства.

Расчёт инвертора под домашний ветряк

Сразу следует оговориться: если конструкция домашней энергетической ветроустановки содержит один аккумулятор на 12 вольт, смысл ставить инвертор на такую систему полностью исключается.

В среднем потребляемая мощность бытового хозяйства составляет не менее 4 кВт на пиковых нагрузках. Отсюда вывод: количество аккумуляторных батарей для такой мощности должно составлять не менее 10 штук и желательно под напряжение 24 вольта. На такое количество АКБ уже есть смысл устанавливать инвертор.

Однако чтобы обеспечить полностью энергией 10 аккумуляторов с напряжением по 24 Вт на каждый и стабильно поддерживать их заряд, потребуется ветряк мощностью не менее 2-3 кВт. Очевидно, для бытовых простеньких конструкций такую мощность не потянуть.

Инвертор небольшой мощности (600 Вт), который может быть использован для домашней малой энергетической установки. Запитать от такой техники напряжением 220 вольт можно телевизор или небольшой холодильник. На лампы в люстре тока уже не хватит

Тем не менее, рассчитать мощность инвертора можно следующим образом:

1. Суммировать мощность всех потребителей.
2. Определить время потребления.
3. Определить пиковую нагрузку.

На конкретном примере это будет выглядеть так.

Пусть в качестве нагрузки есть бытовые электроприборы: лампы освещения – 3 шт. по 40 Вт, телевизионный приёмник – 120 Вт, компактный холодильник 200 Вт. Суммируем мощность: 3*40+120+200 и получаем на выходе 440 Вт.

Определим мощность потребителей для среднего периода времени в 4 часа: 440*4=1760 Вт. Исходя из полученного значения мощности по времени потребления, логичным видится подбор инвертора из числа таких приборов с выходной мощностью от 2 кВт.

Опираясь на это значение, рассчитывается вольт-амперная характеристика требуемого прибора: 2000*0,6=1200 В/А.

Классическая схема воспроизводства и распределения энергии, полученной от ветряного генератора бытового типа. Однако чтобы обеспечить долговременной энергией такое количество приборов, нужна достаточно мощная установка (+)

Реально нагрузка от домашнего хозяйства на семью в три человека, где имеется полноценное оснащение бытовой техникой, будет выше рассчитанной в примере. Обычно и по времени подключения нагрузки параметр превышает взятые 4 часа. Соответственно, инвертор ветряной энергосистемы потребуется более мощный.

Предварительный расчет ветряка пригодится не только для его самостоятельной сборки. Определиться с оптимальными параметрами необходимо и при выборе готового ветрогенератора.

Выводы и полезное видео по теме

Как происходит анализ исходных данных и как применяются формулы, представлено на видео:

Пользоваться расчётными данными необходимо в любом случае. Будь то промышленная энергетическая установка или изготовленная под бытовые условия, расчёт каждого узла всегда несёт за собой максимум эффективности устройства и главное – безопасность эксплуатации.

Предварительно выполненные расчёты определяют целесообразность реализации проекта, помогают установить, насколько затратным или экономным получается проект.

Имеете опыт в решении подобных задач? Или остались вопросы по теме? Пожалуйста, поделитесь своими навыками расчета и проектирования ветрогенератора. Оставлять комментарии и задавать вопросы можно в форме, расположенной ниже.