Jak obliczyć turbinę wiatrową: wzory, praktyczny przykład obliczeń © Geostart

Jak obliczyć turbinę wiatrową: wzory + praktyczny przykład obliczeń

Energia alternatywna pozyskiwana z elektrowni wiatrowych cieszy się dużym zainteresowaniem społeczeństwa. Istnieje wiele potwierdzeń tego na poziomie realnej codziennej praktyki.

Właściciele podmiejskich nieruchomości budują wiatraki własnymi rękami i są zadowoleni z efektu, choć efekt może być krótkotrwały. Powodem jest to, że generator wiatrowy nie został prawidłowo obliczony podczas montażu.

Zgadzam się, nie chciałbym tracić czasu i pieniędzy na realizację projektu, aby uzyskać nieefektywną instalację. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć, jak obliczyć generator wiatrowy i według jakich parametrów wybrać główne jednostki robocze wiatraka.

Artykuł poświęcony jest rozwiązaniu tych problemów. Część teoretyczną materiału uzupełniono przykładami ilustracyjnymi i praktycznymi zaleceniami dotyczącymi montażu turbiny wiatrowej.

Obliczanie turbin wiatrowych

Jak zacząć obliczanie systemu do odtwarzania energii elektrycznej z energii wiatru? Biorąc pod uwagę, że mówimy o generatorze wiatrowym, logiczne wydaje się dokonanie wstępnej analizy róży wiatrów na danym obszarze.

Parametry projektowe, takie jak prędkość wiatru i jego charakterystyczny kierunek dla danego obszaru, są ważnymi parametrami projektowymi. W pewnym stopniu określają one realnie osiągalny poziom mocy wiatraka.

Obliczanie mocy turbin wiatrowych

Trudno sobie nawet wyobrazić turbiny wiatrowe o takiej mocy. Ale takie struktury istnieją i działają skutecznie. Jednak obliczenia takich konstrukcji wykazują stosunkowo małą moc w porównaniu z tradycyjnymi źródłami energii.

Co ciekawe, proces ten jest długotrwały (co najmniej 1 miesiąc), co jest dość oczywiste. Nie jest możliwe obliczenie maksymalnych prawdopodobnych parametrów prędkości wiatru i jego najczęstszego kierunku za pomocą jednego lub dwóch pomiarów.

To zajmie dziesiątki pomiarów. Niemniej jednak ta operacja jest naprawdę konieczna, jeśli istnieje chęć zbudowania wydajnego systemu produkcyjnego.

Jak obliczyć moc wiatraka

Domowe turbiny wiatrowe, zwłaszcza te wykonywane ręcznie, nie musiały jeszcze zaskakiwać ludzi dużą mocą. To jest niezrozumiałe. Wystarczy wyobrazić sobie masywny maszt o wysokości 8-10 m, wyposażony w generator o rozpiętości łopat śmigła ponad 3 m. I to nie jest najmocniejsza instalacja. Tylko około 2 kW.

Potężny przemysłowy generator wiatrowy

Do obsługi wiatraków o takiej mocy wykorzystywane są śmigłowce oraz kilkunastoosobowe zespoły specjalistów. Aby obliczyć taką elektrownię, bierze udział jeszcze większa liczba wykonawców.

Ogólnie rzecz biorąc, jeśli opierasz się na standardowej tabeli pokazującej stosunek mocy generatora wiatrowego do wymaganej rozpiętości łopat śmigła, jest coś do zdziwienia. Zgodnie z tabelą do wiatraka o mocy 10 W wymagane jest XNUMX-metrowe śmigło.

Konstrukcja o mocy 500 watów będzie wymagała śmigła o średnicy 14 m. W tym przypadku parametr rozpiętości ostrzy zależy od ich liczby. Im więcej ostrzy, tym mniejsza rozpiętość.

Ale to tylko teoria, bo prędkość wiatru nie przekracza 4 m/s. W praktyce wszystko jest nieco inne, a moc instalacji domowych, które faktycznie działają przez długi czas, nigdy nie przekroczyła 500 watów.

Dlatego wybór mocy ogranicza się tu zwykle do zakresu 250-500 W przy średniej prędkości wiatru 6-8 m/s.

READ
Lampy uliczne zasilane energią słoneczną: rodzaje, przegląd i porównanie producentów © Geostart

Tabela do obliczania wiatraka

Tabela zależności mocy systemu energetyki wiatrowej od średnicy ślimaka roboczego i liczby łopatek. Tabelę można wykorzystać do obliczeń, ale z uwzględnieniem jej zestawienia pod parametrem prędkości wiatru do 4 m/s (+)

Z pozycji teoretycznej moc elektrowni wiatrowej oblicza się według wzoru:

N u3d p * S * V 2 / XNUMX,

  • p to gęstość mas powietrza;
  • S to całkowita powierzchnia wydmuchu łopat śmigła;
  • V — natężenie przepływu powietrza;
  • N – moc przepływu powietrza.

Ponieważ N jest parametrem, który drastycznie wpływa na moc generatora wiatrowego, rzeczywista moc instalacji będzie zbliżona do obliczonej wartości N.

Obliczanie śmigieł turbin wiatrowych

Przy projektowaniu wiatraka stosuje się zwykle dwa rodzaje śrub:

  • wiatrowskaz – obrót w płaszczyźnie poziomej;
  • Wirnik Savonius, wirnik Darrieus – obrót w płaszczyźnie pionowej.

Konstrukcje śrub z obrotem w dowolnej z płaszczyzn można obliczyć za pomocą wzoru:

Z=L*W/60/V

  • Z – stopień prędkości (niska prędkość) śmigła;
  • L – wielkość długości koła opisanego przez ostrza;
  • W – prędkość (częstotliwość) obrotu śmigła;
  • V to natężenie przepływu powietrza.

Na podstawie tego wzoru możesz łatwo obliczyć liczbę obrotów W – prędkość obrotową.

Klasyczny wirnik Dariera

Taka jest konstrukcja śruby o nazwie „Rotor Darier”. Ta wersja śmigła jest uważana za skuteczną w produkcji turbin wiatrowych o małej mocy i wielkości. Obliczenie śruby ma pewne cechy

A roboczy stosunek obrotów i prędkości wiatru można znaleźć w tabelach dostępnych w sieci. Na przykład dla śmigła z dwoma łopatami i Z=5 prawdziwa jest następująca zależność:

Liczba ostrzy Stopień prędkości Prędkość wiatru m/s
2 5 330

Jednym z ważnych wskaźników śmigła wiatraka jest skok.

Parametr ten można określić za pomocą wzoru:

H=2πR*tgα,

Więcej informacji na temat wyboru kształtu i liczby ostrzy, a także instrukcje ich wykonania znajdziesz w tym artykule.

Dobór generatorów do turbin wiatrowych

Mając obliczoną wartość liczby obrotów ślimaka (W), uzyskaną metodą opisaną powyżej, można już wybrać (wyprodukować) odpowiedni generator.

Na przykład przy stopniu prędkości Z = 5 liczba ostrzy wynosi 2, a prędkość 330 obr/min. Przy prędkości wiatru 8 m/s. moc generatora powinna wynosić około 300 watów.

Generator turbin wiatrowych

Generator elektrowni wiatrowej „w kontekście”. Przykładowa kopia jednego z możliwych projektów generatora do domowej elektrowni wiatrowej, zmontowana przeze mnie

Przy takich parametrach odpowiednim wyborem jako generator dla domowej farmy wiatrowej może być silnik, który jest wykorzystywany w konstrukcjach nowoczesnych rowerów elektrycznych. Tradycyjna nazwa części to silnik rowerowy (wyprodukowany w Chinach).

Silnik rowerowy do generatora wiatrowego

Tak wygląda elektryczny silnik rowerowy, na podstawie którego proponuje się wykonanie generatora do przydomowego wiatraka. Konstrukcja silnika rowerowego jest idealna do wdrożenia z niewielkimi obliczeniami i modyfikacjami lub bez nich. Jednak ich moc jest niska.

Charakterystyki elektrycznego silnika rowerowego są w przybliżeniu następujące:

Parametr Wartości
Napięcie 24
Moc, W 250-300
Częstotliwość obrotów, obr./min 200-250
Moment obrotowy, Nm 25

Pozytywną cechą silników rowerowych jest to, że praktycznie nie trzeba ich przerabiać. Są one konstrukcyjnie opracowane jako silniki elektryczne wolnoobrotowe iz powodzeniem mogą być stosowane w turbinach wiatrowych.

READ
Kolektor słoneczny z plastikowych butelek: instrukcja montażu urządzenia słonecznego krok po kroku © Geostart

Obliczanie i wybór kontrolera ładowania

Kontroler ładowania akumulatora jest wymagany w przypadku każdego rodzaju turbiny wiatrowej, w tym w budownictwie mieszkaniowym.

Sterownik jest kompaktowym, ale niezwykle przydatnym urządzeniem elektronicznym odpowiedzialnym za racjonalne rozłożenie ładunku odbieranego przez wiatrak. Mówiąc najprościej, jest to regulator balastowy

Sterownik wyłącza zasilanie akumulatorów w przypadku przekroczenia dopuszczalnego napięcia i kieruje energię bezpośrednio do odbiorcy. Jako konsument może być używane urządzenie, które bez problemu toleruje zmiany w odżywianiu

W przypadku spadku naładowania akumulatorów to sterownik przełącza dopływ energii „na rezerwę”. Konieczne jest zapobieganie całkowitemu rozładowaniu i przeładowaniu akumulatorów.

Jeżeli energia dla obiektu jest generowana wspólnie przez panele słoneczne i turbiny wiatrowe, dopływ ładunku może być zbilansowany przez jeden sterownik wspólny dla wszystkich instalacji

Jak obliczyć turbinę wiatrową: wzory + praktyczny przykład obliczeń

Energia alternatywna pozyskiwana z elektrowni wiatrowych cieszy się dużym zainteresowaniem społeczeństwa. Istnieje wiele potwierdzeń tego na poziomie realnej codziennej praktyki.

Właściciele podmiejskich nieruchomości budują wiatraki własnymi rękami i są zadowoleni z efektu, choć efekt może być krótkotrwały. Powodem jest to, że generator wiatrowy nie został prawidłowo obliczony podczas montażu.

Zgadzam się, nie chciałbym tracić czasu i pieniędzy na realizację projektu, aby uzyskać nieefektywną instalację. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć, jak obliczyć generator wiatrowy i według jakich parametrów wybrać główne jednostki robocze wiatraka.

Obliczanie turbin wiatrowych

Jak zacząć obliczanie systemu do odtwarzania energii elektrycznej z energii wiatru? Biorąc pod uwagę, że mówimy o generatorze wiatrowym, logiczne wydaje się dokonanie wstępnej analizy róży wiatrów na danym obszarze.

Parametry projektowe, takie jak prędkość wiatru i jego charakterystyczny kierunek dla danego obszaru, są ważnymi parametrami projektowymi. W pewnym stopniu określają one realnie osiągalny poziom mocy wiatraka.

Trudno sobie nawet wyobrazić turbiny wiatrowe o takiej mocy. Ale takie struktury istnieją i działają skutecznie. Jednak obliczenia takich konstrukcji wykazują stosunkowo małą moc w porównaniu z tradycyjnymi źródłami energii.

Co ciekawe, proces ten jest długotrwały (co najmniej 1 miesiąc), co jest dość oczywiste. Nie jest możliwe obliczenie maksymalnych prawdopodobnych parametrów prędkości wiatru i jego najczęstszego kierunku za pomocą jednego lub dwóch pomiarów.

To zajmie dziesiątki pomiarów. Niemniej jednak ta operacja jest naprawdę konieczna, jeśli istnieje chęć zbudowania wydajnego systemu produkcyjnego.

Jak obliczyć moc wiatraka

Domowe turbiny wiatrowe, zwłaszcza te wykonywane ręcznie, nie musiały jeszcze zaskakiwać ludzi dużą mocą. To jest niezrozumiałe. Wystarczy wyobrazić sobie masywny maszt o wysokości 8-10 m, wyposażony w generator o rozpiętości łopat śmigła ponad 3 m. I to nie jest najmocniejsza instalacja. Tylko około 2 kW.

Do obsługi wiatraków o takiej mocy wykorzystywane są śmigłowce oraz kilkunastoosobowe zespoły specjalistów. Aby obliczyć taką elektrownię, bierze udział jeszcze większa liczba wykonawców.

READ
Biopaliwo: co to jest, rodzaje, zalety i wady | Trendy RBC

Ogólnie rzecz biorąc, jeśli opierasz się na standardowej tabeli pokazującej stosunek mocy generatora wiatrowego do wymaganej rozpiętości łopat śmigła, jest coś do zdziwienia. Zgodnie z tabelą do wiatraka o mocy 10 W wymagane jest XNUMX-metrowe śmigło.

Konstrukcja o mocy 500 watów będzie wymagała śmigła o średnicy 14 m. W tym przypadku parametr rozpiętości ostrzy zależy od ich liczby. Im więcej ostrzy, tym mniejsza rozpiętość.

Ale to tylko teoria, bo prędkość wiatru nie przekracza 4 m/s. W praktyce wszystko jest nieco inne, a moc instalacji domowych, które faktycznie działają przez długi czas, nigdy nie przekroczyła 500 watów.

Dlatego wybór mocy ogranicza się tu zwykle do zakresu 250-500 W przy średniej prędkości wiatru 6-8 m/s.

Tabela zależności mocy systemu energetyki wiatrowej od średnicy ślimaka roboczego i liczby łopatek. Tabelę można wykorzystać do obliczeń, ale z uwzględnieniem jej zestawienia pod parametrem prędkości wiatru do 4 m/s (+)

Z pozycji teoretycznej moc elektrowni wiatrowej oblicza się według wzoru:

N u3d p * S * V 2 / XNUMX,

  • p to gęstość mas powietrza;
  • S to całkowita powierzchnia wydmuchu łopat śmigła;
  • V — natężenie przepływu powietrza;
  • N – moc przepływu powietrza.

Ponieważ N jest parametrem, który drastycznie wpływa na moc generatora wiatrowego, rzeczywista moc instalacji będzie zbliżona do obliczonej wartości N.

Obliczanie śmigieł turbin wiatrowych

Przy projektowaniu wiatraka stosuje się zwykle dwa rodzaje śrub:

  • wiatrowskaz – obrót w płaszczyźnie poziomej;
  • Wirnik Savonius, wirnik Darrieus – obrót w płaszczyźnie pionowej.

Konstrukcje śrub z obrotem w dowolnej z płaszczyzn można obliczyć za pomocą wzoru:

Z=L*W/60/V

  • Z – stopień prędkości (niska prędkość) śmigła;
  • L – wielkość długości koła opisanego przez ostrza;
  • W – prędkość (częstotliwość) obrotu śmigła;
  • V to natężenie przepływu powietrza.

Na podstawie tego wzoru możesz łatwo obliczyć liczbę obrotów W – prędkość obrotową.

Taka jest konstrukcja śruby o nazwie „Rotor Darier”. Ta wersja śmigła jest uważana za skuteczną w produkcji turbin wiatrowych o małej mocy i wielkości. Obliczenie śruby ma pewne cechy

A roboczy stosunek obrotów i prędkości wiatru można znaleźć w tabelach dostępnych w sieci. Na przykład dla śmigła z dwoma łopatami i Z=5 prawdziwa jest następująca zależność:

Liczba ostrzy Stopień prędkości Prędkość wiatru m/s
2 5 330

Jednym z ważnych wskaźników śmigła wiatraka jest skok.

Parametr ten można określić za pomocą wzoru:

H=2πR*tgα ,

Dobór generatorów do turbin wiatrowych

Mając obliczoną wartość liczby obrotów ślimaka (W), uzyskaną metodą opisaną powyżej, można już wybrać (wyprodukować) odpowiedni generator.

Na przykład przy stopniu prędkości Z = 5 liczba ostrzy wynosi 2, a prędkość 330 obr/min. Przy prędkości wiatru 8 m/s. moc generatora powinna wynosić około 300 watów.

Generator elektrowni wiatrowej „w kontekście”. Orientacyjna kopia jednego z możliwych projektów generatora do domowej elektrowni wiatrowej, zmontowana niezależnie. Tak wygląda elektryczny silnik rowerowy, na podstawie którego proponuje się wykonanie generatora do przydomowego wiatraka. Konstrukcja silnika rowerowego jest idealna do wdrożenia z niewielkimi obliczeniami i modyfikacjami lub bez nich. Jednak ich moc jest niska.

READ
Jak zrobić pompę ciepła własnymi rękami ze starej lodówki: rysunki, instrukcje i wskazówki montażowe © Geostart

Charakterystyki elektrycznego silnika rowerowego są w przybliżeniu następujące:

Parametr Wartości
Napięcie 24
Moc, W 250-300
Częstotliwość obrotów, obr./min 200-250
Moment obrotowy, Nm 25

Pozytywną cechą silników rowerowych jest to, że praktycznie nie trzeba ich przerabiać. Są one konstrukcyjnie opracowane jako silniki elektryczne wolnoobrotowe iz powodzeniem mogą być stosowane w turbinach wiatrowych.

Aby zrobić wiatrak, możesz użyć generatora samochodowego lub zmontować jednostkę z pralki.

Obliczanie i wybór kontrolera ładowania

Kontroler ładowania akumulatora jest wymagany w przypadku każdego rodzaju turbiny wiatrowej, w tym w budownictwie mieszkaniowym.

Obliczenie tego urządzenia sprowadza się do wyboru obwodu elektrycznego urządzenia, który odpowiadałby obliczonym parametrom systemu wiatrowego.

Spośród tych parametrów główne to:

  • znamionowe i maksymalne napięcie generatora;
  • maksymalna możliwa moc generatora;
  • maksymalny możliwy prąd ładowania akumulatora;
  • napięcie baterii;
  • temperatura otoczenia;
  • poziom wilgotności otoczenia.

Na podstawie przedstawionych parametrów montowany jest samodzielny kontroler ładowania lub dobierane jest gotowe urządzenie.

Kontroler ładowania akumulatora stosowany jako część elektrowni wiatrowej. Urządzenie produkcji przemysłowej, wybierając, które wystarczy dokładnie przestudiować parametry techniczne w celu dokładnej koordynacji z istniejącym systemem

Oczywiście pożądane jest dobranie (lub zmontowanie) urządzenia, którego obwód zapewniłby funkcję łatwego rozruchu w warunkach słabego przepływu powietrza. Mile widziany jest również sterownik przeznaczony do pracy z akumulatorami o różnych napięciach (12, 24, 48 V).

Wreszcie przy obliczaniu (wybieraniu) obwodu sterownika zaleca się nie zapominać o obecności takiej funkcji, jak sterowanie falownikiem.

Dobór baterii do systemu

W praktyce stosuje się baterie różnych typów i prawie wszystkie nadają się do wykorzystania jako część systemu energii wiatrowej. Ale i tak trzeba będzie dokonać konkretnego wyboru. W zależności od parametrów systemu wiatraka dobór akumulatora odbywa się na podstawie napięcia, pojemności, warunków ładowania.

Tradycyjne komponenty do domowych wiatraków to klasyczne akumulatory kwasowo-ołowiowe. Wykazali dobre wyniki w sensie praktycznym. Ponadto koszt tego typu baterii jest bardziej akceptowalny w porównaniu z innymi typami.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe są szczególnie bezpretensjonalne w warunkach ładowania/rozładowania, ale niedopuszczalne jest ich umieszczanie w systemie bez kontrolera.

Jeśli w turbinie wiatrowej jest profesjonalnie wykonany kontroler ładowania z pełnoprawnym systemem automatyki, racjonalne wydaje się zastosowanie akumulatorów AGM lub helu.

Akumulator domowego generatora wiatrowego. Nie jest to najlepszy przypadek użycia, biorąc pod uwagę chaos przewodów i wymagania dotyczące przechowywania. Przy takim stanie magazynów energii nie trzeba liczyć na ich długotrwałe działanie.

Oba typy zasobników energii charakteryzują się większą wydajnością i długą żywotnością, ale stawiają wysokie wymagania co do warunków ładowania.

READ
Oświetlenie uliczne zasilane energią słoneczną: rodzaje lamp autonomicznych i zastosowania © Geostart

To samo dotyczy tak zwanych baterii pancernych typu helu. Ale wybór tych baterii do wiatraka domowego jest znacznie ograniczony ceną. Jednak żywotność tych drogich akumulatorów jest najdłuższa w stosunku do wszystkich innych typów.

Akumulatory te wyróżniają się również bardziej znaczącym cyklem ładowania/rozładowania, ale pod warunkiem zastosowania wysokiej jakości ładowarki.

Obliczanie falownika do domowego wiatraka

Należy od razu zauważyć: jeśli projekt domowej turbiny wiatrowej zawiera jedną 12-woltową baterię, nie ma sensu instalowanie falownika w takim systemie.

Średnio zużycie energii w gospodarstwie domowym wynosi co najmniej 4 kW przy obciążeniach szczytowych. Stąd wniosek: liczba akumulatorów o takiej mocy powinna wynosić co najmniej 10 sztuk, a najlepiej pod napięciem 24 woltów. Już teraz sensowne jest zainstalowanie falownika na taką liczbę akumulatorów.

Aby jednak w pełni zasilić 10 akumulatorów o napięciu 24 W na każdy i stabilnie utrzymać ich ładunek, potrzebny jest wiatrak o mocy co najmniej 2-3 kW. Oczywiście w przypadku bezpretensjonalnych projektów domowych takiej mocy nie można wyciągnąć.

Mały inwerter mocy (600 W), który można wykorzystać w domowej małej elektrowni. Z takiego sprzętu można zasilać telewizor lub małą lodówkę napięciem 220 woltów. Nie ma już wystarczającego prądu dla lamp w żyrandolu

Możesz jednak obliczyć moc falownika w następujący sposób:

Dla konkretnego przykładu będzie to wyglądać tak.

Niech jako ładunek będą domowe urządzenia elektryczne: lampy oświetleniowe – 3 szt. 40 W każdy, odbiornik TV – 120 W, kompaktowa lodówka 200 W. Sumujemy moc: 3 * 40 + 120 + 200 i otrzymujemy 440 watów na wyjściu.

Określmy moc odbiorców przez średni okres 4 godzin: 440 * 4 u1760d 2 W. Na podstawie uzyskanej wartości mocy w czasie poboru wydaje się logiczny wybór falownika spośród takich urządzeń o mocy wyjściowej XNUMX kW lub większej.

Na podstawie tej wartości obliczana jest charakterystyka prądowo-napięciowa wymaganego urządzenia: 2000*0,6=1200 V/A.

Klasyczny schemat reprodukcji i dystrybucji energii otrzymanej z generatora wiatrowego typu domowego. Jednak aby zapewnić taką ilość urządzeń długotrwałą energię potrzebna jest odpowiednio wydajna instalacja (+)

W rzeczywistości obciążenie z gospodarstwa domowego na trzyosobową rodzinę, w której znajduje się pełnoprawny sprzęt ze sprzętem AGD, będzie wyższe niż obliczone w przykładzie. Zwykle pod względem czasu podłączenia obciążenia parametr przekracza brane 4 godziny. W związku z tym falownik systemu wiatrowego będzie potrzebował mocniejszego.

Wstępna kalkulacja wiatraka przydaje się nie tylko do jego samodzielnego montażu. Konieczne jest również określenie optymalnych parametrów przy wyborze gotowego generatora wiatrowego.

W każdym razie konieczne jest wykorzystanie obliczonych danych. Niezależnie od tego, czy jest to elektrownia przemysłowa, czy przeznaczona do warunków domowych, obliczenie każdego węzła zawsze niesie ze sobą maksymalną wydajność urządzenia i, co najważniejsze, bezpieczeństwo pracy.

Wstępne obliczenia określają wykonalność projektu, pomagają ustalić, jak kosztowny lub ekonomiczny jest projekt.

Rating
( No ratings yet )
Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: