Hur man beräknar en vindgenerator: formler + praktiskt räkneexempel

Alternativ energi från vindkraftverk väcker stort intresse i samhället. Det finns många bevis på detta i verklig vardagspraktik.

Ägare av fastigheter på landet bygger vindkraftverk med egna händer och är nöjda med resultatet, även om effekten ibland kan vara kortvarig. Orsaken – vid monteringen gjordes inte beräkningen av vindgeneratorn på rätt sätt.

Håll med om att du inte vill slösa tid och pengar på att genomföra ett projekt och få en ineffektiv installation. Därför är det viktigt att förstå hur man beräknar vindgeneratorn och med vilka parametrar man väljer vindkraftverkets huvudsakliga arbetskomponenter.

Denna artikel ägnas åt att lösa dessa frågor. Den teoretiska delen av materialet kompletteras med illustrativa exempel och praktiska rekommendationer för montering av vindgeneratorn.

Beräkning av vindgeneratoranläggning

Var ska du börja beräkna ett system för elproduktion från vindenergi? Eftersom det handlar om en vindgenerator, är det logiskt att först analysera vindrosen på den specifika platsen.

Sådana beräkningsparametrar som vindhastighet och dess karakteristiska riktning för området är viktiga. De bestämmer till viss del den effektnivå som vindkraftverket faktiskt kan uppnå.

Vindgeneratorer med sådan effekt är svåra att ens föreställa sig. Men sådana konstruktioner finns och fungerar effektivt. Beräkningar av liknande konstruktioner visar dock relativt liten effekt jämfört med traditionella energikällor.

Anmärkningsvärt nog är denna process långvarig (minst 1 månad), vilket är ganska uppenbart. Det är omöjligt att beräkna de mest sannolika vindhastighetsparametrarna och dess vanligaste riktning med bara en eller två mätningar.

Du kommer att behöva göra dussintals mätningar. Ändå är denna operation verkligen nödvändig om du vill bygga ett effektivt produktivt system.

Hur man beräknar vindkraftverkets effekt

Hushållsvindgeneratorer, särskilt de som är hemmagjorda, har ännu inte imponerat med hög effekt. Det är förståeligt. Tänk dig bara en massiv mast på 8-10 meter höjd, utrustad med en generator med en rotorbladsspännvidd på över 3 meter. Och detta är inte den mest kraftfulla anordningen. Bara cirka 2 kW.

För att underhålla vindkraftverk med sådan effekt används helikoptrar och team på upp till tio personer. För att beräkna en sådan kraftanläggning engageras ännu fler utförare.

Generellt sett, om du utgår från en standardtabell som visar förhållandet mellan vindgeneratorns effekt och den nödvändiga bladspännvidden, finns det anledning att bli förvånad. Enligt tabellen krävs en två meter lång propeller för ett vindkraftverk på 10 W.

För en 500-wattskonstruktion krävs redan en propeller med en diameter på 14 m. Bladspännviddparametern beror på antalet blad. Ju fler blad, desto mindre spännvidd.

Men detta är bara teori, baserad på en vindhastighet som inte överstiger 4 m/s. I praktiken är det lite annorlunda, och effekten av hushållsinstallationer som faktiskt har fungerat under en längre tid har aldrig överstigit 500 W.

Därför är effektvalet här vanligtvis begränsat till intervallet 250-500 W vid en medelvindhastighet på 6-8 m/s.

Tabell över sambandet mellan vindkraftsystemets effekt och arbetsrotorns diameter och antalet blad. Denna tabell kan användas för beräkningar, men med hänsyn till att den är sammanställd för en vindhastighet på upp till 4 m/s (+).

Ur teoretisk synvinkel beräknas effekten av en vindkraftsstation med formeln:

N=p*S*V³/2,

där:

• p – luftmassans densitet;
• S – den totala blåsytan av rotorns blad;
• V – luftflödets hastighet;
• N – luftflödets effekt.

Eftersom N är en parameter som radikalt påverkar vindkraftverkets effekt, kommer den verkliga effekten av anläggningen att ligga nära det beräknade värdet på N.

Beräkning av vindkraftverkens rotorblad

Vid konstruktion av ett vindkraftverk används vanligtvis två typer av rotorer:

• vingrotorer – rotation i horisontalplanet;
• Savoniusrotor, Darrieusrotor – rotation i vertikalplanet.

Konstruktioner av rotorer som roterar i något av planen kan beräknas med hjälp av formeln:

Z= L*W/60/V

där:

• Z – rotorhastighetsgraden (låghastighetsgraden);
• L – omkretsens längd som beskrivs av bladen;
• W – rotorns rotationshastighet (frekvens);
• V – luftflödets hastighet.

Utgående från denna formel kan man enkelt beräkna varvtalet W – rotationshastigheten.

Så här ser konstruktionen av en rotor som kallas 'Darrieusrotor' ut. Denna rotorvariant anses vara effektiv vid tillverkning av små och lågeffektiva vindkraftverk. Beräkningen av rotorn har vissa särdrag

Och det användbara förhållandet mellan varvtal och vindhastighet finns i tabeller som är tillgängliga på nätet. Till exempel, för en rotor med två blad och Z=5 gäller följande förhållande:

Även en viktig parameter för rotorn är stigningen.

Denna parameter kan bestämmas med hjälp av formeln:

H=2πR* tg α,

där:

• 2π – konstant (2*3.14);
• R – radien som beskrivs av bladet;
• tg α – sektionsvinkeln.

Ytterligare information om val av form och antal blad, samt instruktioner för tillverkning, finns i denna artikel.

Val av generatorer för vindkraftverk

Med det beräknade varvtalet för rotorn (W) som erhållits enligt ovanstående metod, kan man redan välja (tillverka) en lämplig generator.

Till exempel, med hastighetsgrad Z=5, antal blad 2 och varvtal 330 rpm. Vid vindhastighet 8 m/s bör generatorens effekt ungefär vara 300 W.

Generator för en vindenergianläggning 'i genomskärning'. Ett typiskt exemplar av en möjlig konstruktion av en generator för ett hemmagjort vindkraftsystem, monterad själv.

Med sådana parametrar kan en motor som används i moderna elcykelkonstruktioner vara ett lämpligt val som generator för en hushållsvindkraftsanläggning. Den traditionella benämningen på delen är 'cykelmotor' (tillverkad i Kina).

Så här ser en elektrisk cykelmotor ut, på basis av vilken man föreslås göra en generator för en hemmavindturbin. Konstruktionen av cykelmotorn är idealisk för implementering praktiskt taget utan beräkningar och modifieringar. Dock är deras effekt låg.

Egenskaperna för en elektrisk cykelmotor är ungefär följande:

En positiv egenskap hos cykelmotorer är att de praktiskt taget inte behöver modifieras. De konstruerades som elmotorer med lågt varvtal och kan framgångsrikt användas för vindgeneratorer.

För tillverkning av en vindturbin kan man använda en bilgenerator eller bygga en enhet från en tvättmaskin.

Beräkning och val av laddningsregulator

En laddningskontroller för batterier är nödvändig för alla typer av vindkraftsanläggningar, inklusive hushållskonstruktioner.

Beräkningen av denna enhet innebär att välja en elektrisk krets för apparaten som motsvarar de beräknade parametrarna för vindsystemet.

Av dessa parametrar är de viktigaste:

• generatorns nominella och maximala spänning;
• generatorns maximalt möjliga effekt;
• maximalt möjlig laddningsström för batteriet;
• spänning över batteriet;
• omgivningstemperatur;
• omgivande luftfuktighetsnivå.

Baserat på de presenterade parametrarna görs montering av laddningskontrollern för hand eller väljs en färdig enhet.

Laddningskontroller för batterier som används i vindkraftsanläggningar. En industriellt tillverkad apparat, som man vid val endast behöver noggrant studera de tekniska specifikationerna för exakt anpassning till det befintliga systemet.

Självklart är det önskvärt att du väljer (eller sätter ihop) en enhet vars kretsdesign ger en funktion för mjukstart under förhållanden med svaga luftflöden. En styrenhet som är avsedd för drift med batterier med olika spänning (12, 24, 48 volt) är också välkommen.

Slutligen, vid beräkning (val) av styrenhetens krets rekommenderas att du inte glömmer funktionen för inverterstyrning.

Val av batteri för systemet

I praktiken används batterier av olika typer och nästan alla är fullt användbara i ett vindkraftssystem. Men ett specifikt val måste göras i alla fall. Beroende på vindkraftssystemets parametrar väljs batteriet efter spänning, kapacitet och laddningsförhållanden.

Traditionella komponenter för hushållsvindkraftverk är klassiska bly-syra-batterier. De har visat goda resultat i praktisk mening. Dessutom är kostnaden för denna typ av batterier mer acceptabel jämfört med andra typer.

Bly-syra-batterier är särskilt okänsliga för laddnings-/urladdningsförhållanden, men det är inte tillåtet att inkludera dem i systemet utan en styrenhet.

Om vindkraftverket har en professionellt utförd laddningsregulator med ett fullt automatiskt system, verkar det rationellt att använda batterier av typen AGM eller gel.

Batteribank för ett hushållsvindkraftverk. Inte den bästa driftslösningen med tanke på kabelskaoset och lagringskraven. Med ett sådant tillstånd för energilagring kan man inte förvänta sig långsiktig drift.

Båda typerna av energilagring kännetecknas av högre effektivitet och lång livslängd, men ställer höga krav på laddningsförhållanden.

Samma sak gäller för så kallade pansarbatterier av geltyp. Men valet av dessa batterier för hushållsvindkraftverk begränsas av priset. Livslängden för dessa dyra batterier är dock den längsta jämfört med alla andra typer.

Dessa batterier utmärker sig också genom en längre laddnings-/urladdningscykel, men under förutsättning att en kvalitativ laddare används.

Beräkning av växelriktare för hemvindkraft

Man bör genast påpeka: om konstruktionen av en hemmavindkraftanläggning har ett enda 12-voltsbatteri, är det helt meningslöst att installera en växelriktare i ett sådant system.

I genomsnitt är hushållets effektförbrukning minst 4 kW vid toppbelastningar. Slutsatsen är att antalet batterier för en sådan effekt måste vara minst 10 stycken och helst för 24 volts spänning. För ett sådant antal batterier är det meningsfullt att installera en växelriktare.

Men för att fullt ut förse 10 batterier med 24 V vardera och stabilisera deras laddning krävs en vindkraftverk med en effekt på minst 2-3 kW. Uppenbarligen kan enkla hushållskonstruktioner inte uppnå en sådan effekt.

En lågeffektiv växelriktare (600 W) som kan användas för ett litet hushålls kraftsystem. Från en sådan enhet kan man driva en TV eller ett litet kylskåp med 220 V. Det räcker inte till lamporna i en takkrona.

Icke desto mindre kan växelriktarens effekt beräknas på följande sätt:

1. Summera effekten av alla förbrukare.
2. Bestäm förbrukningstiden.
3. Bestäm toppbelastningen.

I ett konkret exempel skulle det se ut så här.

Antag att belastningen består av hushållsapparater: 3 belysningslampor på 40 W vardera, en TV-mottagare på 120 W, ett kompakt kylskåp på 200 W. Summera effekten: 3*40+120+200 och vi får 440 W.

Bestäm förbrukarnas effekt för en genomsnittlig period på 4 timmar: 440*4=1760 W. Baserat på det erhållna effektvärdet över förbrukningstiden är det logiskt att välja en växelriktare bland enheter med en uteffekt på minst 2 kW.

Med detta värde som grund beräknas den erforderliga enhetens volt-amperekarakteristik: 2000*0,6=1200 V/A.

Klassisk krets för produktion och distribution av energi från en hushållsvindgenerator. Men för att förse ett sådant antal apparater med långvarig energi krävs en tillräckligt kraftfull anläggning (+)

I verkligheten kommer belastningen från ett hushåll med tre personer, fullt utrustat med hushållsapparater, att vara högre än i exemplet. Vanligtvis överskrider belastningens anslutningstid även de antagna 4 timmarna. Följaktligen kommer en kraftfullare växelriktare för vindenergisystemet att krävas.

En preliminär beräkning av vindkraftverket är inte bara användbar för egen montering. Det är också nödvändigt att bestämma optimala parametrar vid val av en färdig vindgenerator.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Hur analys av indata går till och hur formler tillämpas visas på videon:

Beräkningsdata måste användas i alla fall. Vare sig det är en industriell kraftanläggning eller en tillverkad för hushållsbruk, så medför beräkningen av varje komponent maximal effektivitet och framför allt driftsäkerhet.

Förberedda beräkningar avgör projektets genomförbarhet och hjälper till att fastställa hur kostsamt eller ekonomiskt projektet blir.

Har du erfarenhet av sådana uppgifter? Eller har du frågor om ämnet? Dela gärna dina kunskaper om beräkning och design av vindgeneratorer. Kommentarer och frågor kan lämnas i formuläret nedan.