Ветроэнергетика привлекает все больше внимания общества, что подтверждается множеством примеров из повседневной жизни.
Построив ветряные турбины своими силами, владельцы загородных домов получают временный результат из-за недостаточно точного расчёта конструкции во время сборки.
Нежелательно тратить время и ресурсы на воплощение проекта, чтобы в итоге получить малоэффективный агрегат.
Статья посвящена решению этих вопросов. Теоретический материал дополнен наглядными примерами и практическими рекомендациями по сборке ветроэнергетической установки.
Расчёт ветрогенераторной установки
С чего начать расчет системы воспроизводства электроэнергии от ветровой энергии? Учитывая, что речь идет о ветрогенераторе, первым шагом является анализ направления и силы ветра в данной местности.
Скорость ветра и его типичное направление для этой местности – существенные расчетные параметры. От них в некоторой степени зависит реальный уровень мощности ветротурбины.
Этот процесс длительный, не менее месяца. Определить максимальную вероятность параметров скорости ветра и его наибольшее частотное направление невозможно несколькими измерениями.
Построит эффективно и продуктивно систему возможно только при выполнении десятков измерений.
Как вычислить мощность ветряка
Ветряные электростанции домашнего использования, особенно самодельные, не поражают своей мощностью. Несложно представить массивную мачту высотой 8-10 метров с генератором и лопастями диаметром более 3 метров. Это не самое мощное устройство – всего около 2 кВт.
Стандартная таблица показывает зависимость мощности ветрогенератора от размера лопастей. Результаты впечатляют: для генератора в 10 Вт требуется двадцатисантиметровый винт.
Для устройства мощностью 500 ватт нужен будет винт диаметром 14 метров. Размер размаха лопастей зависит от их числа. Чем больше лопастей, тем меньше размах.
Эта теория основана на скорости ветра, которая не превосходит 4 метра в секунду. В реальности ситуация отличается: мощностью устройств бытового назначения, работающих длительное время, ещё ни разу не достигали 500 ватт.
В связи с этим мощность обычно устанавливается в пределах 250-500 Вт при среднем скоросте ветра 6-8 м/с.
С точки зрения теории мощность ветроэлектростанции определяется по формуле.
N=p*S*V3/2,
где:
- p – плотность воздушных масс;
- S Суммарная площадь поверхности лопастей воздушного винта, подвергающаяся потоку воздуха.
- V — скорость воздушного потока;
- N – мощность потока воздуха.
Из-за того что величина N существенно влияет на производительность ветроэлектростанции, фактическая мощность установки приблизится к рассчитанному значению N.
Расчёт винтов ветряных установок
При сооружении ветряной мельницы часто используют два типа лопастей.
- крыльчатые — вращение в горизонтальной плоскости;
- ротор Савониуса, ротор Дарье — вращение в вертикальной плоскости.
Формулу для расчёта винтовых конструкций с вращением в любых плоскостях можно найти следующим образом.
Z= L*W/60/V
где:
- Z – степень быстроходности (тихоходности) винта;
- L Диаметр круга, образованного очертаниями лопат.
- W – скорость (частота) вращения винта;
- V – скорость потока воздуха.
Используя данную формулу, можно с лёгкостью определить количество оборотов W — частоту вращения.
Этот тип винта признаётся эффективным при создании ветряных электростанций малой мощностности и габаритов. Расчёт конструкции винтовой системы имеет свои особенности.
Рабочее отношение оборотов и скорости ветра можно посмотреть в таблицах, которые есть в интернете. Например, для винтов с двумя лопастями и Z=5, верно следующее соотношение:
| Число лопастей | Степень быстроходности | Скорость ветра м/с |
| 2 | 5 | 330 |
Важным параметром работы ветряной установки является шаг лопастей.
Этот параметр возможно вычислить по формуле.
H=2πR* tg α,
где:
- 2π – константа (2*3.14);
- R – радиус, описываемый лопастью;
- tg α – угол сечения.
О форме и количестве лопастей, а также инструкцию по изготовлению можно найти дополнительно в … этой статье.
Подбор генераторов для ветряков
Зная рассчитанное количество оборотов винта (W), которое получается с помощью описанного метода, можно начать подбирать (изготавливать) генератор соответствующей конструкции.
При быстроходности Z=5, двух лопатках и частоте оборотов 330 об/мин при скорости ветра 8 м/с мощность генератора примерно равна 300 Вт.
С такими характеристиками для бытовых ветряных электростанций может подойти мотор из современных электровелосипедов, выпускаемый китайскими производителями под названием «веломотор».
Технические параметры электровеломотора таковы:
| Параметр | Значения |
| Напряжение, В | 24 |
| Мощность, Вт | 250-300 |
| Частота вращения, об/мин. | 200-250 |
| Крутящий момент, Нм | 25 |
Положительной особенностью веломоторов является то, что их почти не требуется переделывать: их конструктивно разрабатывали как электродвигатели с низкими оборотами, и это позволяет им быть пригодными для применения в ветрогенераторах.
Для изготовления ветряка можно использовать автомобильный генератор или собрать агрегат из стиральной машинки.
Расчёт и выбор контроллера заряда
Для любой ветроэнергетической системы, независимо от назначения, требуется контроллер заряда аккумуляторов.
Эту систему рассчитывают, выбирая схему электронного блока, подходящую по показателям работы ветрового агрегата.
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 Самостоятельно или покупка готового устройства.
Лучше всего выбирать устройство, схема которого предусматривает лёгкий запуск при слабом воздушном потоке. Контроллер, работающий от аккумуляторов различного напряжения (12, 24, 48 вольт), также желателен.
При проектировании схемы контроллера важно помнить о возможном управлении инвертором.
Подбор аккумуляторной батареи для системы
В практике применяются аккумуляторы разных типов, почти все из которых подходят для использования в ветряной энергетической системе. Однако при этом выбор всё равно нужно делать. Подбор аккумулятора проводится по напряжению, емкости и условиям заряда с учетом параметров системы ветряка.
Для домашних ветряков традиционно используют кислотно-свинцовые аккумуляторы. Практика демонстрирует их хорошие показатели, а цена на них ниже, чем на другие виды аккумуляторов.
Свинцово-кислотные аккумуляторы не требовательны к условиям зарядки и разрядки, но использовать их без контроллера нельзя.
Ветрогенераторные установки с качественно смонтированным зарядным контроллером, оснащенным полной системой автоматики, целесообразно комплектовать аккумуляторами типа AGM или гелиевыми.
Два типа аккумуляторов обладают высокой эффективностью и длительным сроком работы, однако требуют соблюдения строгих условий зарядки.
То же справедливо и для так называемых герметичных литий-ионных аккумуляторов гелиевого типа.
Но выбор таких аккумуляторов для бытового ветряка существенно ограничен ценой.
Впрочем, срок службы этих дорогостоящих батарей самый продолжительный по сравнению со всеми другими видами.
Аккумуляторы отличаются большим количеством циклов заряда/разряда, но при использовании качественного зарядного устройства.
Расчёт инвертора под домашний ветряк
Нужно отметить, что установка инвертора в системе с одним аккумулятором на 12 вольт теряет всякий смысл.
Средний расход энергии бытового хозяйства при максимальной нагрузке равен минимум 4 кВт. Следовательно, для такой мощности требуется не менее десяти аккумуляторных батарей, предпочтительно на напряжение 24 вольта. Такое количество АКБ оправдывает установку инвертора.
Для полного питания десяти аккумуляторов по 24 вольта каждый и поддержания заряда необходимо минимум ветряное электростанция в 2-3 киловатта. Для небольших домашних устройств такая мощность недоступна.
Тем не менее, вычислить мощность инвертора можно следующими шагами.
- Суммировать мощность всех потребителей.
- Определить время потребления.
- Определить пиковую нагрузку.
На конкретном примере это будет выглядеть так.
Предположим, нагрузка состоит из бытовых приборов: три лампы по 40 ватт каждая, телевизор мощностью 120 ватт и холодильник – 200 ватт. Суммируем мощность: 3*40 + 120 + 200 и получаем 440 ватт.
Расчет мощности потребителей за 4 часа составил 1760 Вт (440*4=1760). Следовательно, для инвертора следует выбирать модель с выходной мощностью не менее 2 кВт.
Исходя из этого значения, вычисляется вольт-амперная характеристика нужного устройства: 2000 * 0,6 = 1200 В/А.
Нагрузка от домашнего хозяйства в семье из трех человек с полным набором бытовой техники будет выше расчетной, приведенной в примере. Время подключения нагрузки обычно превышает 4 часа, указанные в примере. В связи с этим инвертор ветряной энергосистемы потребуется более мощный.
Предварительный расчет ветряка полезен не только для его самостоятельной сборки, но и для определения оптимальных параметров. выборе готового ветрогенератора.
Выводы и полезное видео по теме
Видео демонстрирует процесс анализа исходных данных и применение формул.
Расчетные данные необходимы независимо от назначения установки: промышленной или бытовой. Расчет каждого узла гарантирует максимальную эффективность работы и, прежде всего, безопасную эксплуатацию.
Расчеты позволяют оценить выгодность проекта и определить его финансовую эффективность.
Есть ли у вас опыт работы с такими заданиями? Хотите узнать больше по теме? Разделитесь своими знаниями о расчете и проектировании ветротурбины. Оставьте свои комментарии и вопросы в форме ниже.