Мощность ветряка от диаметра

Правильный расчет ветрогенератора: что нужно учитывать при подсчете мощности ветроколеса?

Обновлено: 9 января 2021

Важный нюанс при покупке ветряка

Прежде чем приобрести или изготовить ветрогенератор, необходимо определиться с его мощностью, собственной потребностью в энергии и прочих параметрах устройства. Это принципиально важно при покупке ветряка, так как цены настолько велики, что приходится покупать устройство, которое пользователь сможет осилить по финансам. В некоторых случаях возможности оказываются настолько низкими, что приобретение уже не имеет смысла.

Расчет мощности ветрогенератора

Самостоятельное изготовление ветряка также нуждается в предварительном расчете. Никому не хочется потратить время и материалы на изготовление неведомо чего, хочется иметь представление о возможностях и предполагаемой мощности установки заранее. Практика показывает, что ожидания и реальность между собой соотносятся слабо, установки, созданные на основе приблизительных прикидок или предположений, не подкрепленных точным расчетами, выдают слабые результаты.

Произвести точный расчет с учетом всех факторов, воздействующих на ветряк, достаточно сложно. Для неподготовленных в теоретическом отношении мастеров такой расчет слишком сложен, он требует обладания множеством данных, недоступных без специальных измерений или расчетов.

Поэтому обычно используются упрощенные способы расчетов, дающие достаточно близкие к истине результаты и не требующие использования большого количества данных.

Как произвести?

Для расчета ветрогенератора надо произвести следующие действия:

• определить потребность дома в электроэнергии. Для этого необходимо подсчитать суммарную мощность всех приборов, аппаратуры, освещения и прочих потребителей. Полученная сумма покажет величину энергии, необходимой для питания дома
• полученное значение необходимо увеличить на 15-20 %, чтобы иметь некоторый запас мощности на всякий случай. В том, что этот запас нужен, сомневаться не следует. Наоборот, он может оказаться недостаточным, хотя, чаще всего, энергия будет использоваться не полностью
• зная необходимую мощность, можно прикинуть, какой генератор может быть использован или изготовлен для решения поставленных задач. От возможностей генератора зависит конечный результат использования ветряка, если они не удовлетворяют потребностям дома, то придется либо менять устройство, либо строить дополнительный комплект
• расчет ветроколеса. Собственно, этот момент и является самым сложным и спорным во всей процедуре. Используются формулы определения мощности потока

Для примера рассмотрим расчет простого варианта. Формула выглядит следующим образом:

Где P — мощность потока.

K — коэффициент использования энергии ветра (величина, по своей сути близкая к КПД) принимается в пределах 0,2-0,5.

R — плотность воздуха. Имеет разные значения, для простоты примем равную 1,2 кг/м 3 .

V — скорость ветра.

S — площадь покрытия ветроколеса (покрываемая вращающимися лопастями).

Считаем: при радиусе ветроколеса 1 м и скорости ветра 4 м/с

P = 0,3 × 1,2 × 64 × 1,57= 36,2 Вт

Результат показывает, что мощность потока равняется 36 Вт. Этого очень мало, но и метровая крыльчатка слишком мала. На практике используются ветроколеса с размахом лопастей от 3-4 метров, иначе производительность будет слишком низкой.

Что нужно учитывать?

При расчете ветряка следует учитывать особенности конструкции ротора. Существуют крыльчатки с вертикальным и горизонтальным типом вращения, имеющие разную эффективность и производительность. Наиболее эффективными считаются горизонтальные конструкции, но они имеют потребности в высоких точках установки.

Сооружение мачты может обойтись в большую сумму денег и значительные вложения труда. Кроме того, обслуживание ветряка, расположенного на высоте около 10 м над поверхностью земли чрезвычайно сложно и опасно.

Не менее важным будет обеспечение достаточной мощности крыльчатки для вращения ротора генератора. Устройства с тугими роторами, позволяющие получать хороший выход энергии, требуют немалой мощности на валу, что может обеспечить только крыльчатка с большой площадью и диаметром лопастей.

Не менее важным моментом являются параметры источника вращения — ветра. Перед производством расчетов следует как можно подробнее узнать о силе и преобладающих направлениях ветра в данной местности. Учесть возможность ураганов или шквалистых порывов, узнать, с какой частотой они могут возникать. Неожиданное возрастание скорости потока опасно разрушением ветряка и выводом из строя преобразующей электроники.

Реальная мощность самодельного ветрогенератора

Особенностью самодельных устройств является использование подручных материалов и устройств. В таких условиях обеспечить полноценное соответствие проектным данным не всегда удается. При этом, разница в расчетных и реальных показателях может оказаться как отрицательной, так и положительной.

Величины, определяющие возможности комплекта, это мощность ветроколеса и генератора. Насколько они будут соответствовать друг другу, такая и общая мощность ветрогенератора будет получена в результате.

Например, если генератору для номинальной производительности требуется скорость вращения в 2000 об/мин, то никакое ветроколесо не сможет обеспечить нужные значения.

Поэтому прежде всего следует подбирать тихоходные образцы генераторов, способные на выработку больших количеств энергии при низких скоростях вращения. Для этого модернизируются готовые устройства (например, устанавливаются неодимовые магниты на ротор автомобильных генераторов), изготавливаются собственные конструкции на базе тех же неодимовых магнитов с заранее подсчитанной мощностью и производительностью.

Расчет параметров ветроколеса

Расчет ветроколеса имеет важное значение при создании ветрогенератора. Именно крыльчатка принимает на себя поток ветра, передает его энергию в виде вращательного движения на ротор генератора. Для расчета потребуется, прежде всего, знание параметров генератора — мощность, номинальная скорость вращения ротора и т.д.

Следует учитывать, что увеличение количества лопастей снижает скорость вращения, но увеличивает мощность вращательного движения. Соответственно, малое число лопастей надо применять на быстроходных генераторах, а большое количество —торах, нуждающихся в большом усилии вращения.

Формула быстроходности ветроколеса выглядит следующим образом:

Где Z — искомая величина (быстроходность),

L — длина окружности, описываемой лопастями.

W — частота (скорость) вращения крыльчатки.

V — скорость ветра.

Специалисты рекомендуют для самостоятельного изготовления выбирать многолопастные образцы с количеством лопастей от 5 штук. Они не требовательны к балансировке, имеют более стабильную аэродинамику и более активно принимают на себя энергию воздушного потока.

Сколько экономии энергии дает ветряк?

Величина экономии, полученной от использования ветрогенератора, рассчитывается по собственным данным. Она складывается, с одной стороны из расходов на приобретение и сборку ветряка или его деталей, расходов на обслуживание комплекта. С другой стороны, учитывается стоимость сетевой электроэнергии в данном регионе, либо цена подключения и прочие расходы, связанные с этим.

Разница полученных величин и будет являться величиной экономии. Необходимо учесть также отсутствие возможности для подключения в некоторых районах, когда ветрогенератор становится единственным доступным вариантом. В таких случаях разговор об экономии становится неуместным.

Сколько электроэнергии вырабатывает?

Количество вырабатываемой энергии зависит от параметров крыльчатки и собственно генератора. Максимально возможным количеством следует считать номинальные данные генератора, уменьшенные на величину КИЭВ крыльчатки. На практике показатели намного ниже, так как в получении результата большое значение имеет скорость ветра, которую невозможно заранее предсказать.

Кроме того, имеются различные тонкие эффекты, в сумме оказывающие заметное влияние на конечную производительность ветряка. Принципиально важными значениями являются диаметр крыльчатки и скорость ветра, от них напрямую зависит количество полученной энергии.

Минимальная скорость ветра для ветряка

Минимальная скорость ветра — в данном случае это величина, при которой лопасти ветряка начинают вращаться. Это значение показывает степень чувствительности крыльчатки, но на конечный результат влияет слабо. Генератор имеет собственные потребности, для него само по себе вращение еще не решает все вопросы.

Требуется определенная скорость и стабильность движения, отсутствие резких рывков. Рассматривать минимальную скорость вращения следует только с позиций общей эффективности рабочего колеса, позволяющей оценивать его способность обеспечить выработку энергии на слабых потоках.

Источник

Ветрогенератор своими руками: расчет винта и генератора переменного тока

Продолжая тему, посвященную ветроэнергетике в домашнем хозяйстве, считаем своим долгом рассказать о конструкции ветрогенератора – ключевого элемента системы. Статья ориентирована на тех, кто планирует собирать «сердце» ветроэнергетической установки своими руками.

Судя по опыту пользователей FORUMHOUSE, которые не привыкли искать легких путей, сборка ветрогенератора своими силами – задача, вполне осуществимая. И первое, что необходимо выполнить для ее успешной реализации – это правильно рассчитать основные элементы установки.

Для того чтобы основные моменты, представленные в настоящей статье, были вам понятны, рекомендуем ознакомиться с материалами, изложенными в ее первой и второй частях.

Из статьи вы узнаете:

• Как правильно рассчитывать рабочий винт ветрогенератора.
• Какие типы генераторов больше всего подходят для сборки в домашних условиях.
• Как рассчитывать рабочие характеристики генератора переменного тока.

Расчет рабочего винта (ветроколеса)

Преобразование механической энергии воздушного потока в энергию электрическую начинается с рабочего винта. Поэтому методику расчета ветроколеса мы рассмотрим в первую очередь. Сделаем это на примере наиболее распространенного трехлопастного винта с горизонтальной осью вращения.

Ключевое правило, которого следует придерживаться, осуществляя расчет ветряка, заключается в следующем: мощность ветрового потока, которую можно снять с рабочих лопастей устройства, должна соответствовать электрической мощности самого генератора. Объясним почему: если мощность винта будет слишком малой, то даже при сильном ветре винт не сможет стронуть с места ротор генератора, находящегося под нагрузкой. Если же, наоборот, винт окажется слишком мощным для генератора, то при сильном ветре он раскрутит ротор до очень высоких оборотов, что неизбежно приведет к разрушению всей установки.

Учитывая этот момент, рассмотрим порядок расчета трехлопастного винта в соответствии с заданными характеристиками генератора. Предположим, что у вас уже есть генератор, с номинальной мощностью 300 Вт*ч (к примеру). Также представим, что свои номинальные характеристики устройство будет демонстрировать при оборотах ротора – 150 об/мин. Если средняя скорость ветра в вашей местности составляет 6 м/сек, то на нее и следует ориентироваться, осуществляя дальнейшие расчеты.

Далее: генератор переменного тока, на который ветроколесо передает вращательный момент, имеет свой собственный КПД (0,6…0,8). При различных условиях эксплуатации данный показатель может опускаться до более низких значений, поэтому в качестве примера возьмем КПД, равный 50%.

Для того чтобы устройство, обладающее подобным КПД, выдало необходимые 300 Вт*ч электрической мощности, на его ротор необходимо подать мощность, в два раза превышающую ту, которую требуется с него снять. То есть, механическая мощность, передаваемая на генератор с ветроколеса, должна быть равна 600 Вт.

Средний КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) у трехлопастных винтов равен 0,4 (это и будет КПД ветроколеса). Следовательно, мощность ветра (Х), которая должна воздействовать на рабочие лопасти ветряка (чтобы снять с них 600 Вт), можно вычислить, решив уравнение:

Х = 600:0,4 = 1500 Ватт.

Итак, количество необходимой энергии нам известно, теперь рассчитаем площадь, ометаемую рабочими лопастями ветроколеса (S).

Вот нашел формулу: P = 0,5 *Q * S * V³ * Cp * Ng

• P – мощность (Вт);
• Q – плотность воздуха (1,23 кг/м³);
• S – площадь ометания ветроколеса (м²);
• V – скорость ветра (м/с);
• CP – коэффициент использования энергии ветра (0,35…0,45);
• Ng – КПД генератора;

Плотность воздуха – неизменна, площадь ометания ротора – тоже.

Эта формула обозначает мощность на выходных клеммах генератора. Учитывая, что значение мощности (1500 Вт) мы изначально взяли с учетом КИЭВ ветроколеса и КПД генератора, последние два значения из формулы убираем.

Мощность ветра, которую воздушный поток передает на ветроколесо, будет равна:

P = 0,5 *Q * S * V³

Все значения, входящие в формулу, нам известны (кроме площади – S). Решив простейшее уравнение, получим:

S = 1500/0,5*1,23*6³ = 11,292 м²

Площадь круга вычисляется по формуле:

S = πr²

где π – математическая константа (3,14), а r² – квадрат радиуса окружности ветроколеса.

В нашем случае r² = 11,292/3,14 = 3,596.

Следовательно, радиус ветроколеса будет равен 1,89 м, а его диаметр – 3,78 м.

Теперь необходимо удостовериться в том, что такое ветроколесо сможет при ветре – 6 м/с развить достаточное количество оборотов. В этом нам поможет коэффициент быстроходности ветряка – Z (у трехлопастных устройств Z=5).

Окружная (концевая) скорость лопастей ветряка с коэффициентом быстроходности Z5 будет равна произведению коэффициента (Z) на скорость ветра (6*5=30 м/с). Периметр ветроколеса диаметром 3,78 метра равен 11,87 м (L=2πr). Это длина его окружности по внешнему диаметру лопастей, то есть, расстояние, которое конец каждой лопасти проходит за один оборот. Следовательно, за секунду каждая лопасть сделает 2,53 оборота (30 м/с делим на 11,87 м) или 151 оборот за минуту. Что нам и требовалось.

Для того чтобы увеличить обороты, мы можем уменьшить диаметр ветроколеса, но мощность винта в этом случае снизится.

Уменьшение диаметра ветроколеса должно давать увеличение оборотов. Его можно уменьшать до тех пор, пока мощности винта будет хватать для прокручивания генератора под нагрузкой. Это и будут оптимальные параметры.

Мы представили вашему вниманию методику «грубого» расчета ветроколеса, основанную на характеристиках генератора и существующих потребностях в альтернативной электроэнергии.

Учитывая, что большой ветряк и построить сложно, и обслуживать – непросто, конструкцию рабочего винта можно рассчитать под конкретные условия эксплуатации (добавляя или уменьшая количество лопастей, а также меняя при этом их длину). Это поможет изменить коэффициент быстроходности, а, следовательно, и количество оборотов. Также при недостаточном количестве оборотов мощные ветрогенераторы (особенно многолопастные – тихоходные) оснащаются дополнительным редуктором-мультипликатором.

При малых скоростях вращения ротора выработки электроэнергии нет вообще. Мультипликатор решает эту проблему даже при малых оборотах.

Как бы мастер ни старался, самодельный ветрогенератор всегда будет далек от совершенства: самодельные лопасти, самодельные катушки – при изготовлении всего этого трудно соблюсти рекомендуемые аэродинамические и электротехнические параметры. И если в теории мы рассчитали, что ветроколесо диаметром 3,78 метра (при ветре 6 м/с) позволит получить нам 300 Вт*ч электроэнергии, на практике этот показатель можно смело уменьшить на 30%. Этим самым мы на стадии расчетов учтем недостатки кустарной сборки и возможные потери мощности.

Расчет генератора

Рассмотрим последовательность расчета трехфазного генератора переменного тока на постоянных магнитах. Трехфазные генераторы получили значительно более широкое распространение (нежели однофазные) за счет своих характеристик: отсутствие сильных вибраций и гула во время работы, улучшенные характеристики по мощности, току и т. д.

Мощность генератора зависит от целого ряда факторов: скорость вращения, величина магнитной индукции, количество витков на обмотках статора и т. д. Также она напрямую зависит от величины ЭДС генератора, которая определяется по формуле:

E=B•V•L

• E – ЭДС (В);
• B – величина магнитной индукции (Тс);
• V – линейная скорость движения магнитов (м/с) – произведение длины окружности ротора на количество оборотов;
• L – активная длина проводника (м), которую перекрывают магниты генератора.

Среднее значение индукции постоянных магнитов, используемых в составе генераторов переменного тока, равно 0.8 Тл. Его можно смело применять во время осуществления предварительных расчетов.

Рассмотрим последовательность предварительного расчета трехфазного аксиального генератора, пользуясь примером, который предложил один из пользователей FORUMHOUSE.

Вот, что я имею: 24 магнита (неодимовые) толщиной – 5 мм, шириной – 9.5 мм, длиной – 20 мм. Имею среднегодовую скорость ветра – 5 м/сек. Планирую сделать два ротора – по 12 магнитов на роторе (то есть – 12 полюсов). Соотношение полюсов и катушек – 2/3 (на каждые 2 полюса идет 3 катушки). Получаем 12 полюсов и 18 катушек (по 12 магнитов на каждом диске ротора). Ветроколесо выбрал диаметром 2 метра (двухлопастное). Его быстроходность – Z7. При ветре 5 м/с ветряк должен развивать 334 об/мин (334/60= 5,6 об/сек).

Пользователя интересовал расчет дискового генератора аксиального типа.

Преимущества аксиальных генераторов заключаются в отсутствии магнитного залипания, что позволяет им стартовать при сравнительно небольшой скорости ветра (около 2-х м/с). Основной их недостаток, в сравнении с классическими самодельными моделями, заключается в том, что для получения одинаковой мощности на сборку аксиального генератора необходимо потратить, как минимум, в 2 раза больше магнитов.

Под классическими моделями подразумеваются устройства, изготовленные из асинхронного двигателя или из стандартного автомобильного генератора.

Источник