Расчет выработки электроэнергии ветрогенератором

Расчет выработки энергии ветрогенераторной станцией

Ветрогенератор в автономной системе очень нужен. По большей части тем, что его выработка не имеет ярко выраженной зависимости от сезонов. Солнечные батареи, в наших широтах, хорошо работают летом и плохо зимой, тогда как ветрогенераторы сохраняют свою эффективность в зимний период. Немало важно то, что сильные ветра, как правило, наблюдаются в пасмурную погоду, поэтому совместное применение ветрогенераторов и солнечных панелей достаточно обоснованно. В этой статье мы рассматриваем малые ветроэнергетические установки (ВЭУ) т.е. установки мощностью от 40 Вт до 20 кВт.

Ветрогенераторы достаточно эффективны в прибрежных районах, либо на возвышенностях, где скорости ветра выше и ветра чаще. На большей части территории России средняя скорость ветра составляет 4-5 метров в секунду, что создает неблагоприятные условия для применения ветрогенераторов (и это на высоте 10 м от поверхности земли, стандартная высота расположения анемометра на метеостанциях). Но данные усреднены, поэтому следует изучить энергопотенциал конкретной местности, если существует подозрение, что ветрогенератор может быть эффективен.

Основная проблема ветровых станций заключается в том, что их эффективность мала при низких скоростях ветра. Если внимательно посмотреть на кривую зависимости мощности от скорости ветра, то можно обнаружить следующее: стартовая скорость большинства современных ВЭУ располагаться в пределах 3 — 4 м/с. Но необходимо, чтоб ветровой поток продержался на этом уровне не наименее 10 мин, лишь тогда автоматика даст позволение на запуск ВЭУ. При этом более-менее ощутимая, выработка энергии начнется только при 7 метрах в секунду, а ВЭУ, трудящаяся при средней скорости 6 м/с, генерирует емкость на 44 % большую, чем при скорости 5 м/с…

Многие хотят уменьшить начальную скорость ветра при котором начинается вращаться турбина до 1-2 м/с — мол слабый ветер бывает всегда и пусть в аккумуляторы всегда что-то «капает». Однако, при такой скорости ветер имеет ОЧЕНЬ мало энергии. Если ветрогенератор и вся система рассчитаны на 3-5кВт, то 5-10 Вт не решат никаких проблем.

Перейдем теперь к методам расчета систем с ветряными электростанциями. Покупая устройство, вы будете знать его заявленную номинальную мощность, а также найдете в инструкции график зависимости мощности вырабатываемой «ветряком» от скорости ветра.

Из формулы P=( η*КИЭВ* ρ*V 3 *π*D 2 )/8 видно, что мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра и квадрату диаметра колеса турбины. Это означает, что при увеличении скорости ветра вдвое, мощность потока возрастет в 8 раз, а при увеличении длины лопастей вдвое, мощность ветрогенератора возрастет в 4 раза.

В таблице приведены величины мощности ветровой турбины, в зависимости от скорости ветра и диаметра колеса турбины. Коэффициент эффективности турбины k = 0,25.

V м/с	3	4	5	6	7	8	9	10	11
P Вт d = 1м	3	8	15	27	42	63	90	122	143
P Вт d = 2м	13	31	61	107	168	250	357	490	650
P Вт d = 3м	30	71	137	236	376	564	804	1102	1467
P Вт d = 4м	53	128	245	423	672	1000	1423	1960	2600
P Вт d = 5м	83	196	383	662	1050	1570	2233	3063	4076
P Вт d = 6м	120	283	551	953	1513	2258	3215	4410	5866
P Вт d = 7м	162	384	750	1300	2060	3070	4310	6000	8000
P Вт d = 8м	212	502	980	1693	2689	4014	5715	7840	10435
P Вт d = 9м	268	635	1240	2140	3403	5080	7230	9923	13207
P Вт d = 10м	331	784	1531	2646	4200	6270	8930	12250	16300

Вы видите, как сильно возрастает величина мощности ветрового потока при увеличении скорости ветра только на 1 м/с.

Прежде чем звонить в компанию занимающуюся продажей ветрогенераторных установок надо узнать две цифры:

1) Потребление электроэнергии в месяц в киловатт-часах — все платят за электричество в квартирах или домах ежемесячно и эта цифра поможет оценить Ваши потребности.

Можно эту цифру посчитать примерно и самому, например:

1. Лампочка (сразу лучше меняйте на энергосберегающие или LED) — 20Вт — эквивалент 100Вт обычной (1кВт — это 1000Вт, то есть 20Вт — это 0,02кВт) горит 5 часов в день, поэтому мощность в кВт умножаем на часы работы в месяц — 0,02 * 5 * 30(дней в месяце) = 3кВт*часа в месяц.

2. Холодильник 300Вт, работает примерно 30% времени, то есть 8 часов в сутки — 0,3 * 8 * 30 = 72кВт*часа в месяц.

3. Электрочайник 1,5 кВт, работает 0,5 часа в день — 1,5 * 0,5 *30 = 22,5кВт*часа в месяц

И так далее по всем приборам.

Потом всё суммируете — 3 + 72 + 22,5 = 97,5кВт*час в месяц.

Это и есть месячное потребление — примерно 100кВт*час в месяц в данном примере.

2) Среднегодовая скорость ветра в предполагаемом месте установки — её можно приблизительно узнать в ближайшей метеостанции.

Для выбора инвертора надо знать максимальную (пиковую) мощность потребления электроприборов с небольшим запасом — по ней выбирается его мощность. При наличии этих показателей можно быстро и грамотно подобрать необходимое оборудование, обратившись к продающей его организации.

При выборе оборудования не стоит опираться на мощность ветрогенератора — она сильно зависит от скорости ветра. Это только в бензогенераторе она соответствует указанной в паспорте. 5кВт ветрогенератор при слабом ветре (3-4м/с) выдаёт всего 0,1-0,2 кВт.

Очень часто покупатель ориентируется на максимальную (пиковую) мощность своего потребления и просит постоянно эту мощность — например 5кВт, как в бензогенераторе, например — начинаем разбираться, считать — и оказывается, что для лампочек, холодильника, телевизора и насоса вполне хватает 0,5кВт постоянной мощности — а это две большие разницы. Оценивать своё электропотребление нужно только по киловатт — часам в месяц.

Но и не стоит определять среднюю выдаваемую ветрогенератором мощность по среднегодовой скорости ветра — это будет намного заниженная цифра.

Существует атлас ветров России, в котором есть данные по ветру в 332 метеостанциях. «Роза ветров» так часто употребляемая обывателем в данной теме к ней относится «поскольку-постольку» — это статистика по направлениям ветра, а ветрогенератору всё равно — как часто с какой стороны дует. А вот при определении места установки ветрогенератора «Розу ветров» лучше учитывать, чтобы на направлении основных ветров не оказались высокие строения, деревья и прочие препятствия.

Выбор мачты

Какую мачту выбрать — с растяжками или без?

Если место позволяет, то лучше ставить мачту с растяжками — она будет стоить в 3-5 раз дешевле мачты без растяжек. В настоящее время накоплен уже довольно богатый опыт установки мачт для ветрогенераторов на территории РФ и он позволяет утверждать об этом однозначно.

Иногда предлагают телескопические мачты — они удобны при частых подъёмах и опусканиях, в чём нет особой необходимости при использовании с ветрогенератором. Мощный ветряк на неё не поставишь — не более 1-2кВт, зато стоить она будет намного дороже.

Какой высоты должна быть мачта?

При выборе высоты мачты учитывается рельеф, растительность (близость леса и отдельно стоящие деревья) и застроенность местности. Обычно это от 10 до 20 метров.

• Если местность открытая — практически на поле, например, то вполне хватит мачты высотой и 10м.
• Если местность застроена одноэтажными домиками и имеет небольшие деревья — больше подойдёт 15м мачта.
• Если же рядом двухэтажные дома и высокие деревья или лес — то лучше ставить мачту высотой 20м.

Для ветрогенераторов 1-4кВт мы предлагаем 8 и 12м мачты, поскольку более высокие стоят достаточно дорого для данного класса оборудования.

Конечно, чем выше мачта, тем лучше (чем больше высота — тем сильнее ветер, прямая зависимость), но не всегда более высокая мачта технически или экономически оправдывает себя. Посоветуйтесь со специалистом — обычно простого описания по телефону будет достаточно для определения оптимальной высоты мачты. При выборе высоты мачты учитывается рельеф, растительность (близость леса и отдельно стоящие деревья) и застроенность местности. Обычно это от 10 до 20 метров.

• Если местность открытая — практически на поле, например, то вполне хватит мачты высотой и 10м.
• Если местность застроена одноэтажными домиками и имеет небольшие деревья — больше подойдёт 15м мачта.
• Если же рядом двухэтажные дома и высокие деревья или лес — то лучше ставить мачту высотой 20м.

Высота мачты практически не зависит от мощности ветрогенератора (от 1 до 10кВт). Для ветрогенераторов 1-4кВт мы предлагаем 8 и 12м мачты, поскольку более высокие стоят достаточно дорого для данного класса оборудования.

Все вышесказанное относится к мачтам для ветровых генераторов с горизонтальной осью вращения. Для ветровых генераторов с вертикальной осью вращения при выборе мачты существуют свои резоны, в данной статье не рассматриваемые.

Источник

Расчет выработки энергии ветрогенераторной станцией

Немало статей размещено в интернете, в том числе и на нашем сайте, о том, как рассчитать систему с солнечными батареями для конкретного дома, дачи, офиса или производственного здания. Нельзя не затронуть тему расчета системы содержащей ветрогенератор.

Тонкости расчета вырабатываемой энергии ветрогенератором

Ветрогенератор в автономной системе крайне полезен. По большей части тем, что его выработка не имеет ярко выраженной зависимости от сезонов. Солнечные батареи хорошо работают летом и плохо зимой, тогда как ветрогенераторы сохраняют свою эффективность в зимний период. Немало важно то, что сильные ветра, как правило, наблюдаются в пасмурную погоду, поэтому совместное применение ветрогенераторов и солнечных панелей достаточно обоснованно.

Основная проблема ветровых турбин заключается в том, что их эффективность мала при низких скоростях ветра. Если внимательно посмотреть на кривую зависимости мощности от скорости ветра, то можно обнаружить следующее: турбина только начнет вращаться при скорости ветра около 3метров в секунду и, более-менее ощутимая, выработка энергии начнется только при 7метрах в секунду.

Ветрогенераторы достаточно эффективны в прибрежных районах, либо на возвышенностях, где скорости ветра выше и ветра чаще. На большей части территории России средняя скорость ветра составляет 4-5метров в секунду, что создает неблагоприятные условия для применения ветрогенераторов. Но данные усреднены, поэтому следует изучить энерго-потенциал конкретной местности, если существует подозрение, что ветрогенератор может быть эффективен.

Для повышения эффективности работы ветровых электростанций применяют различные технические решения:

• ветрогенератор размещают на высокой мачте. Приведем пример: если увеличить высоту мачты с 5 до 20метров, выработка увеличится в 2 раза;
• применяют ветрогенераторы с вертикальным расположением лопастей. Вертикальные турбины более эффективны при слабых ветрах, а также менее шумные, тем не менее, их стоимость значительно выше горизонтальных;
• применяют специальные контроллеры заряда, которые, при низкой скорости, ветра сначала дают лопастям раскрутиться, и только потом подключают нагрузку. В таком режиме ветрогенератор вырабатывает некоторое количество энергии, хоть и небольшое, при слабом ветре.

On-line калькулятор для расчета энергии «ветряка»

Перейдем теперь к методам расчета систем с ветряными электростанциями. Покупая устройство, вы будете знать его заявленную номинальную мощность, а также найдете в инструкции график зависимости мощности вырабатываемой «ветряком» от скорости ветра. Имея эти данные довольно сложно оценить количество вырабатываемой энергии, поэтому для дальнейших рассуждений нужно воспользоваться одной из специальных программ, учитывающих метеорологические данные в вашей местности. Мы предлагаем вам воспользоваться удобным сервисом — on-line калькулятор на нашем сайте. Программа учитывает местоположение установки, высоту мачты, а также рельеф местности. Если в электростанции имеются солнечные батареи, в калькуляторе можно произвести расчет для всей системы и получить данные и графики как суммарной, так и раздельной выработки энергии.

Рис.1. Расчет суточного потребления (нагрузки).

Рис.2. Подбор солнечных батарей и ветряка. Индивидуальные графики среднесуточной выработки.

Рис.3. Выгрузка графика среднесуточной выработки всех источников энергии.

Не стоит забывать о том, что программа никак не может брать в расчет влияние местных особенностей (предметов, деревьев, заграждающих зданий и т.п.), затеняющих солнечные батареи или вносящих турбулентности в поток воздуха, данные факторы следует учитывать отдельно.

Источник

Калькулятор расчета прогнозируемой мощности ветрогенератора

Рост цен на энергоносители заставляет многих владельцев домов задумываться над возможностью использования альтернативных источников энергии. Одним из вариантов видится использование ветрогенераторов. Источник – абсолютно легальный, так как никаких значимых ограничений по его использованию нет. И пока еще остается совершенно бесплатным – выработка электроэнергии таким способом в целях личного применения никакими налогами не облагается.

Калькулятор расчета прогнозируемой мощности ветрогенератора

Готовые ветровые энергетические установки – довольно дорогое удовольствие, поэтому домашние мастера начинают строить планы по самостоятельному их изготовлению. Но прежде чем приступать к реализации такого, признаемся, очень непростого и во многом спорного проекта, есть смысл хотя бы примерно прикинуть – какой же ожидается выход выработанной энергии. Иными словами, будет ли какая-то реальная отдача взамен затраченных средств, усилий, времени. В этом вопросе, возможно, окажет помощь предлагаемый калькулятор расчета прогнозируемой мощности ветрогенератора.

Ниже будет дан ряд пояснений по проведению расчета. Сразу оговоримся – приведенный алгоритм предназначен для оценки только осевых горизонтальных ветрогенераторов.

Калькулятор расчета прогнозируемой мощности ветрогенератора

Пояснения по проведению расчетов

Следует правильно понимать – никакой, даже самый совершенный и напичканный современной электроникой генератор не берет энергию ниоткуда, и не способен выдать больше того показателя, который определяется скоростью ветра и размерами ветряка. Иными словами, даже в идеальных условиях можно получить только ту энергию, которая переносится ветровым потоком через определенную площадь. Понятно, что площадью выступает в данном случае площадь круга, образованного вращением лопастей горизонтального ветряка.

Но весьма значительная часть этой энергии расходуется, так сказать, бесполезно – это создание завихрений воздуха, несоврешенсво крыльчатки, потери на силы трения в механике самого ветряка, системы передачи вращательного момента и в генераторе. Это банальный нагрев механизмов, потери в целях преобразования и передачи тока и многое другое. И считается очень неплохим показателем, если на выходе остается порядка 30÷40% от исходного энергетического потенциала. А на практике получается и того меньше.

Значит, задумывая создание ветровой энергетической установки, следует оценить, какое же от неё ожидается поступление электрической энергии. Оно зависит от скорости ветра (в кубической зависимости) и диаметра ветряка (в квадратичной).

Скорость ветра, понятное дело – величина непостоянная. Но для каждой местности рассчитаны среднегодовые показатели, на которые можно ориентироваться, если составляется прогноз на некоторую перспективу (месяц, год и т.п.). Эти показатели можно подсмотреть на карте схеме, размещённой ниже, но лучше все же уточнить в местной метеорологической службе.

Карта-схема среднегодовых скоростей ветра по регионам России

Итак, если есть намётки по размерам лопастей создаваемого генератора, можно провести и расчет мощности. Формула уже заложена в алгоритм калькулятора.

• Пользователю для начала предлагается указать скорость ветра. Некоторые пояснения на этот счет. Прогнозы выработки электроэнергии на определенный период проводятся именно по среднегодовой скорости. А вот номинальная мощность ВЭУ обычно вычисляется по так называемой расчётной скорости ветра, которая может быть в 1,5÷2 раза выше.
• Вторым пунктом указывается радиус ротора ветрогенератора, то есть расстояние от его оси до края лопасти.

(Интересно, что от количества лопастей ничего в данном случае не зависит. Точнее, даже несколько обратная картина – если лопастей больше трех, то может стать только хуже, так как теряется скорость вращения).

• Если известны показатели КПД самого генератора и системы передачи вращения (редуктора), то они указываются в соответствующих полях. Если таких данных нет – можно оставить без изменения по умолчанию.

Остается нажать на кнопку расчета и получить результат. При вычислении от среднегодовой скорости ветра имеется возможность представить, какое количество энергии можно будет получить за определенный период.

К великому разочарованию многих, показатели могут быть более чем скромными. Так что есть над чем подумать, прежде чем принимать какое-то решение.

Ветрогенератор – насколько реалистичны возлагаемые на него надежды?

Увы, говорить о простоте реализации такого проекта и обретении бесплатного источника энергии, который решит все проблемы — было бы большим преувеличением. Для начала следует реально оценить и приобретаемые выгоды, и неизбежные немалые затраты, и собственные возможности. Надеемся, в этом поможет публикация нашего портала «Ветрогенератор своими руками» .

Источник