Kā aprēķināt vēja ģeneratoru: formulas + praktisks aprēķina piemērs

Alternatīvā enerģija, kas iegūta no vēja elektrostacijām, rada lielu sabiedrības interesi.Par to ir daudz pierādījumu reālas ikdienas prakses līmenī.

Lauku īpašumu īpašnieki būvē vējdzirnavas savām rokām un ir apmierināti ar rezultātu, lai gan efekts var būt īslaicīgs. Iemesls ir tāds, ka montāžas laikā vēja ģenerators netika pareizi aprēķināts.

Piekrītu, es negribētu tērēt laiku un naudu projekta īstenošanai un beigties ar neefektīvu uzstādīšanu. Tāpēc ir svarīgi saprast, kā aprēķināt vēja ģeneratoru un pēc kādiem parametriem izvēlēties vēja turbīnas galvenās darbības sastāvdaļas.

Raksts ir veltīts šo jautājumu risināšanai. Materiāla teorētiskā daļa papildināta ar ilustratīviem piemēriem un praktiskiem ieteikumiem vēja ģeneratora montāžai.

Vēja turbīnas aprēķins

Kur sākt aprēķināt sistēmu elektroenerģijas ražošanai no vēja enerģijas? Ņemot vērā, ka runa ir par vēja ģeneratoru, loģiska šķiet vēja rozes provizoriska analīze konkrētā apvidū.

Aprēķina parametri, piemēram, vēja ātrums un tā raksturīgais virziens konkrētai teritorijai, ir svarīgi projektēšanas parametri. Zināmā mērā tie nosaka vēja turbīnu jaudas līmeni, kas faktiski būs sasniedzams.

Grūti pat iedomāties tādas jaudas vēja ģeneratorus. Bet šādi dizaini pastāv un darbojas efektīvi.Tomēr šādu konstrukciju aprēķini liecina par salīdzinoši zemu jaudu, salīdzinot ar tradicionālajiem enerģijas avotiem

Jāatzīmē, ka šim procesam ir ilgstošs raksturs (vismaz 1 mēnesis), kas ir diezgan acīmredzams. Ar vienu vai diviem mērījumiem nav iespējams aprēķināt maksimālos iespējamos vēja ātruma parametrus un tā biežāko virzienu.

Būs nepieciešami desmitiem mērījumu. Tomēr šī operācija patiešām ir nepieciešama, ja ir vēlme izveidot efektīvu produktīvu sistēmu.

Kā aprēķināt vējdzirnavu jaudu

Mājsaimniecības vēja ģeneratori, īpaši tie, kas izgatavoti ar rokām, nekad nav pārsteiguši cilvēkus ar lielu jaudu. Tas ir saprotams. Atliek tikai iedomāties masīvu 8-10 m augstu mastu, kas aprīkots ar ģeneratoru, kura dzenskrūves lāpstiņas laidums ir lielāks par 3 m. Un šī nav pati jaudīgākā iekārta. Tikai aptuveni 2 kW.

Šādas jaudas vēja turbīnu apkalpošanai tiek izmantoti helikopteri un speciālistu komandas līdz pat desmitiem cilvēku. Lai aprēķinātu šādu spēkstaciju, tiek piesaistīts vēl lielāks skaits izpildītāju

Kopumā, ja paļaujaties uz standarta tabulu, kas parāda attiecības starp vēja ģeneratora jaudu un vajadzīgo dzenskrūves lāpstiņu garumu, ir par ko brīnīties. Saskaņā ar tabulu 10 W vējdzirnavām ir nepieciešams divu metru dzenskrūve.

500 vatu konstrukcijai būs nepieciešams dzenskrūve ar diametru 14 m. Turklāt lāpstiņas laiduma parametrs ir atkarīgs no to skaita. Jo vairāk asmeņu, jo mazāks laidums.

Bet tā ir tikai teorija, ko nosaka vēja ātrums, kas nepārsniedz 4 m/sek.Praksē viss ir nedaudz atšķirīgs, un mājsaimniecības iekārtu jauda, ​​kas faktiski darbojas ilgu laiku, nekad nav pārsniegusi 500 W.

Tāpēc jaudas izvēle šeit parasti ir ierobežota 250-500 W diapazonā ar vidējo vēja ātrumu 6-8 m/sek.

Tabula par vēja enerģijas sistēmas jaudas atkarību no rotora diametra un lāpstiņu skaita. Šo tabulu var izmantot aprēķiniem, bet ņemot vērā tās apkopojumu vēja ātruma parametriem līdz 4 m/sek (+)

No teorētiskās pozīcijas vēja elektrostacijas jaudu aprēķina pēc formulas:

N=p*S*V³/2,

Kur:

• lpp – gaisa masu blīvums;
• S – dzenskrūves lāpstiņu kopējais izpūstais laukums;
• V — gaisa plūsmas ātrums;
• N - gaisa plūsmas jauda.

Tā kā N ir parametrs, kas radikāli ietekmē vēja ģeneratora jaudu, iekārtas faktiskā jauda būs tuvu N aprēķinātajai vērtībai.

Vēja turbīnu dzenskrūvju aprēķins

Būvējot vējdzirnavas, parasti izmanto divu veidu dzenskrūves:

• spārnotais — rotācija horizontālā plaknē;
• Savonius rotors, Darrieus rotors — rotācija vertikālā plaknē.

Skrūvju konstrukcijas ar rotāciju jebkurā plaknē var aprēķināt, izmantojot formulu:

Z=L*W/60/V

Kur:

• Z – dzenskrūves ātruma pakāpe (mazs ātrums);
• L – asmeņu aprakstītā apļa garuma izmērs;
• W – dzenskrūves griešanās ātrums (biežums);
• V - gaisa plūsmas ātrums.

Pamatojoties uz šo formulu, jūs varat viegli aprēķināt apgriezienu skaitu W - griešanās ātrumu.

Šādi izskatās skrūves ar nosaukumu “Darieu Rotor” dizains. Šī dzenskrūves versija tiek uzskatīta par efektīvu mazas jaudas un izmēra vēja ģeneratoru ražošanā.Skrūves aprēķinam ir dažas funkcijas

Un darba attiecības starp apgriezieniem un vēja ātrumu var atrast tabulās, kas ir pieejamas internetā. Piemēram, dzenskrūvei ar divām lāpstiņām un Z=5 ir spēkā šāda sakarība:

Tāpat viens no svarīgiem vējdzirnavu dzenskrūves rādītājiem ir piķis.

Šo parametru var noteikt, izmantojot formulu:

H=2πR* iedegums α,

Kur:

• 2π – konstante (2*3,14);
• R – rādiuss, ko raksturo asmens;
• iedegums α - griezuma leņķis.

Papildu informācija par asmeņu formas un skaita izvēli, kā arī to izgatavošanas instrukcija ir sniegta Šis raksts.

Ģeneratoru izvēle vēja turbīnām

Ja ir aprēķinātā skrūvju apgriezienu skaita vērtība (W), kas iegūta, izmantojot iepriekš aprakstīto metodi, jūs jau varat izvēlēties (izgatavot) atbilstošo ģeneratoru.

Piemēram, ar ātruma pakāpi Z=5, lāpstiņu skaits ir vienāds ar 2 un ātrumu 330 apgr./min. Pie vēja ātruma 8 m/s. Ģeneratora jaudai jābūt aptuveni 300 W.

Vēja elektrostacijas ģeneratora šķērsgriezums. Demonstratīvais piemērs vienam no iespējamiem mājas vēja enerģijas sistēmas ģeneratora dizainiem, kas samontēti neatkarīgi

Ņemot vērā šos parametrus, piemērota izvēle kā mājas vēja elektrostacijas ģenerators var būt mūsdienu elektrisko velosipēdu konstrukcijās izmantotais motors. Detaļas tradicionālais nosaukums ir velomotors (ražots Ķīnā).

Šādi izskatās elektriskā velosipēda motors, uz kura pamata tiek piedāvāts izgatavot ģeneratoru mājas vējdzirnavām. Velosipēda motora dizains ir ideāli piemērots ieviešanai praktiski bez aprēķiniem vai modifikācijām. Tomēr to jauda ir zema

Elektriskā velosipēda motora raksturlielumi ir aptuveni šādi:

Velosipēdu motoru pozitīvā iezīme ir tā, ka tie praktiski nav jāmaina. Tie tika konstruktīvi veidoti kā zema ātruma elektromotori, un tos var veiksmīgi izmantot vēja ģeneratoriem.

Lai izgatavotu vējdzirnavas, jūs varat izmantot automašīnas ģeneratoru vai savākt veļas mašīnas bloks.

Uzlādes kontrollera aprēķins un izvēle

Akumulatora uzlādes kontrolieris ir nepieciešams jebkura veida vēja elektrostacijām, tostarp mājsaimniecības konstrukcijai.

Šīs ierīces aprēķins ir atkarīgs no ierīces elektriskās ķēdes izvēles, kas atbilstu vēja sistēmas konstrukcijas parametriem.

No šiem parametriem galvenie ir:

• ģeneratora nominālais un maksimālais spriegums;
• maksimālā iespējamā ģeneratora jauda;
• maksimālā iespējamā akumulatora uzlādes strāva;
• akumulatora spriegums;
• apkārtējās vides temperatūra;
• apkārtējā mitruma līmenis.

Pamatojoties uz norādītajiem parametriem, uzlādes kontrollera komplekts dariet to pats vai izvēlieties gatavu ierīci.

Uzlādes kontrolieris akumulatoriem, ko izmanto kā daļu no vēja elektrostacijas. Rūpnieciski ražota iekārta, kuru izvēloties tikai rūpīgi jāizpēta tehniskie parametri precīzai saskaņošanai ar esošo sistēmu

Protams, vēlams izvēlēties (vai salikt) ierīci, kuras ķēde nodrošinātu vieglu palaišanas funkciju vāju gaisa plūsmu apstākļos. Vēlams arī kontrolieris, kas paredzēts darbam ar dažāda sprieguma (12, 24, 48 voltu) baterijām.

Visbeidzot, aprēķinot (izvēloties) kontroliera ķēdi, ieteicams neaizmirst par tādas funkcijas kā invertora vadība.

Sistēmas akumulatora izvēle

Praksē tiek izmantoti dažāda veida akumulatori, un gandrīz visi ir diezgan piemēroti izmantošanai vēja enerģijas sistēmā. Taču konkrēta izvēle būs jāizdara jebkurā gadījumā. Atkarībā no vējdzirnavu sistēmas parametriem akumulators tiek izvēlēts, pamatojoties uz spriegumu, jaudu un uzlādes apstākļiem.

Tradicionālās mājas vējdzirnavu sastāvdaļas ir klasiskās svina-skābes akumulatori. Viņi uzrādīja labus rezultātus praktiskā nozīmē.Turklāt šāda veida akumulatoru izmaksas ir saprātīgākas salīdzinājumā ar citiem veidiem.

Svina-skābes akumulatori ir īpaši nepretenciozi uzlādes/izlādes apstākļiem, taču ir nepieņemami tos iekļaut sistēmā bez kontrollera.

Ja vēja turbīnas instalācijā ir profesionāli izstrādāts uzlādes kontrolieris ar pilnvērtīgu automatizācijas sistēmu, šķiet racionāli izmantot AGM vai hēlija baterijas.

Mājas vēja ģeneratora akumulators. Nav labākais risinājums lietošanai, ņemot vērā vadu haosu un uzglabāšanas prasības. Šādā enerģijas uzkrāšanas ierīču stāvoklī nevar paļauties uz to ilgstošu darbību.

Abu veidu enerģijas uzkrāšanas ierīces raksturo lielāka efektivitāte un ilgs kalpošanas laiks, taču tās izvirza augstas prasības uzlādes apstākļiem.

Tas pats attiecas uz tā sauktajiem bruņu hēlija tipa akumulatoriem. Bet šo bateriju izvēli mājsaimniecības vējdzirnavām būtiski ierobežo cena. Tomēr šo dārgo akumulatoru kalpošanas laiks ir visilgākais, salīdzinot ar visiem citiem veidiem.

Šīm baterijām ir arī ilgāks uzlādes/izlādes cikls, taču tikai tad, ja tiek izmantots kvalitatīvs lādētājs.

Mājas vējdzirnavu invertora aprēķins

Uzreiz jāatzīmē: ja mājas vēja turbīnas dizainā ir viens 12 voltu akumulators, nav jēgas uzstādīt invertoru šādā sistēmā.

Vidēji mājsaimniecības enerģijas patēriņš ir vismaz 4 kW pie maksimālās slodzes.No tā izriet secinājums: uzlādējamo bateriju skaitam šādai jaudai jābūt vismaz 10 gabaliem un vēlams ar 24 voltu spriegumu. Šādam bateriju skaitam ir lietderīgi uzstādīt invertoru.

Tomēr, lai pilnībā nodrošinātu enerģiju 10 akumulatoriem ar spriegumu 24 W un stabili uzturētu to uzlādi, būs nepieciešamas vējdzirnavas ar jaudu vismaz 2-3 kW. Acīmredzot vienkāršas mājsaimniecības struktūras nevar tikt galā ar šādu jaudu.

Mazjaudas invertors (600 W), ko var izmantot mājas mazās jaudas instalācijām. Jūs varat darbināt televizoru vai nelielu ledusskapi no šāda aprīkojuma ar spriegumu 220 volti. Lampām lustrā vairs nepietiek strāvas

Tomēr jūs varat aprēķināt invertora jaudu šādi:

1. Apkopojiet visu patērētāju spēku.
2. Nosakiet patēriņa laiku.
3. Nosakiet maksimālo slodzi.

Konkrētā piemērā tas izskatīsies šādi.

Lai kā krava ir sadzīves elektropreces: apgaismes lampas - 3 gab. 40 W katrs, televīzijas uztvērējs - 120 W, kompaktais ledusskapis 200 W. Summējam jaudu: 3*40+120+200 un pie izejas iegūstam 440 W.

Noteiksim patērētāju jaudu vidēji 4 stundu periodam: 440*4=1760 W. Pamatojoties uz iegūto jaudas vērtību patēriņa laikā, šķiet loģiski izvēlēties invertoru no šādām ierīcēm ar izejas jaudu 2 kW vai vairāk.

Pamatojoties uz šo vērtību, tiek aprēķināts vajadzīgās ierīces strāvas-sprieguma raksturlielums: 2000*0,6=1200 V/A.

Klasiska shēma no mājsaimniecības vēja ģeneratora iegūtās enerģijas reproducēšanai un sadalei. Tomēr, lai nodrošinātu ilgstošu enerģiju tik daudzām ierīcēm, ir nepieciešama pietiekami jaudīga instalācija (+)

Reāli trīs cilvēku ģimenei, kas pilnībā aprīkota ar sadzīves tehniku, mājsaimniecības slodze būs lielāka, nekā aprēķināts piemērā. Parasti arī slodzes savienojuma laiks pārsniedz nepieciešamās 4 stundas. Attiecīgi vēja enerģijas sistēmas invertoram būs nepieciešams jaudīgāks.

Vējdzirnavu provizoriskais aprēķins ir noderīgs ne tikai to pašmontēšanai. Tāpat ir nepieciešams noteikt optimālos parametrus, kad izvēloties gatavu vēja ģeneratoru.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Kā tiek analizēti avota dati un kā tiek piemērotas formulas, ir parādīts videoklipā:

Jebkurā gadījumā ir jāizmanto aprēķinātie dati. Neatkarīgi no tā, vai tā ir rūpnieciska vai sadzīves vajadzībām ražota elektrostacija, katras vienības aprēķins vienmēr nodrošina maksimālu iekārtas efektivitāti un, galvenais, ekspluatācijas drošību.

Sākotnējie aprēķini nosaka projekta īstenošanas iespējamību un palīdz noteikt, cik dārgs vai ekonomisks ir projekts.

Vai jums ir pieredze līdzīgu problēmu risināšanā? Vai joprojām ir jautājumi par šo tēmu? Lūdzu, dalieties ar savām vēja turbīnu aprēķināšanas un projektēšanas prasmēm. Jūs varat atstāt komentārus un uzdot jautājumus zemāk esošajā veidlapā.