Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Альтернативна енергія, що отримується від енергетичних вітряних установок, викликає в суспільстві високий інтерес. Підтверджень тому на рівні реальної побутової практики безліч.
Власники заміської нерухомості будують вітряки власними руками і задовольняються отриманим результатом, хоча ефект буває і короткочасним. Причина - при складанні не був проведений розрахунок вітрогенератора належним чином.
Погодьтеся, не хотілося б витративши час і кошти на реалізацію проекту, отримати малоефективну установку. Тому важливо зрозуміти, як зробити розрахунок вітрогенератора, і за якими параметрами підібрати основні робочі вузли вітряка.
Вирішенню цих питань і присвячена стаття. Теоретична частина матеріалу доповнена наочними прикладами і практичними рекомендаціями по збірці вітрогенераторних установки.
Розрахунок вітрогенераторних установки
З чого почати розраховувати систему відтворення електроенергії з енергії вітру? З огляду на, що мова йде про вітрогенераторі, логічним бачиться попередній аналіз рози вітрів в конкретній місцевості.
Такі розрахункові параметри, як швидкість вітру і характерне його напрямок для даної території - це важливі розрахункові параметри. Ними в якійсь мірі визначається той рівень потужності вітряка, який буде реально досяжний.
Вітрогенератори такої потужності складно навіть уявити. Але подібні конструкції існують і ефективно працюють. Однак розрахунки подібних конструкцій показують відносно невелику потужність в порівнянні з традиційними джерелами енергії
Що примітно, процес цей носить довгостроковий характер (не менше 1 місяця), що цілком очевидно. Обчислити максимально ймовірні параметри швидкості вітру і його найбільш часте напрямок неможливо одним або двома вимірами.
Буде потрібно виконати десятки вимірів. Проте, операція ця дійсно необхідна, якщо є бажання побудувати ефективну продуктивну систему.
Як обчислити потужність вітряка
Вітрогенераторам побутового призначення, тим більше зробленим своїми руками, дивувати народ високими потужностями ще не доводилося. Воно й зрозуміло. Варто лише уявити масивну щоглу висотою 8-10 м, оснащену генератором з розмахом лопатей гвинта більше 3 м. І це не найпотужніша установка. Всього-то близько 2 кВт.
Для обслуговування вітряків такої потужності використовуються вертольоти і бригади фахівців, які нараховують до десятка чоловік. Щоб провести розрахунок такий енергоустановки, залучається ще більше число виконавців
Взагалі, якщо спиратися на стандартну таблицю, яка показує співвідношення потужності вітрогенератора і необхідного розмаху лопатей гвинта, є чому здивуватися. Згідно таблиці, для вітряка потужністю 10 Вт необхідний двометровий пропелер.
На 500-ватну конструкцію потрібно вже гвинт діаметром 14 м. При цьому параметр розмаху лопатей залежить від їх кількості. Чим більше лопатей, тим менше розмах.
Але це всього лише теорія, обумовлена швидкістю вітру, що не перевищує значення 4 м / сек. На практиці все дещо інакше, а потужність установок побутового призначення, реально діючих тривалий час, ще ніколи не перевищувала 500 Вт.
Тому вибір потужності тут зазвичай обмежений діапазоном 250-500 Вт при середній швидкості вітру 6-8 м / сек.
Таблиця залежності потужності вітряної енергетичної системи від діаметра робочого гвинта і кількості лопатей. Цю таблицю можна застосувати для розрахунків, але з урахуванням її складання під параметр швидкості вітру до 4 м / сек (+)
З теоретичної позиції, потужність вітряної енергетичної станції вважають за формулою:
N = p * S * V 3/2,
де:
- p - щільність повітряних мас;
- S - загальна обдуваемая площа лопатей гвинта;
- V - швидкість повітряного потоку;
- N - потужність потоку повітря.
Так як N - параметр, кардинально впливає на потужність вітрогенератора, то реальна потужність установки буде знаходитися недалеко від обчисленого значення N.
Розрахунок гвинтів вітряних установок
При конструюванні вітряка зазвичай застосовуються два види гвинтів:
- крильчасті - обертання в горизонтальній площині;
- ротор Савоніуса, ротор Дарині - обертання у вертикальній площині.
Конструкції гвинтів з обертанням в будь-який з площин можна розрахувати за допомогою формули:
Z = L * W / 60 / V
де:
- Z - ступінь швидкохідності (тихохідність) гвинта;
- L - розмір довжини описуваної лопатями окружності;
- W - швидкість (частота) обертання гвинта;
- V - швидкість потоку повітря.
Відштовхуючись від цієї формули, можна легко розрахувати число обертів W - швидкість обертання.
Такий виглядає конструкція гвинта під назвою «Ротор Дарині». Цей варіант пропелера вважається ефективним при виготовленні вітрогенераторів невеликої потужності і розмірів. Розрахунок гвинта має деякі особливості
А робоче співвідношення оборотів і швидкості вітру можна знайти в таблицях, які доступні в мережі. Наприклад, для гвинта з двома лопатями і Z = 5, справедливо наступне співвідношення:
| число лопатей | ступінь швидкохідності | Швидкість вітру м / с |
| 2 | 5 | 330 |
Також одним з важливих показників гвинта вітряка є крок.
Цей параметр можна визначити, якщо скористатися формулою:
H = 2πR * tg α,
де:
- 2π - константа (2 * 3.14);
- R - радіус, описуваний лопатою;
- tg α - кут перетину.
Додаткова інформація про вибір форми і кількості лопатей, а також інструкція по їх виготовленню приведена в цій статті.
Підбір генераторів для вітряків
Маючи розрахункове значення числа обертів гвинта (W), отримане за вищеописаною методикою, можна вже підбирати (виготовляти) відповідний генератор.
Наприклад, при ступеня швидкохідності Z = 5, кількості лопатей дорівнює 2 і частоті обертів 330 об / хв. При швидкості вітру 8 м / с. потужність генератора приблизно повинна становити 300 Вт.
Генератор вітряної енергетичної установки «в розрізі». Показовий екземпляр однієї з можливих конструкцій генератора домашньої вітряної енергосистеми, зібраної самостійно
При таких параметрах відповідним вибором в якості генератора для побутової вітряної електростанції може стати мотор, який використовується в конструкціях сучасних електровелосипедів. Традиційне найменування деталі - веломотор (виробництво КНР).
Так виглядає електричний веломотор, на базі якого пропонується робити генератор для домашнього вітряка. Конструкція веломотор ідеально підходить для впровадження практично без розрахунків і доопрацювань. Однак потужність їх невелика
Характеристики електричного веломотор приблизно такі:
| параметр | значення |
| Напруга, В | 24 |
| Потужність, Вт | 250-300 |
| Частота обертання, об / хв. | 200-250 |
| Крутний момент, Нм | 25 |
Позитивна особливість веломоторов в тому, що їх практично не потрібно переробляти. Вони конструктивно розроблялися як електродвигуни з низькими оборотами і успішно можуть застосовуватися під вітрогенератори.
Для виготовлення вітряка можна використовувати автомобільний генератор або зібрати агрегат з пральної машинки.
Розрахунок і вибір контролера заряду
Контролер заряду АКБ необхідний для вітряної енергетичної установки будь-якого типу, включаючи побутову конструкцію.
Розрахунок цього пристрою зводиться до підбору електричної схеми приладу, яка б відповідала розрахунковим параметрам вітрової системи.
З тих параметрів основними є:
- номінальне і максимальне напруження генератора;
- максимально можлива потужність генератора;
- максимально можливий струм заряду АКБ;
- напруга на АКБ;
- Температура оточуючого повітря;
- рівень вологості навколишнього середовища.
Виходячи з представлених параметрів, ведеться збірка контролера заряду своїми руками або підбір готового пристрою.
Контролер заряду акумуляторів, що застосовуються в складі вітрової енергоустановки. Прилад промислового виготовлення, вибираючи який потрібно лише уважно вивчити технічні характеристики для точного узгодження з існуючою системою
Звичайно, бажано підбирати (або збирати) пристрій, схема якого забезпечувала б функцію легкого старту в умовах перебігу слабких потоків повітря. Контролер, розрахований під експлуатацію з батареями різного напруги (12, 24, 48 вольт) теж лише вітається.
Нарешті, при розрахунку (підборі) схеми контролера, рекомендується не забувати про присутність такої функції, як управління інвертором.
Підбір акумуляторної батареї для системи
На практиці використовуються акумулятори різного типу і майже все цілком придатні для використання в складі вітряної енергетичної системи. Але конкретний вибір доведеться робити в будь-якому випадку. Залежно від параметрів системи вітряка, підбір акумулятора ведеться по напрузі, ємності, умов заряду.
Традиційними комплектуючими для домашніх вітряків вважаються класичні кислотно-свинцеві акумулятори. Вони показали непогані результати в практичному сенсі. До того ж вартість цього типу батарей більш прийнятна в порівнянні з іншими видами.
Свинцево-кислотні АКБ особливо невибагливі до умов заряду / розряду, але включати їх в систему без контролера неприпустимо.
Блок акумуляторів домашнього вітрогенератора. Не найкращий варіант експлуатації, враховуючи хаос з проводів і вимоги до зберігання. При такому стані накопичувачів енергії розраховувати на їх довгострокова дія не доводиться
При наявності в складі вітрогенераторних встанови професійно виконаного контролера заряду, що має повноцінну систему автоматики, раціональним бачиться застосування акумуляторів типу AGM або гелієвих.
Обидва види накопичувачів енергії характеризуються більшою ефективністю і довгим терміном служби, але висувають високі вимоги до умов заряду.
Те ж саме відноситься до так званих панцирних АКБ гелиевого типу. Але вибір цих акумуляторів для побутового вітряка значно обмежується ціною. Однак термін служби цих дорогих батарей найтриваліший по відношенню до всіх інших видів.
Ці акумулятори виділяються також більш значним циклом заряду / розряду, але за умови застосування до них якісного зарядного пристрою.
Розрахунок інвертора під домашній вітряк
Відразу слід обмовитися: якщо конструкція домашньої енергетичної вітроустановки містить один акумулятор на 12 вольт, сенс ставити інвертор на таку систему повністю виключається.
В середньому споживана потужність побутового господарства становить не менше 4 кВт на пікових навантаженнях. Звідси висновок: кількість акумуляторних батарей для такої потужності має становити не менше 10 штук і бажано під напругу 24 вольта. На таку кількість АКБ вже є сенс встановлювати інвертор.
Інвертор невеликої потужності (600 Вт), який може бути використаний для домашньої малої енергетичної установки. Живити від такої техніки напругою 220 вольт можна телевізор або невеликий холодильник. На лампи в люстрі струму вже не вистачить
Однак щоб забезпечити повністю енергією 10 акумуляторів з напругою по 24 Вт на кожний і стабільно підтримувати їх заряд, буде потрібно вітряк потужністю не менше 2-3 кВт. Очевидно, для побутових простеньких конструкцій таку потужність не потягнути.
Проте, розрахувати потужність інвертора можна наступним чином:
- Підсумувати потужність всіх споживачів.
- Визначити час споживання.
- Визначити пікове навантаження.
На конкретному прикладі це буде виглядати так.
Нехай в якості навантаження є побутові електроприлади: лампи освітлення - 3 шт. по 40 Вт, телевізійний приймач - 120 Вт, компактний холодильник 200 Вт. Підсумовуємо потужність: 3 * 40 + 120 + 200 і отримуємо на виході 440 Вт.
Визначимо потужність споживачів для середнього періоду часу о 4 годині: 440 * 4 = 1760 Вт. Виходячи з отриманого значення потужності за часом споживання, логічним бачиться підбір інвертора з числа таких приладів з вихідною потужністю від 2 кВт.
Спираючись на це значення, розраховується вольт-амперна характеристика необхідного приладу: 2000 * 0, 6 = 1200 В / А.
Класична схема відтворення і розподілу енергії, отриманої від вітряного генератора побутового типу. Однак щоб забезпечити довготривалої енергією таку кількість приладів, потрібна досить потужна установка (+)
Реально навантаження від домашнього господарства на сім'ю в три людини, де є повноцінне оснащення побутовою технікою, буде вище розрахованої в прикладі. Зазвичай і за часом підключення навантаження параметр перевищує взяті 4 години. Відповідно, інвертор вітряної енергосистеми буде потрібно більш потужний.
Попередній розрахунок вітряка стане в нагоді не тільки для його самостійної збірки. Визначитися з оптимальними параметрами необхідно і при виборі готового вітрогенератора.
Висновки і корисне відео по темі
Як відбувається аналіз вихідних даних і як застосовуються формули, представлено на відео:
Користуватися розрахунковими даними необхідно в будь-якому випадку. Будь то промислова енергетична установка або виготовлена під побутові умови, розрахунок кожного вузла завжди несе за собою максимум ефективності пристрою і головне - безпека експлуатації.
Попередньо виконані розрахунки визначають доцільність реалізації проекту, допомагають встановити, наскільки витратним або економним виходить проект.
Чи маєте досвід у вирішенні подібних завдань? Або залишилися питання по темі? Будь ласка, поділіться своїми навичками розрахунку і проектування вітрогенератора. Залишати коментарі та ставити запитання можна в формі, розташованої нижче.