Cum să efectuați calculul unei turbine eoliene: formule + exemplu practic de calcul

Energia alternativă obținută de la instalațiile eoliene energetice stârnește un interes ridicat în societate. Există numeroase confirmări în acest sens la nivelul practicii cotidiene reale.

Proprietarii de imobile din afara orașului își constuiesc turbine eoliene cu mâinile proprii și sunt mulțumiți de rezultatul obținut, deși efectul poate fi și de scurtă durată. Cauza – la asamblare nu s-a efectuat un calcul corect al generatorului eolian.

Veți fi de acord, nu ați dori, după ce ați investit timp și bani în realizarea proiectului, să obțineți o instalație ineficientă. De aceea, este important să înțelegeti cum se calculează un generator eolian și în funcție de ce parametri trebuie alese principalele componente de funcționare ale turbinei eoliene.

Acest articol este dedicat soluționării acestor probleme. Partea teoretică a materialului este completată de exemple ilustrative și recomandări practice pentru asamblarea instalației eoliene.

Calculul instalației eoliene

De unde să începeți calculul sistemului de producere a energiei electrice din energia eoliană? Având în vedere că este vorba despre un generator eolian, pare logică o analiză preliminară a rozei vânturilor din zona specifică.

Astfel de parametri de calcul, precum viteza vântului și direcția sa caracteristică pentru respectiva zonă, sunt parametri importanți. Aceștia determină, într-o anumită măsură, nivelul de putere al turbinei eoliene care va fi efectiv realizabil.

Este chiar dificil să vă imaginați generatoare eoliene de o asemenea putere. Dar astfel de construcții există și funcționează eficient. Cu toate acestea, calculele acestor construcții indică o putere relativ mică în comparație cu sursele tradiționale de energie.

Este remarcabil faptul că acest proces are un caracter de lungă durată (cel puțin 1 lună), ceea ce este destul de evident. Nu se pot determina parametrii maximi probabili ai vitezei vântului și direcția sa cea mai frecventă printr-una sau două măsurători.

Va fi nevoie să efectuați zeci de măsurători. Cu toate acestea, această operațiune este cu adevărat necesară dacă doriți să construiți un sistem eficient și productiv.

Cum se calculează puterea turbinei eoliene

Generatoarele eoliene de uz casnic, mai ales cele făcute manual, nu au reușit încă să impresioneze oamenii cu puteri mari. Și este de înțeles. Este suficient să vă imaginați un catarg masiv de 8-10 m înălțime, echipat cu un generator cu o anvergură a palelor elicei de peste 3 m. Iar aceasta nu este cea mai puternică instalație. Doar aproximativ 2 kW.

Pentru întreținerea turbinelor eoliene de o asemenea putere se folosesc elicoptere și echipe de specialiști, numărând până la zece persoane. Pentru a efectua calculul unei astfel de instalații energetice, se mobilizează un număr și mai mare de executanți.

În general, dacă ne bazăm pe un tabel standard care arată raportul dintre puterea generatorului eolian și anvergura necesară a palelor elicei, avem de ce să ne mirăm. Conform tabelului, pentru o turbină eoliană de 10 W este necesar un elice de doi metri.

Pentru o construcție de 500 W va fi necesar un elice cu diametrul de 14 m. Totodată, parametrul anvergurii palelor depinde de numărul acestora. Cu cât sunt mai multe pale, cu atât anvergura este mai mică.

Dar aceasta este doar o teorie, condiționată de o viteză a vântului care nu depășește 4 m/s. În practică, lucrurile stau puțin diferit, iar puterea instalațiilor de uz casnic, care funcționează efectiv o perioadă îndelungată, nu a depășit niciodată 500 W.

Prin urmare, alegerea puterii este de obicei limitată aici la un interval de 250-500 W pentru o viteză medie a vântului de 6-8 m/s.

Tabelul dependenței puterii sistemului energetic eolian de diametrul elicei de lucru și de numărul de pale. Acest tabel poate fi utilizat pentu calcule, dar ținând cont că a fost elaborat pentu un parametu al vitezei vântului de până la 4 m/s (+)

Din punct de vedere teoretic, puterea unei centrale eoliene se calculează după fomula:

N=p*S*V³/2,

unde:

• p – densitatea maselor de aer;
• S – suprafața totală suflată a palelor elicei;
• V – viteza fluxului de aer;
• N – puterea fluxului de aer.

Deoarece N este un parametru care influențează radical puterea generatorului eolian, puterea reală a instalației va fi apropiată de valoarea calculată a lui N.

Calculul elicelor instalațiilor eoliene

La proiectarea unei turbine eoliene se utilizează de obicei două tipuri de elice:

• cu pale – rotație în plan orizontal;
• rotorul Savonius, rotorul Darrieus – rotație în plan vertical.

Construcțiile elicelor cu rotație în oricare dintre planuri pot fi calculate cu ajutorul formulei:

Z= L*W/60/V

unde:

• Z – gradul de rapiditate (sau lentoare) al elicei;
• L – lungimea circumferinței descrise de pale;
• W – viteza (frecvența) de rotație a elicei;
• V – viteza fluxului de aer.

Pornind de la această formulă, se poate calcula cu ușurință numărul de rotații W – viteza de rotație.

Astfel arată construcția elicei numită «Rotor Darrieus». Această variantă de elice este considerată eficientă la fabricarea generatoarelor eoliene de putere și dimensiuni mici. Calculul elicei are unele particularități

Iar raportul de funcționare dintre turații și viteza vântului poate fi găsit în tabele disponibile pe internet. De exemplu, pentru o elice cu două pale și Z=5, este valabil următorul raport:

De asemenea, unul dintre indicatorii importanți ai elicei turbinei eoliene este pasul.

Acest parametru poate fi determinat folosind formula:

H=2πR* tg α,

unde:

• 2π – constanta (2*3.14);
• R – raza descrisă de pală;
• tg α – unghiul secțiunii.

Informații suplimentare despre alegerea formei și numărului de pale, precum și instrucțiuni de fabricare, sunt prezentate în acest articol.

Alegerea generatoarelor pentru turbinele eoliene

Având valoarea calculată a numărului de rotații al elicei (W), obținută prin metoda descrisă mai sus, se poate selecta (fabrica) generatorul corespunzător.

De exemplu, la un grad de rapiditate Z=5, un număr de pale egal cu 2 și o frecvență de rotație de 330 rpm. La o viteză a vântului de 8 m/s, puterea generatorului ar trebui să fie de aproximativ 300 W.

Generatorul instalației eoliene energetice «în secțiune». Un exemplu reprezentativ al uneia dintre posibilele construcții ale generatorului unui sistem energetic eolian casnic, asamblat independent.

Cu astfel de parametri, o alegere potrivită ca generator pentru o centrală eoliană casnică poate fi un motor utilizat în construcția bicicletelor electrice moderne. Denumirea tradițională a piesei este motor de bicicletă (producție RPC).

Așa arată motorul electric de bicicletă pe baza căruia se propune realizarea unui generator pentru o turbină eoliană de casă. Construcția motorului de bicicletă este ideală pentru implementare practic fără calcule și modificări. Cu toate acestea, puterea lor este mică.

Caracteristicile motorului electric de bicicletă sunt aproximativ următoarele:

Caracteristica pozitivă a motoarelor de bicicletă este că nu trebuie practic să fie modificate. Ele au fost proiectate constructiv ca motoare electrice cu turații reduse și pot fi utilizate cu succes pentru generatoare eoliene.

Pentru fabricarea unei turbine eoliene se poate utiliza un generator auto sau se poate asambla un agregat dintr-o mașină de spălat.

Calculul și alegerea regulatorului de încărcare

Regulatorul de încărcare a acumulatorului este necesar pentru orice tip de instalație eoliană, inclusiv pentru construcția casnică.

Calculul acestui dispozitiv se reduce la selectarea schemei electrice a aparatului, care să corespundă parametrilor de calcul ai sistemului eolian.

Dintre acești parametri, principali sunt:

• tensiunea nominală și maximă a generatorului;
• puterea maximă posibilă a generatorului;
• curentul maxim posibil de încărcare a acumulatorului;
• tensiunea pe acumulator;
• temperatura aerului înconjurător;
• nivelul de umiditate a mediului înconjurător.

Pe baza parametrilor prezentați, se realizează asamblarea regulatorului de încărcare manual sau selectarea unui dispozitiv gata făcut.

Regulator de încărcare a acumulatorilor utilizați în cadrul instalației eoliene. Aparat fabricat industrial, la alegerea căruia este necesar doar să se studieze cu atenție caracteristicile tehnice pentru o potrivire exactă cu sistemul existent.

Desigur, este de dorit să alegeți (sau să asamblați) un dispozitiv a cărui schemă să asigure funcția de pornire ușoară în condiții de curenți de aer slabi. De asemenea, un controler proiectat pentru funcționarea cu baterii de diferite tensiuni (12, 24, 48 volți) este doar binevenit.

În cele din urmă, la calcularea (selectarea) schemei controlerului, se recomandă să nu uitați de prezența unei funcții precum gestionarea invertorului.

Alegerea bateriei de acumulatori pentru sistem

În practică, se folosesc baterii de diferite tipuri și aproape toate sunt destul de potrivite pentru utilizarea într-un sistem de energie eoliană. Dar alegerea specifică va trebui făcută în orice caz. În funcție de parametrii sistemului turbinei eoliene, selecția bateriei se face în funcție de tensiune, capacitate, condiții de încărcare.

Componentele tradiționale pentru turbinele eoliene casnice sunt bateriile clasice cu plumb-acid. Acestea au arătat rezultate bune în sens practic. În plus, costul acestui tip de baterii este mai acceptabil în comparație cu alte tipuri.

Bateriile plumb-acid sunt deosebit de nepretențioase la condițiile de încărcare/descărcare, dar includerea lor în sistem fără controler este inacceptabilă.

În prezența unei instalații de generator eolian cu un controler de încărcare profesional, care are un sistem automat complet, pare rațională utilizarea bateriilor de tip AGM sau cu gel.

Blocul de baterii al generatorului eolian casnic. Nu este cea mai bună opțiune de exploatare, având în vedere haosul cablurilor și cerințele de depozitare. În această stare a acumulatorilor de energie, nu se poate conta pe funcționarea lor pe termen lung.

Ambele tipuri de acumulatoare de energie se caracterizează printr-o eficiență mai mare și o durată de viață lungă, dar au cerințe ridicate privind condițiile de încărcare.

Același lucru este valabil și pentru așa-numitele baterii blindate de tip gel. Dar alegerea acestor baterii pentru turbina eoliană casnică este semnificativ limitată de preț. Cu toate acestea, durata de viață a acestor baterii costisitoare este cea mai lungă în comparație cu toate celelalte tipuri.

Aceste acumulatoare se remarcă, de asemenea, printr-un ciclu de încărcare/descărcare mai semnificativ, dar cu condiția utilizării unui încărcător de calitate.

Calculul invertorului pentru turbina eoliană casnică

Trebuie menționat imediat: dacă configurația unei centrale eoliene casnice conține un singur acumulator de 12 volți, nu are absolut niciun sens să instalați un invertor într-un astfel de sistem.

În medie, puterea consumată de o gospodărie casnică este de cel puțin 4 kW la sarcinile de vârf. De aici concluzia: numărul de baterii acumulatoare pentru o astfel de putere trebuie să fie de cel puțin 10 bucăți și de preferință la o tensiune de 24 volți. Pentru un astfel de număr de acumulatoare, are deja sens să instalați un invertor.

Cu toate acestea, pentru a alimenta complet 10 acumulatoare cu o tensiune de 24 W fiecare și a le menține încărcarea stabilă, va fi necesară o turbină eoliană cu o putere de cel puțin 2-3 kW. Evident, pentru construcțiile casnice simple, o astfel de putere nu poate fi atinsă.

Un invertor de putere mică (600 W), care poate fi utilizat pentru o instalație energetică casnică mică. De la un astfel de echipament cu tensiune de 220 volți se poate alimenta un televizor sau un frigider mic. Pentru becurile din candelabru nu va mai fi suficient curent.

Cu toate acestea, puterea invertorului poate fi calculată după cum urmează:

1. Sumați puterea tuturor consumatorilor.
2. Determinați timpul de consum.
3. Determinați sarcina de vârf.

Cu un exemplu concret, va arăta astfel.

Să presupunem că avem ca sarcină aparate electrice casnice: lămpi de iluminat – 3 buc. de 40 W, un televizor – 120 W, un frigider compact – 200 W. Sumăm puterea: 3*40+120+200 și obținem 440 W.

Determinăm puterea consumatorilor pentru o perioadă medie de 4 ore: 440*4=1760 W. Pe baza valorii puterii obținute în funcție de timpul de consum, pare logic să selectăm un invertor dintre dispozitivele cu o putere de ieșire de la 2 kW.

Pe baza acestei valori, se calculează caracteristica volt-amper a dispozitivului necesar: 2000*0,6=1200 V/A.

Schema clasică de producere și distribuție a energiei obținute de la un generator eolian de tip casnic. Totuși, pentru a asigura cu energie pe termen lung un număr atât de mare de aparate, este necesară o instalație suficient de puternică (+)

În realitate, sarcina unei gospodării pentru o familie de trei persoane, dotată complet cu electrocasnice, va fi mai mare decât cea calculată în exemplu. De obicei, și durata de conectare a sarcinii depășește cele 4 ore luate ca referință. Prin urmare, invertorul sistemului eolian va fi necesar să fie mai puternic.

Calculul preliminar al turbinei eoliene va fi util nu numai pentru asamblarea proprie. Este necesar să se stabilească parametrii optimi și la alegerea unui generator eolian gata făcut.

Concluzii și material video util pe această temă

Cum are loc analiza datelor inițiale și cum se aplică formulele, este prezentat în videoclip:

Este necesar să folosiți datele de calcul în orice caz. Fie că este vorba de o instalație energetică industrială sau una realizată pentru uz casnic, calculul fiecărui component asigură întotdeauna eficiența maximă a dispozitivului și, mai ales, siguranța în exploatare.

Calculele efectuate preliminar determină oportunitatea realizării proiectului și ajută la stabilirea cât de costisitor sau economic va fi proiectul.

Aveți experiență în rezolvarea unor astfel de probleme? Sau au rămas întrebări pe această temă? Vă rugăm să împărtășiți abilitățile dumneavoastră de calcul și proiectare a unui generator eolian. Puteți lăsa comentarii și adresa întrebări în formularul de mai jos.