Jak przeprowadzić obliczenia generatora wiatrowego: wzory + praktyczny przykład obliczeń

Energia alternatywna uzyskiwana z energetycznych instalacji wiatrowych wzbudza w społeczeństwie duże zainteresowanie. Potwierdzeń tego na poziomie rzeczywistej praktyki domowej jest wiele.

Właściciele podmiejskich nieruchomości budują wiatraki własnymi rękami i są zadowoleni z uzyskanego rezultatu, choć efekt bywa krótkotrwały. Przyczyną – przy montażu nie przeprowadzono należycie obliczeń generatora wiatrowego.

Zapewne zgodzą się Państwo, że nie chcieliby Państwo, poświęcając czas i środki na realizację projektu, otrzymać instalacji o niskiej efektywności. Dlatego tak ważne jest zrozumienie, jak przeprowadzić obliczenia generatora wiatrowego i według jakich parametrów dobrać główne podzespoły robocze wiatraka.

Rozwiązaniu tych kwestii poświęcony jest niniejszy artykuł. Część teoretyczna materiału została uzupełniona obrazowymi przykładami oraz praktycznymi zaleceniami dotyczącymi montażu instalacji generatora wiatrowego.

Obliczanie instalacji generatora wiatrowego

Od czego należy zacząć obliczanie systemu wytwarzania energii elektrycznej z energii wiatru? Biorąc pod uwagę, że chodzi o generator wiatrowy, logiczne wydaje się wstępne przeanalizowanie róży wiatrów w konkretnej lokalizacji.

Takie parametry obliczeniowe, jak prędkość wiatru i jego charakterystyczny kierunek dla danego terenu – to ważne parametry obliczeniowe. W pewnym stopniu określają one poziom mocy turbiny wiatrowej, który będzie realnie osiągalny.

Trudno sobie nawet wyobrazić generatory wiatrowe o takiej mocy. Ale takie konstrukcje istnieją i działają efektywnie. Jednak obliczenia takich konstrukcji wykazują stosunkowo niewielką moc w porównaniu z tradycyjnymi źródłami energii.

Co ciekawe, proces ten ma charakter długoterminowy (co najmniej 1 miesiąc), co jest oczywiste. Obliczenie najbardziej prawdopodobnych parametrów prędkości wiatru i jego najczęstszego kierunku nie jest możliwe za pomocą jednego lub dwóch pomiarów.

Konieczne będzie wykonanie dziesiątek pomiarów. Niemniej jednak, operacja ta jest naprawdę konieczna, jeśli chce się zbudować efektywny i wydajny system.

Jak obliczyć moc wiatraka

Generatory wiatrowe przeznaczone do użytku domowego, zwłaszcza wykonane własnoręcznie, jeszcze nie imponowały ludziom wysokimi mocami. To zrozumiałe. Wystarczy sobie wyobrazić masywny maszt o wysokości 8-10 m, wyposażony w generator z rozpiętością łopat wirnika przekraczającą 3 m. I to nie jest najpotężniejsza instalacja. Zaledwie około 2 kW.

Do obsługi turbin wiatrowych o takiej mocy wykorzystywane są helikoptery i zespoły specjalistów liczące do kilkunastu osób. Aby wykonać obliczenia takiej instalacji energetycznej, angażuje się jeszcze większą liczbę wykonawców.

Ogólnie rzecz biorąc, jeśli opierać się na standardowej tabeli pokazującej zależność między mocą generatora wiatrowego a wymaganą rozpiętością łopat wirnika, jest się czemu dziwić. Zgodnie z tabelą, dla turbiny wiatrowej o mocy 10 W potrzebne jest dwumetrowe śmigło.

Do konstrukcji o mocy 500 W potrzebny będzie już wirnik o średnicy 14 m. Przy tym parametr rozpiętości łopat zależy od ich liczby. Im więcej łopat, tym mniejsza rozpiętość.

Ale to tylko teoria, uwarunkowana prędkością wiatru nieprzekraczającą 4 m/s. W praktyce jest nieco inaczej, a moc instalacji domowych, rzeczywiście działających przez dłuższy czas, nigdy nie przekroczyła 500 W.

Dlatego wybór mocy jest tutaj zazwyczaj ograniczony do zakresu 250-500 W przy średniej prędkości wiatru 6-8 m/s.

Tabela zależności mocy systemu energetyki wiatrowej od średnicy wirnika roboczego i liczby łopat. Tę tabelę można zastosować do obliczeń, ale z uwzględnieniem, że została opracowana dla parametru prędkości wiatru do 4 m/s (+).

Z teoretycznego punktu widzenia, moc wiatrowej elektrowni energetycznej oblicza się według wzoru:

N=p*S*V³/2,

gdzie:

• p – gęstość mas powietrza;
• S – całkowita powierzchnia opływu łopat wirnika;
• V – prędkość strumienia powietrza;
• N – moc strumienia powietrza.

Ponieważ N jest parametrem, który radykalnie wpływa na moc generatora wiatrowego, rzeczywista moc instalacji będzie zbliżona do obliczonej wartości N.

Obliczanie wirników turbin wiatrowych

Przy projektowaniu turbiny wiatrowej zazwyczaj stosuje się dwa rodzaje śmigieł:

• śmigłowe – obrót w płaszczyźnie poziomej;
• wirnik Savoniusa, wirnik Darrieux – obrót w płaszczyźnie pionowej.

Konstrukcje śmigieł z obrotem w dowolnej płaszczyźnie można obliczyć za pomocą wzoru:

Z= L*W/60/V

gdzie:

• Z – stopień szybkobieżności (wolnobieżności) śmigła;
• L – długość okręgu opisywanego przez łopaty;
• W – prędkość (częstotliwość) obrotu śmigła;
• V – prędkość strumienia powietrza.

Wychodząc z tego wzoru, można łatwo obliczyć liczbę obrotów W – prędkość obrotową.

Tak wygląda konstrukcja śmigła pod nazwą «Wirnik Darrieux». Ten wariant wirnika jest uważany za skuteczny przy wytwarzaniu generatorów wiatrowych małej mocy i rozmiarów. Obliczanie śmigła ma pewne osobliwości.

Natomiast roboczą zależność obrotów od prędkości wiatru można znaleźć w tabelach dostępnych w sieci. Na przykład, dla śmigła z dwoma łopatami i Z=5, obowiązuje następująca zależność:

Ponadto jednym z ważnych parametrów śmigła turbiny wiatrowej jest skok.

Ten parametr można określić za pomocą wzoru:

H=2πR* tg α,

gdzie:

• 2π – stała (2*3.14);
• R – promień opisywany przez łopatę;
• tg α – kąt przekroju.

Dodatkowe informacje o wyborze kształtu i liczby łopat, a także instrukcja ich wykonania, znajdują się w tym artykule.

Dobór generatorów do wiatraków

Mając obliczoną wartość liczby obrotów śmigła (W), uzyskaną według opisanej powyżej metody, można już dobierać (wytwarzać) odpowiedni generator.

Na przykład, przy stopniu szybkobieżności Z=5, liczbie łopat równej 2 i częstotliwości obrotów 330 obr./min. Przy prędkości wiatru 8 m/s, moc generatora powinna wynosić około 300 W.

Generator turbiny wiatrowej «w przekroju». Pokazowy egzemplarz jednej z możliwych konstrukcji generatora domowej wiatrowej instalacji energetycznej, złożonej samodzielnie.

Przy takich parametrach odpowiednim wyborem jako generator dla domowej elektrowni wiatrowej może być silnik, który jest używany w konstrukcjach nowoczesnych rowerów elektrycznych. Tradycyjna nazwa części – silnik rowerowy (produkcja ChRL).

Tak wygląda elektryczny silnik rowerowy, na bazie którego proponuje się wykonać generator do domowego wiatraka. Konstrukcja silnika rowerowego idealnie nadaje się do wdrożenia praktycznie bez obliczeń i przeróbek. Jednak ich moc jest niewielka.

Charakterystyki elektrycznego silnika rowerowego są mniej więcej następujące:

Pozytywną cechą silników rowerowych jest to, że praktycznie nie trzeba ich przerabiać. Zostały one zaprojektowane jako silniki elektryczne o niskich obrotach i mogą być z powodzeniem stosowane w generatorach wiatrowych.

Do wykonania wiatraka można użyć generatora samochodowego lub złożyć agregat z pralki.

Obliczanie i dobór kontrolera ładowania

Kontroler ładowania akumulatora jest niezbędny dla każdego typu wiatrowej instalacji energetycznej, w tym dla konstrukcji domowej.

Obliczenie tego urządzenia sprowadza się do doboru schematu elektrycznego urządzenia, który odpowiadałby parametrom obliczeniowym systemu wiatrowego.

Spośród tych parametrów podstawowymi są:

• napięcie nominalne i maksymalne generatora;
• maksymalna możliwa moc generatora;
• maksymalny możliwy prąd ładowania akumulatora;
• napięcie na akumulatorze;
• temperatura otaczającego powietrza;
• poziom wilgotności otoczenia.

Na podstawie przedstawionych parametrów przeprowadza się montaż kontrolera ładowania własnymi rękami lub dobór gotowego urządzenia.

Kontroler ładowania akumulatorów stosowanych w wiatrowej instalacji energetycznej. Urządzenie produkcji przemysłowej, przy wyborze którego wystarczy dokładnie przestudiować parametry techniczne w celu precyzyjnego dopasowania do istniejącego systemu.

Oczywiście, wskazane jest dobieranie (lub składanie) urządzenia, którego schemat zapewniałby funkcję miękkiego startu w warunkach przepływu słabych strumieni powietrza. Kontroler zaprojektowany do pracy z bateriami o różnych napięciach (12, 24, 48 woltów) również jest mile widziany.

Wreszcie, przy obliczaniu (doborze) schematu kontrolera, zaleca się nie zapominać o obecności funkcji, takiej jak sterowanie inwerterem.

Dobór akumulatora do systemu

W praktyce stosuje się akumulatory różnych typów i prawie wszystkie nadają się do użycia w systemie energetyki wiatrowej. Ale konkretnego wyboru i tak trzeba dokonać. W zależności od parametrów systemu wiatraka, dobór akumulatora odbywa się według napięcia, pojemności, warunków ładowania.

Tradycyjnymi komponentami dla domowych wiatraków są klasyczne akumulatory kwasowo-ołowiowe. Wykazały one dobre wyniki w praktyce. Ponadto koszt tego typu baterii jest bardziej akceptowalny w porównaniu z innymi rodzajami.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe są szczególnie niewymagające co do warunków ładowania/rozładowania, ale włączanie ich do systemu bez kontrolera jest niedopuszczalne.

W przypadku posiadania w składzie instalacji wiatrowej profesjonalnie wykonanego kontrolera ładowania z pełnym systemem automatyki, racjonalne wydaje się zastosowanie akumulatorów typu AGM lub żelowych.

Zespół akumulatorów domowego generatora wiatrowego. Nie najlepszy wariant eksploatacji, biorąc pod uwagę chaos przewodów i wymagania dotyczące przechowywania. Przy takim stanie magazynów energii nie można liczyć na ich długoterminowe działanie.

Oba rodzaje magazynów energii charakteryzują się większą efektywnością i długą żywotnością, ale stawiają wysokie wymagania co do warunków ładowania.

To samo dotyczy tak zwanych pancernych akumulatorów żelowych. Ale wybór tych akumulatorów do domowego wiatraka jest znacznie ograniczony przez cenę. Jednak żywotność tych drogich baterii jest najdłuższa w porównaniu ze wszystkimi innymi rodzajami.

Akumulatory te wyróżniają się również większym cyklem ładowania/rozładowania, ale pod warunkiem zastosowania do nich wysokiej jakości ładowarki.

Obliczanie falownika do przydomowego wiatraka

Od razu należy zaznaczyć: jeśli konstrukcja domowej elektrowni wiatrowej zawiera jeden akumulator 12-woltowy, sens instalowania inwertera w takim systemie jest całkowicie wykluczony.

Średnio pobór mocy gospodarstwa domowego wynosi co najmniej 4 kW przy obciążeniach szczytowych. Stąd wniosek: liczba akumulatorów do takiej mocy powinna wynosić co najmniej 10 sztuk i najlepiej pod napięcie 24 woltów. Przy takiej liczbie akumulatorów już ma sens instalowanie inwertera.

Jednak aby w pełni zasilić 10 akumulatorów o napięciu 24 W każdy i stabilnie utrzymać ich ładowanie, potrzebna będzie turbina wiatrowa o mocy co najmniej 2-3 kW. Oczywiście w przypadku prostych konstrukcji domowych takiej mocy nie da się osiągnąć.

Inwerter o małej mocy (600 W), który może być używany do małej domowej instalacji energetycznej. Z takiego urządzenia o napięciu 220 woltów można zasilić telewizor lub małą lodówkę. Na lampy w żyrandolu już nie starczy prądu.

Niemniej jednak moc inwertera można obliczyć w następujący sposób:

1. Zsumować moc wszystkich odbiorników.
2. Określić czas poboru.
3. Określić obciążenie szczytowe.

Na konkretnym przykładzie będzie to wyglądać tak.

Niech jako obciążenie będą domowe urządzenia elektryczne: lampy oświetleniowe – 3 szt. po 40 W, odbiornik telewizyjny – 120 W, kompaktowa lodówka – 200 W. Sumujemy moc: 3*40+120+200 i otrzymujemy 440 W.

Określamy moc odbiorników dla średniego okresu 4 godzin: 440*4=1760 W. Na podstawie uzyskanej wartości mocy w czasie poboru, logiczny wydaje się dobór inwertera spośród urządzeń o mocy wyjściowej od 2 kW.

Na podstawie tej wartości oblicza się charakterystykę woltamperową wymaganego urządzenia: 2000*0,6=1200 V/A.

Klasyczny schemat wytwarzania i dystrybucji energii uzyskanej z domowego generatora wiatrowego. Aby jednak zapewnić długoterminowe zasilanie takiej liczby urządzeń, potrzebna jest wystarczająco mocna instalacja (+)

Rzeczywiste obciążenie gospodarstwa domowego dla trzyosobowej rodziny, w pełni wyposażonej w sprzęt AGD, będzie wyższe niż obliczone w przykładzie. Zazwyczaj również czas podłączenia obciążenia przekracza zakładane 4 godziny. W związku z tym potrzebny będzie mocniejszy falownik systemu energii wiatrowej.

Wstępne obliczenia wiatraka przydadzą się nie tylko przy jego samodzielnym montażu. Określenie optymalnych parametrów jest również niezbędne przy wyborze gotowego generatora wiatrowego.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Jak przebiega analiza danych wyjściowych i jak stosuje się wzory, przedstawiono na wideo:

Korzystanie z danych obliczeniowych jest konieczne w każdym przypadku. Niezależnie od tego, czy jest to przemysłowa instalacja energetyczna, czy wykonana do użytku domowego, obliczenia każdego elementu zawsze prowadzą do maksymalnej wydajności urządzenia, a przede wszystkim do bezpieczeństwa eksploatacji.

Wcześniej wykonane obliczenia określają celowość realizacji projektu, pomagają ustalić, na ile kosztowny lub oszczędny okazuje się projekt.

Czy mają Państwo doświadczenie w rozwiązywaniu podobnych zadań? A może pozostały pytania na ten temat? Proszę podzielić się swoimi umiejętnościami w zakresie obliczeń i projektowania generatora wiatrowego. Komentarze i pytania można zostawiać w formularzu poniżej.