Самодельный вертикальный ветрогенератор
Для расчета есть простая формула:
P — мощность Ватт
S — площадь ометания лопастей кв.м.
V^3 — Скорость ветра в кубе м/с
0.6 — это скорость ветра. Ветер движущийся в пространстве принимается за единицу, но ветер при подходе к любому препятствию теряет свою скорость и мощность. Так-как потери в скорости нам не известны, то будем брать 0.6, это с учетом того что ветер потеряет скорость на 33%.
Дополнительно формула расчета площади круга S=πr2 , где
r — радиус окружности в квадрате
Вообще вертикальные ветряки подобно рекламным щитам ветер тормозят очень сильно, и перед препятствием образуется воздушная подушка, натыкаясь на которую новые порции ветра расходятся по сторонам и 30-40% энергии ветра уходит не принимая участия в давлении на лопасти. По-этому общий КПД, или по правильному КИЭВ ветроколеса у вертикальных ветряков достаточно низкий и составляет всего 10-20% от энергии ветра.
Из анализа самодельных вертикальных ветряков КИЭВ в основном 10% всего, но мы-же оптимисты, по-этому я буду брать КИЭВ 0.2, хотя здесь еще не учитывается КПД генератора и трансмиссии.
0.6*6*2*2*2*0.2=5,76 ватт при 2м/с
0.6*6*3*3*3*0.2=19,44 ватт при 3м/с
0.6*6*4*4*4*0.2=46,08 ватт при 4м/с
0.6*6*5*5*5*0.2=90 ватт при 5м/с
0.6*6*7*7*7*0.2=246 ватт при 7м/с
0.6*6*10*10*10*0.2=720 ватт при 10м/с
Теперь понятно на что способен данный ротор. Далее нам нужно подогнать генератор к этому ротору чтобы генератор смог вырабатывать максимально возможную мощность, которая имеется на роторе, и при этом не перегружать ротор — чтобы он мог вращаться и его обороты сильно не падали. Иначе толку не будет, выработка энергии сильно упадет. Чтобы подогнать генератор нам нужно узнать обороты ветроколеса на каждой скорости ветра.
В отличие от горизонтальных ветряков, где скорость вращения кончиков лопастей обычно в 5 раз быстрее скорости ветра, вертикальный ветрогенератор не может вращаться быстрее скорости ветра. Это связано с тем что тут ветер просто толкает лопасть, и она начинает двигаться с потоком проходящего ветра. А горизонтальный винт работает за счет подъемной силы, которая образуется у тыльной части лопасти, и она выдавливает лопасть вперед, и тут обороты ограничиваются только аэродинамическими свойствами лопасти и подъемной силой.
Вдаваться в подробности не будем, и вернемся к нашему ветроколесу. Чтобы высчитать обороты ротора размером 2*3 метра, где ширина ротора 2 метра, нужно узнать длину окружности ротора. 2*3,14=6.28 метра, то-есть за один оборот кончик лопасти проходит путь в 6.28 метра. Это значит что в идеале полный оборот ротор сделает за проходящий поток ветра длинной 6.28 метра. Но так-как энергия тратится на вращение, на трансмиссию, да еще и на вращение генератора — который нагружен аккумулятором, то обороты упадут в среднем в два раза. И того полный оборот ротор сделает за 12 метров потока ветра.
Тогда получается так, если ветер 3м/с, то при этом ветре за секунду ротор сделает 0,4 оборота, а за 4 секунды полный оборот. А за минуту при ветре 3м/с будет 60_4=15об/м.
При 3м/с 12_3=4, 60_4=15об/м
При 4м/с будет 12_4=3, 60_3=20об/м.
При ветре 5м/с 12_5=2.4, 60:2.4=25об/м.
При 7м/с 12_7=1.71, 60:1,71=35об/м
При 10м/с 12_10=1.2, 60:1.2=50об/м
С оборотами ветроколеса я думаю теперь понятно, и они известны. Чем больше в диаметре ветроколесо, тем меньше его обороты относительно скорости ветра. Так к примеру ветроколесо диаметром 1 метр будет крутится в два раза быстрее чем ветроколесо 2м в диаметре.
Теперь нужен генератор, который на этих оборотах должен вырабатывать мощность не более чем может выдать ветроколесо. А если генератор будет мощнее, то он перегрузит ротор, и тот не сможет раскрутится до своих оборотов, и в итоге обороты будут низкие и общая мощность. При ветре 3м/с у нас 15 об/м, и мощность ветроколеса 19 ватт , вот нужно чтобы генератор нагружал ротор не более 19ватт. Это с учетом КПД редуктора (если он имеется) и КПД самого генератора. КПД редуктора и генератора обычно не известны, но на них тоже значительные потери, и в общем на этом теряется 20-50% энергии, и на выходе на аккумулятор уже поступает всего 50%, это в нашем случае 10ватт примерно.
Если генератор перегрузит ветроколесо, то его обороты не выйдут на номинальные, и будут значительно ниже скорости ветра. От этого упадут обороты генератора и его мощность. Плюс еще значительно медленные по скорости лопасти относительно ветра, будут его сильно тормозить и ветер будет разбегаться в стороны, в итоге мощность ветроколеса упадет еще больше. Так со слишком мощным генератором энергии на аккумулятор будет в разы меньше чем могло бы быть. Или наоборот, когда генератор слишком слабый и при 15об/м ветроколеса не может на полную нагрузить ветроколесо, то то-же получается что мы берем гораздо меньше энергии от возможной.
В итоге генератор должен соответствовать по мощности ветроколесу, только так мы можем снять максимально возможную мощность ветроколеса. Это можно сказать самая сложная задача так-как генератор может абсолютно разных характеристик напряжения и тока к оборотам. Чтобы подобрать генератор его нужно покрутить на аккумулятор и измерить отдаваемую энергию, или просчитать по формулам. А далее уже пробовать подгонять к ветроколесу.
К примеру у вашего генератора при 300об/м 1Ампет на АКБ 14вольт, это примерно 14ватт, а ветроколесо выдает 19ватт при 15об/м. Значит мультипликатор нужен 1:20 чтобы генератор крутился при этом на 300об/м. При 5м/с обороты ветроколеса 25об/м, а генератор значит будет вращаться со скоростью 500об/м. Мощность ветроколеса у нас при этом всего 90ватт, а генератор превышает по мощности и дает 200ватт. Так не пойдет ветроколесо просто будет медленно вращаться и свои 90ватт не выдаст — а 200ватт тем-более. Выход — или жертвовать началом зарядки и делать редуктор 1:15, или увеличивать по высоте ветроколесо в два раза чтобы ветроколесо потянуло генератор.
Расчет вертикальных ветрогенераторов
Расчет вертикального ветрогенератора в общих чертах. От чего отталкиваться при расчете, статья ориентирована на начинающих
Секция: Технические науки
XL Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»
Расчет мощности ветрогенератора
Расчет мощности ветрогенератора. Распределение продолжительности градаций скорости ветра, оценка превалирующего направления ветра, построение розы ветров для данной местности. Выбор ВРТБ – ветроэлектростанции с вертикально расположенным валом генератора (VAWT)
Распределение скорости ветра по градациям позволяет рассчитать выработку ветроэлектростанции по каждому месяцу. Для этого следует процент повторяемости интервала скорости ветра преобразовать в соответствующий временной интервал. Тогда мощность ветрогенератора, соответствующая данной ветровой градации, и время работы ВЭС в данном режиме позволяют определить количество электроэнергии за рассматриваемый месяц при соответствующей скорости ветра. Повторяемость скорости ветра по градациям представляет собой временную характеристику скорости ветра. Эта характеристика важна для ветроэнергетических расчетов, связанных с оценкой интервалов времени работы ветроэлектростанции при различных скоростях ветра. Интервал наблюдений ветрогенерации выбрали один месяц. Среднее значение распределения месячного ветрового потенциала определяется обработкой данных ежедневных наблюдений на ближайшей метеостанции. В качестве примера распределения ветрового потенциала в течение года по градациям в таблице 1 приведены данные метеостанции города Костаная.
Таблица 1.
Повторяемость различных градаций скорости ветра (%)
Суммарная энергия, которую может произвести ветроэлектростанция конкретного типа за рассматриваемый временной интервал, определяется как сумма энергий, соответствующих каждой градации ветра:
где: Pi –мощность ВЭС при средней скорости ветра i – градации, Ti – продолжительность i – градации скорости ветра в течении месяца, n –количество градаций скорости ветра.
Расчет распределения продолжительности градаций скорости ветра за два месяца наблюдения на метеостанции приведен на рисунке 1.
Рисунок 1. График распределения продолжительности градаций скорости ветра
При расчете выработки электроэнергии следует учитывать увеличение скорости ветра на высоте оси ветродвигателя по сравнению с данными наблюдений на высоте флюгера. Обычно башня для ветроэлектростанции входит в состав её комплектации с указанием конструктивных параметров. Для автономных ВЭС на мощности до 100–200 кВт высота башни обычно не превышает 50 м. Соответственно, учет вертикального профиля ветра на высотах 20, 30, 40, 50 м позволит более точно оценить ветроэнергетический потенциал местности.
Для оценки превалирующего направления ветров строится роза ветров (рис. 2), представляющая собой векторную диаграмму, у которой длина лучей, расходящихся от центра диаграммы в разных направлениях (румбах горизонта), пропорциональна повторяемости ветров этих направлений.
Рисунок 2. Роза ветров
Превалирующее направление ветра на выбранной площадке следует учитывать при строительстве ветропарка, а также соотносить его с ландшафтом (за исключением равнинного характера местности).
Таким образом, результатами исследования ветроэнергетического потенциала в предполагаемом месте размещения ветроэлектростанции являются следующие характеристики:
1) Определение среднедневной, среднемесячной и среднегодовой скорости ветра по данным метеонаблюдений за 5-10 лет.
2) Пересчет средней скорости ветра каждого месяца на предполагаемую высоту башни ветрогенератора.
3) Распределение скорости ветра на высоте оси ветрогенгератора по градациям для каждого месяца года.
4) Построение розы ветров для города Костаная.
Полученные ветроэнергетические характеристики позволяют оптимизировать выбор ветроэнергетического оборудования и, далее, интегрировать его в систему электроснабжения города.
Гибридная автономная система – солнце-ветер (инверторно-аккумуляторная).
Возможно подключение солнечных фотомодулей к ветрогенераторной системе через контроллеры для солнечных систем + ДГУ.
В данных условиях следует принять возможность обеспечить объект установкой дополнительного оборудования:
1. Инверторно-аккумуляторной системой + АВР (для накапливания энергии при отсутствии нагрузки, и для питания от аккумуляторов при отсутствии ветра), при полном разряде АКБ, АВР переключит питание от аккумуляторов на ДГУ.
2. Установленная мощность ВЭС и требования к размещению ветро-парка.
ВРТБ – ветроэлектростанция с вертикально расположенным валом генератора(VAWT). Основным преимуществом конструкции ветростанции является ее независимое «наведение на ветер». Ветросиловая часть принимает ветер с любой стороны автоматически без каких-либо настроечных операций и не требует разворота станции при изменении направления ветра.
Комплексная энергетическая система ВРТБ включает следующие функциональные элементы:
· модули ВРТБ для преобразования энергии ветра,
· солнечную фотоэлектрическую установку для генерация электрической энергии,
· аккумуляторные батареи для хранения выработанной энергии и обеспечения потребителя электроэнергией,
· ШУЗ ВРТБ – устройство обеспечения корректного функционирования станции, контроля заряда, автоматики,
· генератор (преобразование механического вращения модулей в электроэнергию),
· инвертор – прибор преобразования постоянного тока, вырабатываемого КЭС, в переменный, требуемый потребителю, с возможностью выдачи электроэнергии в сеть.
· при одинаковых размерах с винтовыми роторные имеют большую площадь «ометаемой» поверхности и, следовательно, большую мощность (в 2–3 раза),
· не боятся резких кратковременных порывов ветра (шквалов),
· ротор не стоит на месте (в одной плоскости, как воздушный винт), а постоянно уходит от ветра, поэтому установки не боятся штормовых ветров и легко, без дополнительных мер безопасности, в том числе конструктивных, используются в более широком диапазоне ветров (от 2 до 50 м/сек). С повышением скорости ветра только увеличивается устойчивость (эффект волчка или гироскопа),
· эффективная работа при малых скоростях ветра (3–4 м/сек),
· возможность монтажа установки на различных площадях (крыши зданий, платформы, вышки, мобильные сооружения (бытовки, вагончики и пр.),
· полная бесшумность при всех режимах работы (30 B на расстоянии 5 м при ветре 15 м/с),
· отсутствие необходимости флюгерной системы, ориентирующей винт на ветер, что позволяет установке работать при неустойчивых по направлению ветрах, при резкой смене направления ветра,
· сравнительно малая скорость вращения ротора (до 200 об/мин) увеличивает ресурс работы подшипников, интервал между смазкой движущихся поверхностей, общий ресурс работы,
· возможность использования приземного низового ветра,
· уникальный генератор с контрвращением,
· простота монтажа и технического обслуживания,
Расчет мощности ветрогенератора
Марченко Е.А. Расчет мощности ветрогенератора // XL Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»
РАСЧЕТ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА,
Цель: ознакомиться с основными параметрами ВЭУ и методикой расчета ветрогенераторов.
Продолжительность занятия – 2 часа
Ход работы:
1. На основании теоретической части работы ознакомится и законспектировать классификацию и особенности строения ветрогенераторов и их технические характеристики.
2. В соответствии с индивидуальным заданием произвести расчет ветрогенератора.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Ветрогенераторами называют двигатели, преобразующие энергию ветра в механическую работу. По устройству ветряка и положению его в потоке ветра системы ветродвигателей разделяются на три класса:
1. Крыльчатые ветрогенераторы имеют ветроколесо с тем или иным числом крыльев. Плоскость вращения ветроколеса у крыльчатых ветродвигателей перпендикулярна направлению ветра, следовательно, ось вращения параллельна ветру (рис. 1, а). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей достигает ξ= 0,42.
2. Карусельные и роторные ветрогенераторы имеют ветроколесо (ротор) с лопастями, движущимися в направлении ветра, ось вращения ветроколеса занимает вертикальное положение (рис. 1, б). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей равен от 10 до 18%.
3. Барабанные ветрогенераторы имеют такую же схему ветроколеса, как и роторные, и отличаются от них лишь горизонтальным положением ротора, т. е. ось вращения ветроколеса горизонтальна и расположена перпендикулярно потоку ветра (рис. 1, г). Коэффициент использования энергии ветра этих ветряков от 6 до 8%.
Рис. 1. Системы ветродвигателей: а - крыльчатые ветродвигатели, б) - роторные ветрогенераторы, в - карусельные ветрогенераторы, г - барабанные ветрогенераторы.
Рис. 2 – Ветродвигатель и его основные элементы
Крыльчатый ветродвигатель состоит из следующих элементов (рис. 2):
1. Ветряк может иметь от 2 до 24 лопастей. Ветряки с числом лопастей от 2 до 4 называются малолопастными, если у ветроколеса более 4 лопастей, то оно называется многолопастным.
2. Головка ветродвигателя представляет опору, на которой монтируется вал ветроколеса и верхняя передача (редуктор).
3. Хвост крепится к головке и поворачивает ее около вертикальной оси, устанавливая ветроколесо на ветер.
4. Башня ветродвигателя служит для выноса ветроколеса выше препятствий, нарушающих течение воздушного потока. Маломощные ветродвигатели, работающие на генератор, обычно монтируются на столбе или трубе с растяжками.
5. У основания башни вертикальный вал приключается к нижней передаче (редуктору), которая передает движение рабочим машинам.
6. Регулирование оборотов ветроколеса представляет приспособление или механизм, с ограничивающий обороты ветроколеса с увеличением скорости ветра.
Параметры ветроустановки связаны между собой несложными однозначными физическими зависимостями.
Основные параметры ВЭУ:
Номинальная мощность P ном [Вт, кВт] — мощность, развиваемая ветроустановкой при расчетной скорости ветра,
Расчетная скорость ветра V P [м/с] — скорость, которую принимают для расчета ветровой нагрузки на сооружения при проектировании. В зависимости от класса сооружения в расчет принимается скорость с заданной повторяемостью - 1 раз в год, в 5, 10, 15, 20, 50 и 100 лет,
Диаметр ветротурбины D [м] – отрезок, соединяющий пару наиболее удаленных друг от друга точек ветротурбины, проходящий через ее центр.
Выработка энергии W М [кВт Ч] – количество энергии, вырабатываемое ветротурбиной за определенный промежуток времени (месяц, год), величина, зависящая от средней скорости ветра,
Средняя мощность P СР [кВт] — мощность, при непрерывном поддержании которой, выработка энергии за месяц будет равна реальной.
РАСЧЕТ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
РАСЧЕТ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА, Практическое занятие № 4 Цель: ознакомиться с основными параметрами ВЭУ и методикой расчета ветрогенераторов. Продолжительность занятия – 2 часа Ход
Сейчас довольно широкую популярность приобретают ветряные генераторы. На рынке присутствует великое множество самых разнообразных моделей. Возникает вопрос: как рассчитать мощность ветрогенератора?
Расчет мощности ветрогенератора
В большинстве случаев, процесс целесообразности монтирования ветряных станций будет зависеть от средних скоростей ветра в определенной местности. Монтирование ветряных установок является оправданной при минимальной силе ветра четыре метра в секунду. При скорости ветра девять-двенадцать метров в секунду, ветряная установка будет работать на максимальных оборотах.
Кроме того, мощность таких устройств также зависит от поверхностей используемых лопастей и от диаметрального размера роторного устройства. При известных средних скоростях ветра по данному региону, можно подобрать необходимый генератор, используя определенную величину размера винта.
Расчет производится по формуле: Р=2D*3V/7000 кВт, в которой P является мощностью, D является диаметральным размером винтового устройства, а такой параметр, как V, обозначает силу ветра в метрах в секунду. Но такая формула подходит только для ветрогенераторов горизонтального назначения.
Ветрогенераторы большой мощности: обзор, плюсы и минусы, нюансы
На сегодняшний день могут производиться ветряные устройства, у которых мощность ветрогенератора является достаточно большой. Ветряные установки больших мощностей используются, в основном, для промышленных нужд.
У данных генераторов имеются несомненные преимущества:
- способность обеспечить необходимым количеством энергии даже средние по своей величине поселки,
- использование энергетических ресурсов природного характера, которые просто неограниченны по своим запасам.
Недостатками данных генераторов, да и вообще всех генераторных устройств с применением силы ветра, являются:
- неподконтрольность природных сил,
- слишком быстрое изнашивание аккумуляторных устройств,
- создание довольно большого шума при работе,
- создание разнообразного рода помех для различной аппаратуры.
На данный момент существует великое множество производителей ветровых устройств по производству энергии. Приведем основные:
- Российский дочерний филиал предприятия «Algatec Solar» (Германия),
- Отечественная фирма по производству ветряков и других типов оборудования «ЭнерджиВинд»,
- Московская компания с хорошим по своим качественным характеристикам оборудованием - «Сапсан-Энергия».
Конечно же, существуют и другие компании данного направления, но их перечисление займет слишком много времени.
Ветрогенераторы малой мощности
Для обеспечения дополнительных нужд электропитания в частном хозяйстве и на малых предприятиях, могут применяться ветрогенераторы малых мощностей.
Ветрогенераторы малой мощности
Генератор с малой мощностью не сможет в полной мере обеспечить частный дом необходимой энергией, но вот в качестве дополнительного источника питания (в случаях с постоянными отключениями электричества) помочь могут. На малых предприятиях, также в качестве дополнительных источников, могут монтироваться несколько генераторов с маленькой мощностью.
На данный момент существуют даже модели переносных ветрогенераторов небольшой производительности. Мощностей таких переносных устройств вполне хватает для процесса освещения: можно использовать один-два электроприбора. Такие переносные модели имеют небольшой вес и просты в монтаже.
Промышленные ветрогенераторы большой мощности
Для промышленных масштабов потребления электричества применяются ветряные станции с большой мощностью. В большинстве случаев, такие генераторы просто огромны.
Промышленные ветрогенераторы - когда требуются большие результаты
Кроме того, обычно применяется расположение данных установок в обширных долинах, могут устанавливаться в достаточно пустынных местностях, есть даже варианты морских плантаций с ветряками.
Особенно большое распространение такие огромные долины с ветряками получили в европейских странах и на американском континенте.
В США существует огромное количество мест с расположенными ветряными станциями промышленных масштабов.
Ветрогенераторы разных типов мощности и их особенности
Сейчас довольно широкую популярность приобретают ветряные генераторы. Возникает вопрос: как рассчитать мощность ветрогенератора без ошибок?
Расчет вертикального ветряка по сути ни чем не отличается от расчета обычного горизонтального. Но в расчете есть свои особенности так-как вертикальные ветряки типа "Бочка" работают не за счет подъемной силы, а за счет давления ветра на лопасти. Далее я приведу пример расчета ветряка в общих чертах. Расчет хоть и довольно точный, но он дает общее представление о мощности ветрогенератора, но не учитываются многие факторы, которые могут значительно влиять на реальный результат.
Самодельный вертикальный ветрогенератор
Для примера фото вертикального ветряка типа "Бочка"К примеру мы хотим сделать ветрогенератор типа "Бочка" размером по ширине 2 метра, и высотой 3 метра. Количество лопастей не имеет особого значения, и скажем у нас 4 полукруглых лопасти. Для начала нам нужно узнать сколько энергии мы вообще можем получить с этого ротора.
Для расчета есть простая формула:
P=0.6*S*V^3
P - мощность Ватт
S - площадь ометания лопастей кв.м.
V^3 - Скорость ветра в кубе м/с
0.6 - это скорость ветра. Ветер движущийся в пространстве принимается за единицу, но ветер при подходе к любому препятствию теряет свою скорость и мощность. Так-как потери в скорости нам не известны, то будем брать 0.6, это с учетом того что ветер потеряет скорость на 33%.
Дополнительно формула расчета площади круга S=πr2 , где
π - 3,14
r - радиус окружности в квадрате
Вообще вертикальные ветряки подобно рекламным щитам ветер тормозят очень сильно, и перед препятствием образуется воздушная подушка, натыкаясь на которую новые порции ветра расходятся по сторонам и 30-40% энергии ветра уходит не принимая участия в давлении на лопасти. По-этому общий КПД, или по правильному КИЭВ ветроколеса у вертикальных ветряков достаточно низкий и составляет всего 10-20% от энергии ветра.
Из анализа самодельных вертикальных ветряков КИЭВ в основном 10% всего, но мы-же оптимисты, по-этому я буду брать КИЭВ 0.2, хотя здесь еще не учитывается КПД генератора и трансмиссии.
0.6*6*2*2*2*0.2=5,76 ватт при 2м/с
0.6*6*3*3*3*0.2=19,44 ватт при 3м/с
0.6*6*4*4*4*0.2=46,08 ватт при 4м/с
0.6*6*5*5*5*0.2=90 ватт при 5м/с
0.6*6*7*7*7*0.2=246 ватт при 7м/с
0.6*6*10*10*10*0.2=720 ватт при 10м/с
Теперь понятно на что способен данный ротор. Далее нам нужно подогнать генератор к этому ротору чтобы генератор смог вырабатывать максимально возможную мощность, которая имеется на роторе, и при этом не перегружать ротор - чтобы он мог вращаться и его обороты сильно не падали. Иначе толку не будет, выработка энергии сильно упадет. Чтобы подогнать генератор нам нужно узнать обороты ветроколеса на каждой скорости ветра.
В отличие от горизонтальных ветряков, где скорость вращения кончиков лопастей обычно в 5 раз быстрее скорости ветра, вертикальный ветрогенератор не может вращаться быстрее скорости ветра. Это связано с тем что тут ветер просто толкает лопасть, и она начинает двигаться с потоком проходящего ветра. А горизонтальный винт работает за счет подъемной силы, которая образуется у тыльной части лопасти, и она выдавливает лопасть вперед, и тут обороты ограничиваются только аэродинамическими свойствами лопасти и подъемной силой.
Вдаваться в подробности не будем, и вернемся к нашему ветроколесу. Чтобы высчитать обороты ротора размером 2*3 метра, где ширина ротора 2 метра, нужно узнать длину окружности ротора. 2*3,14=6.28 метра, то-есть за один оборот кончик лопасти проходит путь в 6.28 метра. Это значит что в идеале полный оборот ротор сделает за проходящий поток ветра длинной 6.28 метра. Но так-как энергия тратится на вращение, на трансмиссию, да еще и на вращение генератора - который нагружен аккумулятором, то обороты упадут в среднем в два раза. И того полный оборот ротор сделает за 12 метров потока ветра.
Тогда получается так, если ветер 3м/с, то при этом ветре за секунду ротор сделает 0,4 оборота, а за 4 секунды полный оборот. А за минуту при ветре 3м/с будет 60:4=15об/м.
При 3м/с 12:3=4, 60:4=15об/м
При 4м/с будет 12:4=3, 60:3=20об/м.
При ветре 5м/с 12:5=2.4, 60:2.4=25об/м.
При 7м/с 12:7=1.71, 60:1,71=35об/м
При 10м/с 12:10=1.2, 60:1.2=50об/м
С оборотами ветроколеса я думаю теперь понятно, и они известны. Чем больше в диаметре ветроколесо, тем меньше его обороты относительно скорости ветра. Так к примеру ветроколесо диаметром 1 метр будет крутится в два раза быстрее чем ветроколесо 2м в диаметре.
Теперь нужен генератор, который на этих оборотах должен вырабатывать мощность не более чем может выдать ветроколесо. А если генератор будет мощнее, то он перегрузит ротор, и тот не сможет раскрутится до своих оборотов, и в итоге обороты будут низкие и общая мощность. При ветре 3м/с у нас 15 об/м, и мощность ветроколеса 19 ватт , вот нужно чтобы генератор нагружал ротор не более 19ватт. Это с учетом КПД редуктора (если он имеется) и КПД самого генератора. КПД редуктора и генератора обычно не известны, но на них тоже значительные потери, и в общем на этом теряется 20-50% энергии, и на выходе на аккумулятор уже поступает всего 50%, это в нашем случае 10ватт примерно.
Если генератор перегрузит ветроколесо, то его обороты не выйдут на номинальные, и будут значительно ниже скорости ветра. От этого упадут обороты генератора и его мощность. Плюс еще значительно медленные по скорости лопасти относительно ветра, будут его сильно тормозить и ветер будет разбегаться в стороны, в итоге мощность ветроколеса упадет еще больше. Так со слишком мощным генератором энергии на аккумулятор будет в разы меньше чем могло бы быть. Или наоборот, когда генератор слишком слабый и при 15об/м ветроколеса не может на полную нагрузить ветроколесо, то то-же получается что мы берем гораздо меньше энергии от возможной.
В итоге генератор должен соответствовать по мощности ветроколесу, только так мы можем снять максимально возможную мощность ветроколеса. Это можно сказать самая сложная задача так-как генератор может абсолютно разных характеристик напряжения и тока к оборотам. Чтобы подобрать генератор его нужно покрутить на аккумулятор и измерить отдаваемую энергию, или просчитать по формулам. А далее уже пробовать подгонять к ветроколесу.
К примеру у вашего генератора при 300об/м 1Ампет на АКБ 14вольт, это примерно 14ватт, а ветроколесо выдает 19ватт при 15об/м. Значит мультипликатор нужен 1:20 чтобы генератор крутился при этом на 300об/м. При 5м/с обороты ветроколеса 25об/м, а генератор значит будет вращаться со скоростью 500об/м. Мощность ветроколеса у нас при этом всего 90ватт, а генератор превышает по мощности и дает 200ватт. Так не пойдет ветроколесо просто будет медленно вращаться и свои 90ватт не выдаст - а 200ватт тем-более. Выход - или жертвовать началом зарядки и делать редуктор 1:15, или увеличивать по высоте ветроколесо в два раза чтобы ветроколесо потянуло генератор.
Так нужно чтобы генератор соответствовал по мощности и оборотам на всем диапазоне вращения ветроколеса. А если генератор не-дотягивает по мощности, то нужно или увеличивать передаточное число мультипликатора, или уменьшать ротор чтобы добиться баланса между оборотами и мощностью ветроколеса и генератора. Часто люди вообще без всяких расчетов ставят генераторы от чего найдут, и строят ветроколесо насмотревшись видео с ютюба, а в итоге получается что ветрогенератор не работает на малом ветру и по мощности просто мизер совсем.
Описание и характеристики различных типов ветрогенераторов, их сильные и слабые стороны и применение в различных областях.
Расчёт
Если известна средняя скорость ветра, то манипулируя величинами диаметра винта или его площади, можно вывести подходящую мощность установки, которая необходима.
Р = 2D*3V/7000, кВт, где
P - мощность;
D - диаметр винта в м;
V - скорость ветра в м/сек.
Данная формула расчёта эффективности ветрогенератора справедлива исключительно для крыльчатого — горизонтального типа.
Виды
На данный момент в серийном производстве существует 2 вида ветрогенераторов:
Но они имеют серьёзный недостаток — тихоходность. Для его преодоления применяют повышающие редукторы, что несколько снижает КПД.
Преимущества:
- Большая скорость вращения, это позволяет соединяться с генератором, что увеличивает КПД;
- Простота изготовления;
- Большое разнообразие моделей.
Недостатки:
- Высокий уровень шумового и ультразвукового загрязнения. Это может быть опасно для здоровья людей. Поэтому генерирующие промышленные мощности располагают в безлюдных местах;
- Необходимость применять стабилизатор и устройства наведения на поток ветра;
- Скорость вращения находится в обратной пропорции к количеству лопастей, поэтому в промышленных моделях редко используют более трёх лопастей.
Работы по преодолению последнего недостатка ведутся уже довольно давно. Было разработано и выпущено несколько небольших моделей ветрогенераторов. Их КПД довольно высокий для своего класса мощности, из-за оригинального строения лопасти.
Площадь сопротивления ветру в такой модели минимальна, она может работать при силе ветра и 2 м/с и выдавать при этом 30 Вт. Но учитывая, что на трение и иные потери, в моделях такого класса, уходит до 40% энергии, оставшихся 18 Вт не хватит даже на освещение одной лампочкой. Для использования на даче или в частном доме нужно, что-то серьёзнее.
Выбор модели
Стоимость комплекта ветрогенератора, инвертора, мачты, ШАВРа — шкафа автоматического включения резерва, напрямую зависит от мощности и КПД.
| Максимальная мощность кВт | Диаметр ротора м | Высота мачты | Номинальная скорость м/с | Напряжение |
| 0,55 | 2,5 | 6 | 8 | 24 |
| 2,6 | 3,2 | 9 | 9 | 120 |
| 6,5 | 6,4 | 12 | 10 | 240 |
| 11,2 | 8 | 12 | 10 | 240 |
| 22 | 10 | 18 | 12 | 360 |
Как видим для полного или частичного обеспечения усадьбы электричеством необходимы генераторы большой мощности, установить которые самостоятельно довольно проблематично. В любом случае высокие капитальные вложения и необходимость производства работ по монтажу мачты с помощью спецтехники существенно снижают популярность ветровых энергетических систем для частного использования.
Существуют переносные ветрогенераторы малой мощности, которые можно взять с собой в путешествие. Эти модели компактны быстро монтируются на местности, не требуют особого ухода, и дают достаточно энергии, для комфортного времяпрепровождения на природе.
И хоть максимальная мощность такой модели всего 450 Вт, этого достаточно для освещения всего кемпинга и даёт возможность использовать бытовые электроприборы вдали от цивилизации.
Для средних и малых предприятий установка нескольких генерирующих ветровых станций могла бы дать существенную экономию в энергозатратах. Множество европейских фирм занимаются производством продукции такого типа.
Это сложные инженерные системы, требующие профилактики и обслуживания, но их номинальная мощность такова, что может перекрыть нужды всего производства. Для примера в Техасе на самой большой ветроэлектростанции в США всего 420 таких генераторов вырабатывают за год 735 мегаватт.
Новейшие разработки
Прогресс не стоит на месте, и новые разработки поднимают эффективность ветрогенераторов на новую высоту, в буквальном смысле. Одной из самых трудозатратных частей при создании ветровой электростанции был монтаж наземных систем: мачты, генератора, ротора, лопастей. На малых высотах, возле земли ветровые потоки не постоянны, а подъём генерирующих мощностей на большую высоту, делает мачту слишком сложной и дорогой конструкцией.
Теперь этого можно избежать. Компания Makani Power разработала летающий ветрогенератор — крыло, запустив который на большую высоту 550 м, можно получить до 1 МВт электроэнергии в год.
Методика расчета мощности ветроколеса ветрогенератора относительно точная и довольно простая.Ниже формула расчета мощности энергии ветра P=0.6*S*V^3 , где
P- мощность Ватт
S- площадь ометания кв.м.
V^3- Скорость ветра в кубе м/с
Дополнительно формула расчета площади круга S=πr2 , где
R- радиус окружности в квадрате
К примеру если взять площадь винта 3кв.м. и посчитать мощность на ветре 10 м/с, то получится 0,6*3*10*10*10=1800ватт. Но это мощность ветрового потока, а винт заберет часть мощности, которая в теории может достигать 57%, но на практике для горизонтальных трехлопастных ветрогенераторов этот параметр 35-45%. А для вертикальных типа Савониус 15-25%.
Тогда в среднем для горизонтального трехлопастного винта коэффициент использования энергии ветра поставим 40% и посчитаем, 1800*0,4= 720 ватт. Винт заберет 720 ватт у ветра, но еще есть КПД генератора, который у генераторов на постоянных магнитах примерно 0,8 , а с электровозбуждением 0,6. Тогда 720*0,8=576 ватт.
Но на практике все может быть гораздо хуже, так-как генератор не во всех режимах работы имеет высокий КПД, так-же eсть потери в проводах, на диодном мосту, в контроллере, и в аккумуляторе. Поэтому можно скинуть смело еще 20% мощности и останется примерно 576-20%=640,8 ватт.
У вертикального ветрогенератора это параметр будет еще меньше так-как во-первых КИЭВ всего 20%, а так-же мультипликатор, КПД которого 70-90%. Тогда изначальные из 1800 ватт мощности ветра лопасти отнимут 1800*0,2=360ватт. Минус КПД генератора 0,8 и мультипликатора 0,8 равно 360*0,8*0,8=230,4ватт. И еще минус 20% на потери в проводах, диодном мосту, контроллере и АКБ., и останется 230,4-20%=183,6ватт.
Из реальной жизни практический расчет мощности ветрогенератора.
Эту формулу можно встретить на многих форумах и сайтах по ветрогенераторам. Для проверки формулы я хочу сравнить реальные данные двух ветрогенераторов небольшой мощности с почти одинаковыми по площади винтами, но один горизонтальный, а второй вертикальный.На фото два реальных самодельных ветрогенератора, первый горизотальный трехлопастной с диаметром винта 1,5м., второй вертикальный шириной 1м высотой 1,8м. Не считая данные сразу напишу что мощность горизонтального на ветру 10м/с около 90 ватт, и вертикального 60ватт. КИЭВ первого так-как лопасти сделаны на глазок наверно 0,3 , а второго вертикального вроде хорошо сделанного 0,2.
Теперь вычислим площадь винта ометаемую ветром, для первого это 1,76м, для второго вертикального 1,8м.
Значит для горизонтального 0,6*1,76*10*10*10=1056*0,3*0,8-20%=202ватт.
Значит для вертикального 0,6*1,8*10*10*10=1080*0,2*0,8-20%=138ватт.
Получились вот такие теоретические данные, но зная реальные становится становится понятно что КИЭВ обоих ветрогенераторов и КПД их генераторов далек от хороших показателей. В таком случае для большинства самодельных генераторов, которые делаются на глазок без расчетов можно смело скидывать еще 50% и получить в итоге реальную ожидаемую мощность от ветроустановки с ветроколесом определенной площади.
Реальная мощность самодельного ветрогенератора.
Горизонтальный ветрогенератор мощностью 202ватт.-50%=101ватт, а реальных 90ватт.Вертикальный ветрогенератор мощностью 138ватт.-50%=69ватт,а реальных 60ватт.
Уже продолжительное время интересуясь ветрогенераторами я сделал (может и ошибочный) вывод что большинство самодельных ветроустановок далеки от заводских аналогов. Только лишь с применением точных расчетов можно добиться высокого КПД всей ветроустановки и это удается не многим.
А с большинства самодельных ветрогенераторов можно при расчете мощности смело скидывать половину ожидаемой мощности и сразу делать ветрогенератор в два раза мощнее чем нужен, чтобы компенсировать все недочеты домашней сборки и применяемых материалов.
Для расчета номинальной мощности ветрогенератора для организации электроснабжения частного дома или загородной недвижимости предлагаем воспользоваться следующими принципами
Для выбора ветрогенерирующей электроустановки требуется как можно более точно определить наиболее постоянное направление и среднюю скорость ветра в месте предполагаемого монтажа оборудования. При этом необходимо понимать, что лопасти ветрогенератора начинают вращение при скорости ветра от 2 м/с. Наиболее максимальный коэффициент полезного действия (КПД) установки достигается при скорости ветра 9 – 12 м/с.
Для обеспечения электроэнергией небольшого загородного дома необходим генератор с номинальной мощностью не менее 1 кВт час, вырабатываемых при скорости ветра порядка 8 м/c.
Мощность ветрогенерирующей электроустановки во многом зависит от скорости ветра и диаметра рабочего винта.
Для расчета эксплуатационных характеристик ветряка для небольшого загородного дома можно воспользоваться следующими формулами:
1.Рассчет ветрогенератора по площади вращения
P = 0,6*S*V 3 ,
S - Площадь (м 2), перпендикулярная относительно направления ветра;
V - Скорость ветра (метров в секунду).
P – Мощность генератора, кВт
2.Рассчет ветрогенератора по диаметру винта
Р = D 2 *V 3 /7000,
D - Диаметр винта (метров);
V – Скорость ветра (метров в секунду).
P – Мощность генератора, кВт
3.Более сложный расчет с учетом плотности воздушного потока
Более точный расчет можно сделать по следующей формуле:
P = ξ π R2 0,5 V3 ρ ηред ηген
ξ - коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум ξmax = 0,4 ÷ 0,5), безмерная величина
R - радиус ротора, единица измерения - м
V - скорость воздушного потока, единица измерения - м / с
ρ - плотность воздуха, единица измерения - кг/м3
ηред - КПД редуктора, единица измерения - проценты
ηген - КПД генератора, единица измерения - проценты
Очевидно, что для выбора наиболее оптимального диаметра винта ветрогенератора необходимо знать среднюю скорость ветра на месте планируемой установки. Количество электроэнергии, произведенной ветряком возрастает в кубическом соотношении с повышением скорости ветра. Например, если скорость ветра увеличится в 2 раза, то кинетическая энергия, выработанная ротором, увеличится в 8 раз. Поэтому можно сделать вывод, что скорость ветра является самым важным фактором, влияющим на мощность установки в целом.
Для выбора места установки ветрогенерирующей электроустановки наиболее подойдут участки с минимальным количеством преград для ветра (без больших деревьев и построек) на расстоянии от жилого дома не менее 25-30 метров (не забывайте, что ветрогенераторы весьма громко гудят во время работы). Высота расположения центра ротора ветряка должна быть не менее чем на 3-5 метров выше ближайших построек. На линии ветреного прохода деревьев и построек быть не должно. Для расположения ветрогенератора наиболее подойдут вершины холмов или горные хребты с открытым ландшафтом.
В случае, если ваш загородный дом не планируется подключать к общей сети, то следует рассмотреть вариант комбинированных систем:
- ВЭС + Солнечные батареи
- ВЭС + Дизель
Комбинированные варианты помогут решить проблемы в регионах, где ветер переменчивый или зависит от времени года, а также данный вариант является актуальным для солнечных батарей.
