Расчет мощности ветроколеса

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Альтернативная энергия, получаемая от энергетических ветряных установок, вызывает в обществе высокий интерес. Подтверждений тому на уровне реальной бытовой практики множество.

Владельцы загородной недвижимости строят ветряки собственными руками и довольствуются полученным результатом, хотя эффект бывает и кратковременным. Причина — при сборке не был произведён расчёт ветрогенератора должным образом.

Согласитесь, не хотелось бы потратив время и средства на реализацию проекта, получить малоэффективную установку. Поэтому важно понять, как произвести расчет ветрогенератора, и по каким параметрам подобрать основные рабочие узлы ветряка.

Решению этих вопросов и посвящена статья. Теоретическая часть материала дополнена наглядными примерами и практичными рекомендациями по сборке ветрогенераторной установки.

Расчёт ветрогенераторной установки

С чего начать рассчитывать систему воспроизводства электроэнергии из энергии ветра? Учитывая, что речь идёт о ветрогенераторе, логичным видится предварительный анализ розы ветров в конкретной местности.

Такие расчётные параметры, как скорость ветра и характерное его направление для данной территории – это важные расчётные параметры. Ими в какой-то степени определяется тот уровень мощности ветряка, который будет реально достижим.

Ветрогенераторы такой мощности сложно даже представить. Но подобные конструкции существуют и эффективно работают. Однако расчёты подобных конструкций показывают относительно небольшую мощность по сравнению с традиционными источниками энергии

Что примечательно, процесс этот носит долговременный характер (не менее 1 месяца), что вполне очевидно. Вычислить максимально вероятные параметры скорости ветра и его наиболее частое направление невозможно одним или двумя замерами.

Потребуется выполнить десятки замеров. Тем не менее, операция эта действительно необходима, если есть желание построить эффективную производительную систему.

Как вычислить мощность ветряка

Ветрогенераторам бытового назначения, тем более сделанным своими руками, удивлять народ высокими мощностями ещё не приходилось. Оно и понятно. Стоит лишь представить массивную мачту высотой 8-10 м, оснащённую генератором с размахом лопастей винта более 3 м. И это не самая мощная установка. Всего-то около 2 кВт.

Для обслуживания ветряков такой мощности используются вертолёты и бригады специалистов, насчитывающие до десятка человек. Чтобы произвести расчёт такой энергоустановки, привлекается ещё большее число исполнителей

Вообще, если опираться на стандартную таблицу, показывающую соотношение мощности ветрогенератора и требуемого размаха лопастей винта, есть чему удивиться. Согласно таблице, для ветряка мощностью 10 Вт необходим двухметровый пропеллер.

На 500-ваттную конструкцию потребуется уже винт диаметром 14 м. При этом параметр размаха лопастей зависит от их количества. Чем больше лопастей, тем меньше размах.

Но это всего лишь теория, обусловленная скоростью ветра, не превышающей значения 4 м/сек. На практике всё несколько иначе, а мощность установок бытового назначения, реально действующих продолжительное время, ещё никогда не превышала 500 Вт.

Поэтому выбор мощности здесь обычно ограничен диапазоном 250-500 Вт при средней скорости ветра 6-8 м/сек.

Таблица зависимости мощности ветряной энергетической системы от диаметра рабочего винта и количества лопастей. Эту таблицу можно применить для расчётов, но с учётом её составления под параметр скорости ветра до 4 м/сек (+)

С теоретической позиции, мощность ветряной энергетической станции считают по формуле:

N=p*S*V 3 /2,

• p – плотность воздушных масс;
• S – общая обдуваемая площадь лопастей винта;
• V — скорость воздушного потока;
• N – мощность потока воздуха.

Так как N – параметр, кардинально влияющий на мощность ветрогенератора, то реальная мощность установки будет находиться недалеко от вычисленного значения N.

Расчёт винтов ветряных установок

При конструировании ветряка обычно применяются два вида винтов:

• крыльчатые — вращение в горизонтальной плоскости;
• ротор Савониуса, ротор Дарье — вращение в вертикальной плоскости.

Конструкции винтов с вращением в любой из плоскостей можно рассчитать при помощи формулы:

Z= L*W/60/V

• Z – степень быстроходности (тихоходности) винта;
• L – размер длины описываемой лопастями окружности;
• W – скорость (частота) вращения винта;
• V – скорость потока воздуха.

Отталкиваясь от этой формулы, можно легко рассчитать число оборотов W – скорость вращения.

Такой выглядит конструкция винта под названием «Ротор Дарье». Этот вариант пропеллера считается эффективным при изготовлении ветрогенераторов небольшой мощности и размеров. Расчёт винта имеет некоторые особенности

А рабочее соотношение оборотов и скорости ветра можно найти в таблицах, которые доступны в сети. Например, для винта с двумя лопастями и Z=5, справедливо следующее соотношение:

Также одним из важных показателей винта ветряка является шаг.

Этот параметр можно определить, если воспользоваться формулой:

H=2πR* tg α,

Дополнительная информация о выборе формы и количества лопастей, а также инструкция по их изготовлению приведена в этой статье.

Подбор генераторов для ветряков

Имея расчётное значение числа оборотов винта (W), полученное по вышеописанной методике, можно уже подбирать (изготавливать) соответствующий генератор.

Например, при степени быстроходности Z=5, количестве лопастей равном 2 и частоте оборотов 330 об/мин. При скорости ветра 8 м/с. мощность генератора приблизительно должна составлять 300 Вт.

Генератор ветряной энергетической установки «в разрезе». Показательный экземпляр одной из возможных конструкций генератора домашней ветряной энергосистемы, собранной самостоятельно

При таких параметрах подходящим выбором в качестве генератора для бытовой ветряной электростанции может стать мотор, который используется в конструкциях современных электровелосипедов. Традиционное наименование детали – веломотор (производство КНР).

Так выглядит электрический веломотор, на базе которого предлагается делать генератор для домашнего ветряка. Конструкция веломотора идеально подходит для внедрения практически без расчётов и доработок. Однако мощность их невелика

Характеристики электрического веломотора примерно следующие:

Положительная особенность веломоторов в том, что их практически не нужно переделывать. Они конструктивно разрабатывались как электродвигатели с низкими оборотами и успешно могут применяться под ветрогенераторы.

Расчёт и выбор контроллера заряда

Контроллер заряда АКБ необходим для ветряной энергетической установки любого типа, включая бытовую конструкцию.

Контроллер — компактное, но крайне полезное электронное устройство, отвечающее за рациональное распределение полученного ветряком заряда. Проще говоря, это балластный регулятор

Контроллер отключает подачу заряда в аккумуляторы при превышении допустимого напряжения и перенаправляет энергию прямо на потребителя. В качестве потребителя может использоваться прибор, без проблем переносящий изменения в питании

В случае падения заряда в аккумуляторных батареях именно контроллер переключает подачу энергии «на запас». Он необходим для предотвращения полного разряда и превышения заряда аккумуляторов

Если энергию для объекта вырабатывают солнечные батареи и ветрогенераторы сообща, балансировать поставку заряда может один, общий для всех установок контроллер

Расчет мощности ветроколеса

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.

Калькулятор расчета прогнозируемой мощности ветрогенератора

Рост цен на энергоносители заставляет многих владельцев домов задумываться над возможностью использования альтернативных источников энергии. Одним из вариантов видится использование ветрогенераторов. Источник – абсолютно легальный, так как никаких значимых ограничений по его использованию нет. И пока еще остается совершенно бесплатным – выработка электроэнергии таким способом в целях личного применения никакими налогами не облагается.

Калькулятор расчета прогнозируемой мощности ветрогенератора

Готовые ветровые энергетические установки – довольно дорогое удовольствие, поэтому домашние мастера начинают строить планы по самостоятельному их изготовлению. Но прежде чем приступать к реализации такого, признаемся, очень непростого и во многом спорного проекта, есть смысл хотя бы примерно прикинуть – какой же ожидается выход выработанной энергии. Иными словами, будет ли какая-то реальная отдача взамен затраченных средств, усилий, времени. В этом вопросе, возможно, окажет помощь предлагаемый калькулятор расчета прогнозируемой мощности ветрогенератора.

Ниже будет дан ряд пояснений по проведению расчета. Сразу оговоримся – приведенный алгоритм предназначен для оценки только осевых горизонтальных ветрогенераторов.

Калькулятор расчета прогнозируемой мощности ветрогенератора

Пояснения по проведению расчетов

Следует правильно понимать – никакой, даже самый совершенный и напичканный современной электроникой генератор не берет энергию ниоткуда, и не способен выдать больше того показателя, который определяется скоростью ветра и размерами ветряка. Иными словами, даже в идеальных условиях можно получить только ту энергию, которая переносится ветровым потоком через определенную площадь. Понятно, что площадью выступает в данном случае площадь круга, образованного вращением лопастей горизонтального ветряка.

Но весьма значительная часть этой энергии расходуется, так сказать, бесполезно – это создание завихрений воздуха, несоврешенсво крыльчатки, потери на силы трения в механике самого ветряка, системы передачи вращательного момента и в генераторе. Это банальный нагрев механизмов, потери в целях преобразования и передачи тока и многое другое. И считается очень неплохим показателем, если на выходе остается порядка 30÷40% от исходного энергетического потенциала. А на практике получается и того меньше.

Значит, задумывая создание ветровой энергетической установки, следует оценить, какое же от неё ожидается поступление электрической энергии. Оно зависит от скорости ветра (в кубической зависимости) и диаметра ветряка (в квадратичной).

Скорость ветра, понятное дело – величина непостоянная. Но для каждой местности рассчитаны среднегодовые показатели, на которые можно ориентироваться, если составляется прогноз на некоторую перспективу (месяц, год и т.п.). Эти показатели можно подсмотреть на карте схеме, размещённой ниже, но лучше все же уточнить в местной метеорологической службе.

Карта-схема среднегодовых скоростей ветра по регионам России

Итак, если есть намётки по размерам лопастей создаваемого генератора, можно провести и расчет мощности. Формула уже заложена в алгоритм калькулятора.

• Пользователю для начала предлагается указать скорость ветра. Некоторые пояснения на этот счет. Прогнозы выработки электроэнергии на определенный период проводятся именно по среднегодовой скорости. А вот номинальная мощность ВЭУ обычно вычисляется по так называемой расчётной скорости ветра, которая может быть в 1,5÷2 раза выше.
• Вторым пунктом указывается радиус ротора ветрогенератора, то есть расстояние от его оси до края лопасти.

(Интересно, что от количества лопастей ничего в данном случае не зависит. Точнее, даже несколько обратная картина – если лопастей больше трех, то может стать только хуже, так как теряется скорость вращения).

• Если известны показатели КПД самого генератора и системы передачи вращения (редуктора), то они указываются в соответствующих полях. Если таких данных нет – можно оставить без изменения по умолчанию.

Остается нажать на кнопку расчета и получить результат. При вычислении от среднегодовой скорости ветра имеется возможность представить, какое количество энергии можно будет получить за определенный период.

К великому разочарованию многих, показатели могут быть более чем скромными. Так что есть над чем подумать, прежде чем принимать какое-то решение.

Ветрогенератор – насколько реалистичны возлагаемые на него надежды?

Увы, говорить о простоте реализации такого проекта и обретении бесплатного источника энергии, который решит все проблемы — было бы большим преувеличением. Для начала следует реально оценить и приобретаемые выгоды, и неизбежные немалые затраты, и собственные возможности. Надеемся, в этом поможет публикация нашего портала «Ветрогенератор своими руками» .

Источник https://sovet-ingenera.com/eco-energy/generators/kak-proizvesti-raschet-vetrogeneratora.html

Источник http://e-veterok.ru/rashet_vetrokolesa_vetrogeneratora.php

Источник https://stroyday.ru/kalkulyatory/elektroxozyajstvo-kalkulyatory/kalkulyator-rascheta-prognoziruemoj-moshhnosti-vetrogeneratora.html