Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

От чего зависит КПД ветрогенератора?

Как уже говорилось, КПД ветрогенератора является производным от его технического состояния, вида турбины, конструктивных особенностей данной модели. Из школьного курса физики известно, что КПД — это отношение полезной работы к общей работе. Или отношение энергии, затраченной на выполнение работы, к энергии, полученной в результате.

В этом отношении возникает интересный момент — используемая энергия ветра получена совершенно бесплатно, никаких усилий со стороны пользователя приложено не было. Это делает КПД чисто теоретическим показателем, определяющим чисто конструктивные качества устройства, тогда как для владельцев в большей степени важны эксплуатационные характеристики

То есть, возникает ситуация, в которой КПД не столь важен, все внимание отводится чисто практическим задачам

Тем не менее, при изменениях рабочих параметров в ту или иную сторону, автоматически меняется и КПД, что свидетельствует о его взаимосвязанности с общим состоянием устройства.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Где лучше устанавливать?

Для максимальной эффективности оборудование следует ставить на открытой местности, в наиболее высокой точке

Важно, чтобы ветровой генератор располагался не ниже уровня зданий, находящихся рядом. Из-за этого возникнут препятствия для ветрового потока, в результате чего коэффициент полезного действия будет низким

В случае когда участок выходит к водоему или реке, ветровой генератор устанавливается непосредственно на берегу.

Для монтажа системы оптимально подходят возвышенности либо большие пустые местности. Желательно, чтобы на пространстве не было искусственных преград, препятствующих прохождению ветрового потока. Если участок или здание расположено в городской черте, то установку ветрового генератора необходимо выполнить на крыше. Чтобы расположить оборудование в жилом многоквартирном доме, нужно получить письменное согласие соседей, а также разрешение из государственных инстанций. Установка генератора будет производиться также на крыше.

При выборе места важно помнить, что ветрогенератов должен располагаться не ближе, чем в 15 метров от зданий и не дальше, чем в 25. Благодаря этому шум от работы установки не будет беспокоить жильцов

 Загрузка …

Расчет мощности ветрогенератора

Самостоятельное изготовление ветряка также нуждается в предварительном расчете. Никому не хочется потратить время и материалы на изготовление неведомо чего, хочется иметь представление о возможностях и предполагаемой мощности установки заранее. Практика показывает, что ожидания и реальность между собой соотносятся слабо, установки, созданные на основе приблизительных прикидок или предположений, не подкрепленных точным расчетами, выдают слабые результаты.

Поэтому обычно используются упрощенные способы расчетов, дающие достаточно близкие к истине результаты и не требующие использования большого количества данных.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Формулы для расчёта

Для расчета ветрогенератора надо произвести следующие действия:

  • определить потребность дома в электроэнергии. Для этого необходимо подсчитать суммарную мощность всех приборов, аппаратуры, освещения и прочих потребителей. Полученная сумма покажет величину энергии, необходимой для питания дома
  • полученное значение необходимо увеличить на 15-20 %, чтобы иметь некоторый запас мощности на всякий случай. В том, что этот запас нужен, сомневаться не следует. Наоборот, он может оказаться недостаточным, хотя, чаще всего, энергия будет использоваться не полностью
  • зная необходимую мощность, можно прикинуть, какой генератор может быть использован или изготовлен для решения поставленных задач. От возможностей генератора зависит конечный результат использования ветряка, если они не удовлетворяют потребностям дома, то придется либо менять устройство, либо строить дополнительный комплект
  • расчет ветроколеса. Собственно, этот момент и является самым сложным и спорным во всей процедуре. Используются формулы определения мощности потока

Для примера рассмотрим расчет простого варианта. Формула выглядит следующим образом:

P=k·R·V³·S/2

Где P — мощность потока.

K — коэффициент использования энергии ветра (величина, по своей сути близкая к КПД) принимается в пределах 0,2-0,5.

R — плотность воздуха. Имеет разные значения, для простоты примем равную 1,2 кг/м3.

V — скорость ветра.

S — площадь покрытия ветроколеса (покрываемая вращающимися лопастями).

Считаем: при радиусе ветроколеса 1 м и скорости ветра 4 м/с

P = 0,3 × 1,2 × 64 × 1,57= 36,2 Вт

Результат показывает, что мощность потока равняется 36 Вт. Этого очень мало, но и метровая крыльчатка слишком мала. На практике используются ветроколеса с размахом лопастей от 3-4 метров, иначе производительность будет слишком низкой.

Что нужно учитывать

При расчете ветряка следует учитывать особенности конструкции ротора . Существуют крыльчатки с вертикальным и горизонтальным типом вращения, имеющие разную эффективность и производительность. Наиболее эффективными считаются горизонтальные конструкции, но они имеют потребности в высоких точках установки.

Не менее важным будет обеспечение достаточной мощности крыльчатки для вращения ротора генератора. Устройства с тугими роторами, позволяющие получать хороший выход энергии, требуют немалой мощности на валу, что может обеспечить только крыльчатка с большой площадью и диаметром лопастей.

Не менее важным моментом являются параметры источника вращения — ветра. Перед производством расчетов следует как можно подробнее узнать о силе и преобладающих направлениях ветра в данной местности. Учесть возможность ураганов или шквалистых порывов, узнать, с какой частотой они могут возникать. Неожиданное возрастание скорости потока опасно разрушением ветряка и выводом из строя преобразующей электроники.

Когда стоит покупать ветряк

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета
Безусловно, электроэнергия с каждым годом дорожает. К примеру 10 лет назад, ее цена была на 70% ниже. Давайте проведем примерные расчеты и выясним перспективу выхода на окупаемость ветряка, с учетом резкого удорожания электричества. Рассматривать будем генератор мощностью 2квт.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Как мы уже выяснили ранее, стоимость такой модели около 200тысяч. Но с учетом всех доп.расходов, нужно умножить ее на два. Получится минимум 400 тыс.руб. затрат, при сроке службы в двадцать лет.

То есть, за год получается 20 тысяч. При этом по факту, за этот год агрегат выдаст вам максимум 900 квт. Из-за коэфф. установленной мощности (он для маленьких ветряков не превышает пяти процентов), за месяц вы накрутите 75квт.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Даже если взять 1000 квт в год для простоты расчетов, стоимость 1квт/ч полученная от ветряка, для вас составит 20 рублей. Если и предположить что электричество от ТЭС подорожает в 4 раза, то случится такое не завтра, и даже не через 5 лет.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Поэтому стоимость электричества от индивидуального ветрогенератора, по любому будет выше.

Какие выводы можно сделать из всего вышесказанного?

Ветрогенератор в нынешних российских условиях – это убыточный агрегат.

Чтобы хоть как-то обосновать его применение, цена электроэнергии уже сегодня должна доходить до 30 рублей за 1 квт.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Использование ветряка может быть обосновано в двух случаях:

у вас поблизости нет внешних электросетей или вам не дают к ним подключаться

у вас есть дизель генератор, но доставить для него топливо нет возможности

При этом, устанавливаться ветряк должен в районе со средне годовой скоростью ветра не менее 5-6 м/с. Только в этих случаях ветроустановка будет хорошей альтернативой.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Фактически, в таких условиях вы просто вынуждены выбрать из всех зол наименьшее. При этом, не верьте в суперэффективность других моделей вертикальной или шарообразной формы, собранных на неодимовых магнитах.

Популярные статьи  Как сделать насос для фонтана своими руками: пошаговый мастер-класс

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Конечный результат будет всегда один. Энергия, которую производит ветряк, зависит только от:

скорости ветра

площади, которую описывают лопасти

Поэтому, если вы уже подключены к электросети, не ищите себе лишних приключений и головных болей. Выгоды никакой вы не найдете, по крайне мере на сегодняшний день.

Какие ветряки выбирать

Ну а тем, кто живет далеко от подстанций и ВЛ-0,4кв, стоит приобретать наиболее мощные модели ветряков, какие вы только можете себе позволить. Так как от той мощности, что указана на картинках, вам достанется не более 15%.

Другая категория потребителей, вполне заслужено делает выбор не в пользу китайских заводских моделей, а наоборот, предпочитает самодельные ветряки от мастеров самоучек. Свои выгоды в этом тоже имеются.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

В большинстве своем, изобретатели подобных девайсов, это грамотные и ответственные ребята. И практически в 100% случаев, без проблем им можно вернуть установку, если что-то пошло не так, или ее нужно подремонтировать. С этим проблем уж точно не будет.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

У промышленных китайский ветряков, внешний вид конечно посимпатичнее. И если вы все-таки решились прикупить именно его, сразу после проверки электродрелью, сделайте профилактический ремонт и замените китайский металлолом на подшипники с качественной смазкой.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Если поблизости от вас есть крупные гнездовья птиц, не помешает закупить дополнительный комплект лопастей.

Птенцы иногда попадают под раздачу крутящейся “мини мельницы”. Пластиковые лопасти ломаются, а металлические гнутся.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

А закончить хотелось бы мудростью от тех пользователей, которые не послушались всех доводов и вплотную столкнулись со всеми вышеописанными проблемами. Запомните, самый дорогой флюгер для дома – это ветрогенератор!

Источники

  • https://altenergiya.ru/veter/vygoden-li-vetrogenerator-raschet-okupaemosti-ustrojstva-v-usloviyax-rossijskoj-dejstvitelnosti.html
  • https://mirenergii.ru/energiyavetra/moshhnye-vetrogeneratory-sravnitelnaya-xarakteristika.html
  • https://Energo.house/veter/kpd-vetrogeneratora.html
  • https://Energo.house/veter/raschet-vetrogeneratora.html
  • https://ensat.ru/help/7/13/38.html
  • https://www.e-veterok.ru/rashet_vetrokolesa_vetrogeneratora.php
  • https://altenergiya.ru/veter/o-raschete-moshhnosti-vetrogeneratora.html
  • https://domikelectrica.ru/vetrogenerator-dlya-chastnogo-doma-dengi-na-veter/

Расчет окупаемости ветрогенератора

Вложив в приобретение устройства сотни тысяч рублей, новый владелец вправе рассчитывать на его очевидную выгоду и окупаемость ветряка. Попробуем рассчитать цену киловатта электроэнергии на стандартной модели генератора мощностью 4-5 кВт.

При скорости ветра 4-5 м/с устройство даст около 350 кВт за месяц, или 4200 кВт за год. Срок службы генератора – около 25 лет, стоимость большинства моделей устройств – в пределах 280 000 рублей.

Делим стоимость на произведение годовой выработки и срока эксплуатации:

280 000 / 4200*25 = 2,666 рубля

Таким образом, стоимость киловатта энергии окупаемого ветрогенератора будет составлять чуть более 2,5 рубля. По сравнению с актуальным уровнем цен выгода есть, но она не так велика, как хотелось бы при использовании альтернативных источников энергии.

Приведенные выше расчеты дают другой результат, если скорость ветра составит около 7-8 м/с. В месяц ветрогенератор мощностью 6-7 кВт даст около 780 кВт или в год 9000 кВт.

При стоимости таких ветряков около 310 000 получим следующий результат:

310 000 / 9000*25 = 1,3722 рубляТакая стоимость – очевидная выгода, особенно для энергоемких объектов.

Уход за ветряком

В качестве регулярного ухода за конструкцией проводятся следующие процедуры:

  • смазывание движущихся частей (не реже 2 раз в году)
  • подкручивание болтов и электрических соединений
  • проверка механизмов на ржавчину и ослабленные растяжки
  • контроль поломки лопастей

Наиболее частым повреждением ветряка является отрыв лопасти. Зимой на них появляется корка льда. Частая их очистка продлит срок службы конструкции.
Покраска деталей производится по необходимости. Раз в год нужно полностью осматривать конструкцию на предмет повреждений.

Самодельный ветряк сильно отличается по значениям мощности от заводских изделий. Это объясняется неточными расчетами. Горизонтальный ветряк при теоретической мощности 101 Вт будет выдавать лишь 90, а вертикальный при 69 Вт – около 60.

Таким образом, сборка вертикального ветряка является довольно простым вариантом обеспечения жилого дома электроэнергией. Это объясняется простотой сборки конструкции, дешевизной проекта и высокой эффективностью работы устройства. К тому же, обслуживание он требует минимальное, а электричество вырабатывает постоянно. О том, как сделать ветряк самостоятельно, представлено на видео:

Преимущества ветровых генераторов

Достоинства, характерные для такого оборудования:

  1. Небольшие начальные значения скорости ветрового потока для того, чтобы привести в движение роторный механизм установки. В некоторых современных моделях оборудования данный показатель составляет от 0,3 метров в секунду. Но по факту вертикальные ветрогенераторы начнут эффективно производить энергию при скорости около 3-5 м/сек. Показатель номинальной мощности оборудования будет в случае, когда скоростные значения составят 10-18 метров в секунду.
  2. Работа ветрового генератора не зависит от направления движения ветра. Благодаря особенностям конструкции установка может улавливать воздух независимо от угла.
  3. Вертикальные генераторные установки, как правило, характеризуются пониженным звуковым фоном. На практике этот параметр составляет не более 20 децибел. Также в работе устройств не проявляются частоты, близкие к нижнему порогу — инфразвук, негативно влияющий на здоровье. Поэтому установка оборудования возможна в непосредственной близости с жилыми домами.
  4. Во время функционирования ветрогенераторы практически не вырабатывают электромагнитное излучение. Работа конструкции не создает разрушительных вибраций.
  5. Оборудование неопасно для птиц, поскольку ими оно воспринимается как одно препятствие. Это весомое преимущество по сравнению с горизонтальными ветрогенераторами. Лопасти таких устройств птицы не ассоциируют с препятствиями, в результате сталкиваются с ними.
  6. Благодаря конструктивным особенностям вертикальное оборудование не нуждается в использовании дополнительных механизмов для осуществления запуска. Роторный узел начинает вращаться, как только ветровой поток достигнет минимального значения для старта установки.
  7. Работа ветрогенератора возможна в любых климатических условиях. Такое оборудование позволяет противостоять даже сильному ветру, вплоть до урагана.
  8. Простота использования и обслуживания агрегатов. Ветрогенераторы характеризуются упрощенной системой управления и минимальными расходами при эксплуатации, которые требуются для поддержания рабочего состояния. Благодаря этому оборудование все чаще используется в частных домах.

Пользователь Одесский инженер подробно рассказал о достоинствах и недостатках, характерных для генераторных установок.

Общие рекомендации

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.

Коэффициент использования энергии ветра

Следует отметить, что для ветрогенераторов существует свой, специфический показатель эффективности — КИЭВ (Коэффициент Использования Энергии Ветра). Он обозначает, какой процент воздушного потока, проходящего в рабочем сечении, непосредственно воздействует на лопасти ветряка. Или, если говорить более наукообразно, он демонстрирует отношение мощности, полученной на валу устройства, к мощности потока, воздействующего на ветровую поверхность рабочего колеса. Таким образом, КИЭВ является специфическим, применительным только для ветрогенераторов, аналогом КПД.

Популярные статьи  Слив для душевой кабины: виды конструкций и правила их обустройства

На сегодняшний день значения КИЭВ от изначального 10-15 % (показатели старинных ветряных мельниц) возросли до 356-40 %. Это связано с усовершенствованием конструкции ветряков и появлением новых, более эффективных материалов и технических деталей, узлов, способствующих уменьшению потерь на трение или прочие тонкие эффекты.

Теоретические исследования определили максимальный коэффициент использования энергии ветра равным 0,593.

Расчёт винтов ветряных установок

При конструировании ветряка обычно применяются два вида винтов:

  1. Вращение в горизонтальной плоскости (крыльчатые).
  2. Вращение в вертикальной плоскости (ротор Савониуса, ротор Дарье).

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

Z= L*W/60/V

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

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

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

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

Число лопастей Степень быстроходности Скорость ветра м/с
2 5 330

Также одним из важных показателей винта ветряка является шаг. Этот параметр можно определить, если воспользоваться формулой:

H=2πR* tg α

Здесь: 2π – константа (2*3.14); R – радиус, описываемый лопастью; tg α – угол сечения.

Практические расчеты

Можно для понимания процессов округлить начальные величины, применив трехлопастной винт. Допустим V=10 м/с, площадь S=10м² (радиус винта 1,78 м), а плотность ρ принять 1,3кг/м3. Таким образом, N=1,3*10*1000/2=6500 (Вт). Умножаем на 30% (КИЭВ): 6500*30/100=1950 (Вт). При таком раскладе генерацию почти двух киловатт электроэнергии (без учета КПД электрогенератора) можно считать весьма обнадеживающей.

С учетом потерь на электрогенераторе, кабеле, заряде аккумулятора и инвертора можно стабильно рассчитывать на приблизительно 1 кВт электроэнергии на выходе домашней ветряной электростанции, если ветроэнергетическая установка имеет приведенные выше параметры.

Но, если взять скорость ветра преобладающую в большинстве регионов (4м/с) то полученный результат, с учетом КИЭВ будет: (1,3*10*4*4*4/2)*30/100=124,8 (Вт), и это без учета потерь на остальных компонентах домашней ветровой электростанции.

Такой мощности хватит лишь на стабильную беспрерывную  работу ноутбука и зарядку мобильных телефонов. При снижении скорости ветра до 3м/с результат на выходе и вовсе будет мизерным: (1,3*10*3*3*3/2)*30/100=52,65 (Вт).

Если еще снизить скорость ветрового потока до двух метров в секунду, то выход мощности будет: (1,3*10*2*2*2/2)*30/100=15,6 (Вт). Но, практика показывает, что при скорости ветра 2м/с и ниже,  трехлопастной винт даже не раскрутится. Поэтому при низких скоростях ветра используют тихоходные винты, увеличивая количество лопастей, или применяя роторы других конструкций (Дарье, Ленца, Савониуса), у которых меньше КИЭВ, но они более «восприимчивы» к слабым дуновениям воздуха.

Конструкции ветрогенераторов

Существует ошибочное мнение, что с увеличением у винта количества лопастей растет мощность ветрогенератора, но это в корне не так – ведь вращающиеся лопасти создают вихрь, и чем больше их в ветряке, тем большее количество энергии ветра будет расходоваться на закручивание воздуха вокруг оси винта.

В идеале самым эффективным является однолопастной винт, создающий меньше всего завихрений, при этом обладающий большой быстроходностью и требующий значительных скоростей ветра.

Поэтому типичный ветряной генератор имеет три лопасти, как наилучший компромисс между тихоходностью и потерей энергии на завихрения.В приведенных выше расчетах использовался гипотетический лопастной винт с размахом (диаметром) 1,78*2=3,56 м.

Это довольно громоздкая конструкция, очень сложная для самостоятельного изготовления и установки. Народные умельцы делают лопастные винты меньшего диаметра из подручных материалов, изготавливая лопасти для ветрогенератора своими руками, например из канализационной ПХВ трубы.

Геометрия лопасти имеет сходство с крылом самолета, но у ветряка угол атаки для максимальной эффективности ветрогенератора должен изменяться по мерее отдаления от оси вращения. Следует детально изучить специальную литературу, а также посоветоваться с умельцами на различных форумах, прежде чем пытаться проектировать и изготовлять лопастные винты.

Поэтому многие умельцы обращают внимание на другие конструкции, например, турбины с вертикальной осью, которые более тихоходные с меньшими требованиями к точности расчетов и требований безопасности. Изготовить такой роторный ветрогенератор своими руками можно в домашнем гараже из подручных материалов и большой бочки, как показано в видеоролике ниже:

Эксперименты показывают, что данный самодельный и несовершенный ротор Онипко имеет даже лучшие характеристики, чем заводской трехлопастной винт вентилятора такого же диаметра.

https://youtube.com/watch?v=F8X2p6NjKfk

https://youtube.com/watch?v=6eoCOh0E6Qc

Действительно ли ветряная электроэнергия является экологически чистой?

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Безусловно, сами по себе ветровые электростанции не загрязняют окружающую среду, но только в тех местах, где они установлены. Срок службы промышленного ветрогенератора средней мощности — 2 МВт составляет 20 лет. Исследователи Орегонского университета, проведя оценку окупаемости ветровой установки, вычислили, что одних только смазочных материалов для обслуживания ветрогенератора за этот период необходимо от 273 до 546 тонн, в зависимости от модели. Эти данные были опубликованы в журнале «International Journal of Sustainable Manufacturing»

Согласно результатам, полученным американскими экспертами, около 78% электроэнергии, вырабатываемой средним ветрогенератором за 20-летний цикл тратится при его производстве: изготовление деталей из металла, пластмассы и других материалов, а также установке, для которой необходим цемент и металл. В цикле производственных процессов в атмосферу осуществляется большое количество выбросов CO2.Стоит учитывать и дополнительные факторы такие, как транспортная доставка и установка с помощью кранов (ветряки устанавливаются на высоте от 7-10 метров для большего воздействия ветра), что тоже предполагает дополнительные выбросы углекислого газа в атмосферу.

Как правило, в течении всего срока службы ветрогенератор как минимум 2-3 раза будет нуждаться в капитальном ремонте, стоимость которого может достигать себестоимости всей установки. Для ее обслуживания также необходимы аккумуляторы емкостью 150-200 Ач.

Виды ветрогенераторов

Принцип работы ветрогенераторов в большинстве случаев аналогичен. Но существует ряд разновидностей. Часто их различают по виду материалов, которые используются для изготовления роторных лопастей, их число, положение оси вращения, шаговый признак винта. Чтобы иметь понимание о работе, ветрогенератора, нужно вкратце рассмотреть эти виды.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Двухлопастной ветрогенератор

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Трёхлопастной ветрогенератор

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Многолопастной ветрогенератор

Помимо числа лопастей, ветрогенераторы отличаются материалами, их которых их делают. Лопасти могут быть жёсткими (металл или стеклопластик) или парусными. Последние менее практичны, но зато дёшево стоят. По шаговому признаку винта различают устройства с фиксированным и изменяемым шагом. Ветрогенераторы с фиксированным шагом являются более надёжными. Установки с изменяемым шагом вращения позволяют менять скорость, но их конструкция имеет большие габариты и требует дополнительных расходов монтаж и обслуживание.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Ветрогенератор с вертикальной осью вращения

  • Ветрогенератор Савониуса. Это несколько полуцилиндров полых внутри, которые закреплены на вертикальной оси. Здесь плюс заключается в том, что они могут вращаться вне зависимости от силы и направления ветра. Основной минус в том, что энергию ветра используется только на 1/3;
  • Геликоидный ротор. Этот вариант имеет закрученные лопасти, благодаря чему обеспечивается равномерное вращение. Это долговечный ветрогенератор, но сложный и дорогой;
  • Ротор Дарье. Система представляет собой конструкцию с двумя или более лопастями в форме плоских пластин. Ротор прост в изготовлении, но вырабатывает немного энергии. Для его запуска потребуется дополнительный механизм;
  • Многолопастные системы с вертикальной осью. Являются наиболее эффективными в плане выработки электроэнергии.
Популярные статьи  Зимний и летний газ – в чем разница? Какой газ лучше использовать для заправки газгольдеров

Можно подразделить ветрогенераторы на импортные и отечественные. Среди зарубежных достаточно много китайских производителей. Присутствует также продукция из США и ЕС. Без проблем можно найти и продукцию российских предприятий. Стоимость ветрогенераторов зависит от мощности, наличия дополнительных функциональных возможностей (например, солнечных модулей). Цены могут меняться от десятков до сотен тыс. р.
 

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 м Номинальная скорость м/с Напряжение Вт
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.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета
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.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета
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.

Пример расчета лопастей из 160-й трубы для данного генератора

быстроходность

Самый лучший результат я получил из 160-й трубы при диаметре 2,2м и быстроходности Z3,4 — лопастей 6шт, но такой диаметр винта из трубы 160мм лучше не делать, слишком тонкие и хлипкие лопасти получатся. При 3м/с номинальные обороты винта составили 84об/м и мощность винта 25ватт, то-есть примерно подходит. Надо конечно с запасом на КПД генератора, но 160-я труба и так тонкая и скорее всего уже при 7м/с будет наблюдаться флаттер. Но для примера пойдет

Теперь если изменять скорость ветра в таблице, то видно что мощность винта и его обороты будут примерно совпадать с параметрами винта, что нам и требуется, так-как важно чтобы винт был не перегружен и не недогружен — иначе пойдет вразнос на большом ветре. >. Так при разном ветре я получил такие данные винта

Ниже на скриншоте данные винта при 3м/с, максимальная мощность винта (КИЭВ) при быстроходности Z3,4 Обороты и мощность при этом примерно совпадают с мощностью генератора при этих оборотах

Так при разном ветре я получил такие данные винта. Ниже на скриншоте данные винта при 3м/с, максимальная мощность винта (КИЭВ) при быстроходности Z3,4 Обороты и мощность при этом примерно совпадают с мощностью генератора при этих оборотах

Обороты генератора 100об/м- 2 Ампер 30 ватт >

Далее вводим скорость 5м/с, это как видно на скриншоте 141об/м винта и мощность на валу винта 124 ватта, тоже примерно совпадает с генератором. Обороты генератора 150об/м — 8 Ампер 120 ватт

При 7м/с винт начинает по мощности обходить генератор и естественно недогруженный набирает большие обороты, по этому быстроходность я поднял до Z4 , получилось тоже примерное совпадение по мощности и оборотам с генератором. Обороты генератора 200об/м -14 Ампер 270 ватт

При 10м/с винт стал гораздо мощнее генератора при номинальной быстроходности так-как мало-оборотистый и не может раскрутить генератор быстрее. Так при Z4 мощность винта 991ватт, а обороты всего 332об/м. Обороты генератора 300об/м — 26 Ампер 450 ватт. Но недогруженный генератор позволяет раскрутится винту до быстроходности Z5 и выше, при этом КИЭВ винта падает, а следовательно и мощность, но при этом возрастают обороты, по этому получилось так что винт раскрутит генератор немного больше, но сам при этом потеряет в мощности и где то наступит баланс. Данные при этом примерно совпадут с генератором, но винт явно по мощности обгоняет генератор, по-этому при этом ветре пора делать защиту уводом винта из под ветра.

Так мы подогнали винт из ПВХ трубы диаметром 160мм под генератор. Сразу скажу что именно шести-лопастной винт такой быстроходности оказался самым подходящим. А так можно считать винт любого диаметра и количества лопастей. Просто трех-лопастной винт диаметром 2,3м для этого генератора оказался слишком скоростным и он не набрал бы обороты для своего максимального КИЭВ, так-как генератор сразу бы его начал тормозить.

По этому увеличением количества лопастей я понизил обороты винта и сохранил его мощность. Так винт получился подходящим под генератор, но 160-я труба внесла свои ограничения, в частности и так диаметр слишком большой и на ветру от 7м/с винт с хлипкими и тонкими лопастями скорее всего получит флаттер, и будет рокотать как взлетающий вертолет. Да и этим винтом мы снимаем с генератора грубо говоря при ветре 10м/с всего ватт 600-700, а можно в два раза больше, если поднять быстроходность винта и немного увеличить его диаметр.

Ниже скриншот с вкладки «Геометрия лопасти». Это размеры для вырезания лопасти из трубы

Что из себя представляет ветрогенератор?

Ветрогенератор — это устройство, использующее энергию ветра для выработки электрического тока. Воздушные потоки, свободно перемещающиеся в атмосфере, имеют гигантскую энергию, причем, совершенно бесплатную. Ветроэнергетика — это попытка извлечь ее и обратить на пользу.

Ветрогенератор представляет собой набор устройств, принимающих, обрабатывающих и подготавливающих для использования энергию. Потоки ветра взаимодействуют с ротором ветряка, заставляя его вращаться. Ротор посредством повышающей передачи (или напрямую) соединяется с генератором, который заряжает аккумуляторные батареи. Заряд через инвертор перерабатывается в стандартный вид (220 В, 50 Гц) и подается на приборы потребления.

На первый взгляд, комплекс устроен довольно сложно. Существуют и более простые конструкции, например, ветряки, питающие насосы. Тем не менее, для сложных приборов требуется полный комплект оборудования, способный обеспечить стабильное и качественное электроснабжение.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Оцените статью
Добавить комментарии

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: