Калькулятор расчета прогнозируемой мощности ветрогенератора — Inomix.ru

Содержание

Как работает простой ветрогенератор

Ветрогенератор – прибор, позволяющий преобразовывать энергию ветра в электричество.

Принцип работы его заключается в том, что ветер вращает лопасти, приводит в движение вал, по которому вращение поступает на генератор через редуктор, увеличивающий скорость.

Работа ветряной электростанции оценивается по КИЭВ – коэффициенту использования энергии ветра. Когда ветроколесо вращается быстро, оно взаимодействует с большим количеством ветра, а значит забирает у него большее количество энергии

Подразделяют две основные разновидности ветряных генераторов:

ветрикальные;
горизонтальные.

Вертикально ориентированные модели построены так, чтобы ось пропеллера была расположена перпендикулярно земле. Таким образом, любое перемещение воздушных масс, независимо от направления, приводит конструкцию в движение.

Такая универсальность является плюсом данного типа ветряков, но они проигрывают горизонтальным моделям по производительности и эффективности работы

Для контроля и улавливания изменений направления ветра устанавливают специальные приборы. КПД при таком расположении винта значительно выше, чем при вертикальной ориентации. В бытовом применении рациональней использовать ветрогенераторы этого типа.

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?

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.

Расчёт лопастей

На КПД ветрового генератора оказывает значительное влияние аэродинамические характеристики устанавливаемых на него лопастей, поэтому перед их изготовлением, производятся специальные расчеты. В результате проведения таких расчетов, изделия проверяются на соответствие полученных результатов требуемым параметрам и прочим требованиям, предъявляемым к ним.

Ветер оказывает воздействие на лопасти генератора и эта сила, или иными словами – напор, действует по направлению воздушного потока. В свою очередь, перпендикулярно к силе напора действует подъемная сила, именно которая и работает в ветровых генераторах с горизонтальной осью вращения (показано на ниже приведенной схеме).

При расчете геометрических размеров лопасти определяется ширина ее хорды и угол ее установки, на схеме β, на всей протяженности элемента устройства.

Сила напора ветровых потоков направлена против движения лопасти (на схеме названа «истинным ветром») и на диаграмме разложена на вектора — «скорость ветра» и «окружная скорость». Окружная скорость обеспечивает движение лопастей в плоскости вращения, при этом подъемная сила оказывает воздействие именно в этом направлении.

Сила напора и подъемная сила, определяют производительность ветрового генератора (формула приведена в разделе «Основные характеристики») и зависят от коэффициента подъемной силы, а также коэффициента лобового сопротивления. Кроме этого, данные коэффициенты, находятся в прямой зависимости от геометрического профиля лопасти и угла между линией ее хорды и направлением воздушного потока.

Линия хорды– самая длинная линия при рассмотрении ее сечения, от носка лопасти до ее задней кромки.

Угол между линией хорды и направлением воздушного потока (набегающий поток) называется углом атаки (угол α).

Коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления определены экспериментальным путем и занесены в специальные журналы (атласы). График зависимости подъемной силы от угла атаки (формы лопасти), выглядит следующим образом:

Наилучшие аэродинамические показатели имеют подобные элементы, обладающие углом α (углом атаки) равным значению – 5.

Расчет выполняется по формуле:

где:

R – наружный радиус вращения;

r – внутренний радиус вращения, без учета комля и и прикомлевой части;

Z – быстроходность кончика.

i – количество лопастей.

Из данной формулы видно, что:

Ширина обратно пропорциональна внутреннему радиусу ее вращения, и что, в свою очередь говорит о том, что наиболее оптимальной формой, является форма треугольника;
Ветровой генератор с малым количеством лопастей должен иметь более широкие лопасти;
Увеличение быстроходности снижает их ширину.

Быстроходность с показателем «5», является наиболее оптимальной, что позволяет снизить потери установки при максимальном количестве лопастей. На приведенном ниже рисунке, указано, как количество однотипных элементов, установленных на ветровом генераторе, влияет на его быстроходность:

Высокая быстроходность позволяет увеличить КПД ветровых генераторов, при этом негативными факторами, при эксплуатации подобных устройств, будут:

Повышенный уровень производимого шума;
Вибрация, при использовании одной или двух лопастей;
Повышенная эрозия кромок;
Трудности старта при малых потоках ветра.

Для снижения уровня шума кончики лопастей делают заостренной формы, а для облегчения старта, основания изготавливаются несколько шире, чем размер «b».

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.

Когда стоит покупать ветряк

Рассматривать будем генератор мощностью 2квт.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Где расположить ветрогенераторную станцию?

Конечно, лучше всего предоставить выбор места расположения ВЭС специалистам. Но существуют 3 основных правила, которых стоит придерживаться:

Исключить завихрения воздушного потока вблизи турбины. Высота расположения ветряной турбины на мачте должна превосходить на 10 м все высотные объекты в пределах 100 м вокруг. Это касается, например, и столбов, и проводов ЛЭП.
Использовать природные преимущества рельефа местности. Дело в том, что ущелья и каньоны являются естественными аэродинамическими трубами и в местах их сужения скорость ветра существенно возрастает.
Располагать ВЭС на максимально открытых участках, таких как поле, побережье водоёма или вершина холма.

Расчет ветрогенератора

Для того чтобы правильно рассчитать номинальную мощность ветряного генератора, необходимо соблюдать определенные правила.

Перед выбором ветрогенератора необходимо определить скорость и направление ветра, наиболее характерные в месте предполагаемого монтажа. Следует помнить, что вращение лопастей начинается при минимальной скорости ветра 2 м/с. Максимального КПД удается достичь, когда этот показатель достигает значения от 9 до 12 м/с. То есть, для того чтобы обеспечить электричеством небольшой загородный дом, потребуется генератор с минимальной мощностью 1 кВт/ч и ветер со скоростью не менее 8 м/с.

Скорость ветра и диаметр винта оказывают непосредственное влияние на мощность, вырабатываемую ветряной электроустановкой. Точно рассчитать эксплуатационные характеристики той или иной модели возможно с помощью следующих формул:

Расчеты в соответствии с площадью вращения выполняются следующим образом: P = 0,6 х S х V3, где S – площадь, перпендикулярная направлению ветра (м2), V – скорость ветра (м/с), Р – мощность генераторной установки (кВт).
Для расчетов электроустановки по диаметру винта применяется формула: Р = D2 х V3/7000, в которой D является диаметром винта (м), V – скорость ветра (м/с), Р – мощность генератора (кВт).
При более сложных вычислениях учитывается плотность воздушного потока. Для этих целей существует формула: P = ξ х π х R2 х 0,5 х V3 х ρ х η_ред х η_ген, где ξ является коэффициентом использования ветровой энергии (безмерная величина), π = 3,14, R – радиус ротора (м), V – скорость воздушного потока (м/с), ρ – плотность воздуха (кг/м3), η_ред – КПД редуктора (%), η_ген – КПД генератора (%).

Таким образом, электроэнергия, производимая ветрогенератором, возрастает количественно в кубическом соотношении с повышающейся скоростью ветрового потока. Например, при повышении скорости ветра в 2 раза, выработка ротором кинетической энергии возрастет в 8 раз.

При выборе места установки ветрогенератора необходимо отдавать предпочтение участкам без больших построек и высоких деревьев, которые создают преграду для ветра. Минимальное расстояние от жилых домов составляет от 25 до 30 метров, в противном случае шум во время работы будет создавать неудобства и дискомфорт. Ротор ветряка должен быть расположен на высоте, превышающей ближайшие постройки не менее чем на 3-5 м.

Если подключение загородного дома к общей сети не планируется, в этом случае можно воспользоваться вариантами комбинированных систем. Работа ветряной установки будет значительно эффективнее при использовании ее совместно с дизель-генератором или солнечной батареей.

Расчёт и выбор контроллера заряда

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

Расчёт этого устройства сводится к подбору электрической схемы прибора, которая бы соответствовала расчётным параметрам ветровой системы.

Из тих параметров основными являются:

номинальное и максимальное напряжение генератора;
максимально возможная мощность генератора;
максимально возможный ток заряда АКБ;
напряжение на АКБ;
температура окружающего воздуха;
уровень влажности окружающей среды.

Исходя из представленных параметров, ведётся сборка контроллера заряда своими руками или подбор готового устройства.

Контроллер заряда аккумуляторов, применяемых в составе ветровой энергоустановки. Прибор промышленного изготовления, выбирая который требуется лишь внимательно изучить технические характеристики для точного согласования с имеющейся системой

Наконец, при расчёте (подборе) схемы контроллера, рекомендуется не забывать о присутствии такой функции, как управление инвертором.

Ветрогенератор вертикальный

Рассмотрим вертикальный ветрогенератор внимательнее. Существует масса вариантов конструкции, из которых большинство является лишь проектом, не производится и в продаже не имеется. Недолгий поиск в сети выдает следующую картину: при наличии эффективных и производительных опытных образцов, производятся только разные варианты ортогональных роторов. Стоимость значительно различается — китайские модели заметно дешевле, хотя заявленные показатели вполне соответствуют европейским или американским установкам.

Учитывая реальную выработку 10 % от номинала, рассмотрим установки мощностью 20 кВт. Ветрогенератор Falcon Euro мощностью 20 кВт стоит 1050000 руб. В день он сможет произвести около 48 кВт. Простейший расчет показывает, что за 20 лет службы он произведет 350400 кВт энергии. Разделив цену комплекта на количество энергии получаем цену 1 кВт около 3 рублей. Эта цена расчетная, на практике затраты возрастут, а выработка снизится.

Если использовать более доступные китайские модели, то возникает вопрос о качестве. Насколько оборудование сможет выполнять свои функции в условиях сильных морозов, каков срок службы? Ответы на эти вопросы может дать только практика, поэтому использование таких устройств ограничено. Оптимальным вариантом остается самостоятельное изготовление вертикальных конструкций, позволяющее использовать наиболее производительные проекты, существенно снизить затраты на материалы и монтаж.

Когда стоит покупать ветряк

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.

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.

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

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

скорости ветра

площади, которую описывают лопасти

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.

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.

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.

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.

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!

Генераторы на многолопастном роторе с направляющим аппаратом

Многолопастный роторный ветряк — это основательно переработанный ортогональный ветрогенератор. Роторный комплекс состоит из двух лопастных блоков, вертикальной установки.

Наружный блок состоит из неподвижных лопастей, вращается лишь внутренний. Внешние неподвижные лопасти захватывают воздушный поток, направляя его не внутреннюю лопастную карусель, приводя ее в движение. КПД такого ветрогенератора примерно в два раза выше, чем аналогичных роторных конструкций вертикальной установки. Но ветрогенератор с многолопастным ротором самый дорогой среди вертикальных роторных ветряков, что сдерживает их распространение среди частных потребителей.

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

Расчёт винтов ветряных установок

При конструировании ветряка обычно применяются два вида винтов:

Вращение в горизонтальной плоскости (крыльчатые).
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.

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.