Ako vykonať výpočet veterného generátora: vzorce + praktický príklad výpočtu

Alternatívna energia z veterných elektrární vyvoláva v spoločnosti veľký záujem. Na úrovni skutočnej domácej praxe existuje mnoho dôkazov.

Majitelia vidieckych nehnuteľností si stavajú veterné turbíny vlastnými rukami a uspokoja sa s dosiahnutým výsledkom, hoci účinok môže byť aj krátkodobý. Dôvod – pri montáži nebol výpočet veterného generátora vykonaný správne.

Súhlasíte, že by ste nechceli stráviť čas a prostriedky na realizáciu projektu a získať málo účinné zariadenie. Preto je dôležité pochopiť, ako vykonať výpočet veterného generátora a podľa akých parametrov vybrať hlavné pracovné časti veterného zariadenia.

Riešeniu týchto otázok je venovaný tento článok. Teoretická časť materiálu je doplnená názornými príkladmi a praktickými odporúčaniami na montáž veterného generátora.

Výpočet veterného generátora

Kde začať s výpočtom systému výroby elektrickej energie z veternej energie? Vzhľadom na to, že ide o vetrogenerátor, logickým sa javí predbežná analýza veternej ružice v danej lokalite.

Také výpočtové parametre, ako je rýchlosť vetra a jeho charakteristický smer pre dané územie, sú dôležité výpočtové parametre. Do určitej miery určujú úroveň výkonu veterného generátora, ktorá bude reálne dosiahnuteľná.

Vetrogenerátory s takým výkonom je ťažké si vôbec predstaviť. Ale takéto konštrukcie existujú a efektívne fungujú. Avšak výpočty takýchto konštrukcií ukazujú relatívne malý výkon v porovnaní s tradičnými zdrojmi energie.

Je pozoruhodné, že tento proces má dlhodobý charakter (najmenej 1 mesiac), čo je celkom zrejmé. Vypočítať maximálne pravdepodobné parametre rýchlosti vetra a jeho najčastejší smer nie je možné jedným alebo dvomi meraniami.

Bude potrebné vykonať desiatky meraní. Napriek tomu je táto operácia skutočne nevyhnutná, ak máte záujem vybudovať efektívny produktívny systém.

Ako vypočítať výkon veterného generátora

Vetrogenerátory pre domáce použitie, najmä tie vyrobené vlastnými rukami, ešte neprekvapili ľudí vysokým výkonom. Je to pochopiteľné. Stačí si predstaviť masívny stožiar s výškou 8–10 m, vybavený generátorom s rozpätím lopatiek vrtule viac ako 3 m. A to nie je najvýkonnejšia jednotka. Len okolo 2 kW.

Na obsluhu veterných generátorov s takým výkonom sa používajú vrtuľníky a tímy odborníkov, ktoré majú až desať členov. Na výpočet takejto energetickej jednotky sa zapája ešte viac vykonávateľov.

Všeobecne, ak sa oprieme o štandardnú tabuľku, ktorá ukazuje vzťah medzi výkonom veterného generátora a požadovaným rozpätím lopatiek vrtule, je čomu sa čudovať. Podľa tabuľky pre veterný generátor s výkonom 10 W je potrebná dvojmetrová vrtuľa.

Na 500-wattovú konštrukciu bude potrebná vrtuľa s priemerom 14 m. Pritom parameter rozpätia lopatiek závisí od ich počtu. Čím viac lopatiek, tým menšie rozpätie.

Ale to je len teória, podmienená rýchlosťou vetra nepresahujúcou 4 m/s. V praxi je to trochu inak a výkon domácich jednotiek, ktoré reálne fungujú dlhší čas, ešte nikdy nepresiahol 500 W.

Preto je výber výkonu tu zvyčajne obmedzený rozsahom 250–500 W pri priemernej rýchlosti vetra 6–8 m/s.

Tabuľka závislosti výkonu veternej energetickej sústavy od priemeru pracovnej vrtule a počtu lopatiek. Túto tabuľku je možné použiť na výpočty, ale s ohľadom na jej zostavenie pre parameter rýchlosti vetra do 4 m/s (+).

Z teoretického hľadiska sa výkon veternej energetickej stanice počíta podľa vzorca:

N=p*S*V³/2,

kde:

• p – hustota vzduchových hmôt;
• S – celková obtekávaná plocha lopatiek vrtule;
• V – rýchlosť prúdenia vzduchu;
• N – výkon prúdu vzduchu.

Keďže N je parameter, ktorý zásadne ovplyvňuje výkon veterného generátora, skutočný výkon zariadenia bude blízko vypočítanej hodnote N.

Výpočet vrtúľ veterných zariadení

Pri konštrukcii veternej turbíny sa zvyčajne používajú dva typy vrtúľ:

• krídlové – otáčanie v horizontálnej rovine;
• Savoniov rotor, Darrieusov rotor – otáčanie vo vertikálnej rovine.

Konštrukcie vrtúľ s otáčaním v ktorejkoľvek rovine možno vypočítať pomocou vzorca:

Z= L*W/60/V

kde:

• Z – stupeň rýchlobežnosti (pomalobežnosti) vrtule;
• L – dĺžka obvodu opísaného lopatkami;
• W – rýchlosť (frekvencia) otáčania vrtule;
• V – rýchlosť prúdenia vzduchu.

Vychádzajúc z tohto vzorca možno ľahko vypočítať počet otáčok W – rýchlosť otáčania.

Takto vyzerá konštrukcia vrtule s názvom „Darrieusov rotor“. Tento variant vrtule sa považuje za účinný pri výrobe veterných generátorov s malým výkonom a rozmermi. Výpočet vrtule má niektoré zvláštnosti.

Pracovný pomer otáčok a rýchlosti vetra možno nájsť v tabuľkách, ktoré sú dostupné na internete. Napríklad pre vrtuľu s dvoma lopatkami a Z=5 platí nasledujúci pomer:

Tiež jedným z dôležitých ukazovateľov vrtule veternej turbíny je stúpanie.

Tento parameter možno určiť pomocou vzorca:

H=2πR* tg α,

kde:

• 2π – konštanta (2*3.14);
• R – polomer opísaný lopatkou;
• tg α – uhol prierezu.

Ďalšie informácie o výbere tvaru a počtu lopatiek, ako aj návod na ich výrobu sú uvedené v tomto článku.

Výber generátorov pre veterné generátory

S vypočítanou hodnotou počtu otáčok vrtule (W), získanou podľa vyššie opísanej metódy, je možné už vyberať (vyrábať) zodpovedajúci generátor.

Napríklad pri stupni rýchlobežnosti Z=5, počte lopatiek rovnom 2 a frekvencii otáčok 330 ot/min. Pri rýchlosti vetra 8 m/s by mal byť výkon generátora približne 300 W.

Generátor veternej energetickej jednotky „v reze“. Ukážkový exemplár jednej z možných konštrukcií generátora domáceho veterného energetického systému, zostaveného svojpomocne.

Pri takýchto parametroch môže byť vhodnou voľbou ako generátor pre domácu veternú elektráreň motor, ktorý sa používa v konštrukciách moderných elektrobicyklov. Tradičné označenie súčiastky – bicyklový motor (výroba ČĽR).

Takto vyzerá elektrický bicyklový motor, na základe ktorého sa navrhuje vyrobiť generátor pre domácu veternú turbínu. Konštrukcia bicyklového motora je ideálna na implementáciu takmer bez výpočtov a úprav. Ich výkon je však malý.

Charakteristiky elektrického bicyklového motora sú približne nasledovné:

Pozitívnou vlastnosťou bicyklových motorov je, že ich prakticky netreba prestavovať. Boli konštrukčne vyvinuté ako elektromotory s nízkymi otáčkami a úspešne sa dajú použiť pre veterné generátory.

Na výrobu veternej turbíny možno použiť automobilový generátor alebo zostaviť agregát z práčky.

Výpočet a výber regulátora nabíjania

Regulátor nabíjania akumulátora je nevyhnutný pre veternú energetickú zostavu akéhokoľvek typu, vrátane domácej konštrukcie.

Výpočet tohto zariadenia spočíva v výbere elektrickej schémy prístroja, ktorá by zodpovedala výpočtovým parametrom veternej sústavy.

Z týchto parametrov sú základné:

• menovité a maximálne napätie generátora;
• maximálne možný výkon generátora;
• maximálne možný nabíjací prúd akumulátora;
• napätie na akumulátore;
• teplota okolitého vzduchu;
• úroveň vlhkosti okolitého prostredia.

Na základe uvedených parametrov sa vykonáva montáž regulátora nabíjania svojpomocne alebo výber hotového zariadenia.

Regulátor nabíjania akumulátorov používaných v rámci veternej energetickej zostavy. Prístroj priemyselnej výroby, pri výbere ktorého treba len dôkladne preštudovať technické parametre na presné zosúladenie s existujúcim systémom.

Samozrejme, je vhodné vybrať (alebo zostaviť) zariadenie, ktorého schéma by zabezpečila funkciu ľahkého štartu v podmienkach slabého prúdenia vzduchu. Regulátor navrhnutý na prevádzku s batériami rôzneho napätia (12, 24, 48 voltov) je tiež vítaný.

Napokon, pri výpočte (výbere) schémy regulátora sa odporúča nezabúdať na prítomnosť funkcie riadenia invertora.

Výber akumulátorovej batérie pre systém

V praxi sa používajú akumulátory rôznych typov a takmer všetky sú celkom vhodné na použitie v systéme veternej energie. Konkrétny výber však bude potrebné urobiť v každom prípade. V závislosti od parametrov systému veterného generátora sa výber akumulátora riadi napätím, kapacitou a podmienkami nabíjania.

Tradičnými komponentmi pre domáce veterné generátory sú klasické olovené akumulátory. V praxi dosiahli dobré výsledky. Navyše cena tohto typu batérií je prijateľnejšia v porovnaní s inými druhmi.

Olovené akumulátory sú obzvlášť nenáročné na podmienky nabíjania/vybíjania, ale ich zapojenie do systému bez regulátora je neprípustné.

Ak je súčasťou veterného generátora profesionálne vyhotovený regulátor nabíjania s plnohodnotným automatickým systémom, zdá sa racionálne použiť akumulátory typu AGM alebo gélové.

Blok akumulátorov domáceho veterného generátora. Nie je to najlepšia možnosť prevádzky vzhľadom na chaos z káblov a požiadavky na skladovanie. Pri takomto stave zásobníkov energie nemožno počítať s ich dlhodobou funkčnosťou.

Oba druhy zásobníkov energie sa vyznačujú vyššou účinnosťou a dlhou životnosťou, ale kladú vysoké nároky na podmienky nabíjania.

To isté platí pre takzvané pancierové gélové akumulátory. Výber týchto akumulátorov pre domáci veterný generátor je však výrazne obmedzený cenou. Životnosť týchto drahých batérií je však najdlhšia v porovnaní so všetkými ostatnými typmi.

Tieto batérie sa vyznačujú aj výraznejším cyklom nabíjania/vybíjania, avšak pri použití kvalitnej nabíjačky.

Výpočet invertora pre domáci veterný generátor

Hneď na úvod treba povedať: ak konštrukcia domácej veternej elektrárne obsahuje jeden 12-voltový akumulátor, zmysel inštalovať invertor do takejto sústavy úplne odpadá.

Priemerný príkon domácnosti je pri špičkovom zaťažení aspoň 4 kW. Z toho vyplýva záver: počet akumulátorových batérií pre takýto výkon by mal byť aspoň 10 kusov a najlepšie na napätie 24 voltov. Pri takom počte batérií už má zmysel inštalovať invertor.

Avšak na úplné napájanie 10 akumulátorov s napätím 24 V každý a stabilné udržiavanie ich nabitia je potrebná veterná turbína s výkonom aspoň 2-3 kW. Je zrejmé, že pre jednoduché domáce konštrukcie taký výkon nedosiahnu.

Invertor s malým výkonom (600 W), ktorý možno použiť pre malú domácu energetickú inštaláciu. Z takéhoto zariadenia s napätím 220 voltov je možné napájať televízor alebo malú chladničku. Na lampy v lustri už prúd nestačí.

Napriek tomu je možné vypočítať výkon invertora nasledovne:

1. Sčítať výkon všetkých spotrebičov.
2. Určiť čas spotreby.
3. Určiť špičkové zaťaženie.

Na konkrétnom príklade to bude vyzerať takto.

Nech ako záťaž slúžia domáce elektrické spotrebiče: osvetľovacie lampy – 3 ks po 40 W, televízny prijímač – 120 W, kompaktná chladnička 200 W. Sčítame výkon: 3*40+120+200 a na výstupe dostaneme 440 W.

Určíme výkon spotrebičov za priemerné časové obdobie 4 hodín: 440*4=1760 W. Na základe získanej hodnoty výkonu za čas spotreby sa javí logický výber invertora spomedzi takých zariadení s výstupným výkonom od 2 kW.

Na základe tejto hodnoty sa vypočíta volt-ampérová charakteristika požadovaného zariadenia: 2000*0,6=1200 V/A.

Klasická schéma reprodukcie a distribúcie energie získanej z veterného generátora domáceho typu. Avšak na zabezpečenie dlhodobej energie pre také množstvo spotrebičov je potrebná dostatočne výkonná inštalácia (+)

Reálne bude zaťaženie domácnosti pre trojčlennú rodinu s plným vybavením domácich spotrebičov vyššie, ako bolo vypočítané v príklade. Zvyčajne aj čas pripojenia záťaže presahuje uvádzané 4 hodiny. V dôsledku toho bude potrebný výkonnejší invertor veternej energetickej sústavy.

Predbežný výpočet veterného generátora sa hodí nielen na jeho vlastnú montáž. Optimálne parametre je potrebné určiť aj pri výbere hotového veterného generátora.

Závery a užitočné video k téme

Ako prebieha analýza vstupných údajov a ako sa používajú vzorce, je uvedené na videu:

Používať výpočtové údaje je potrebné v každom prípade. Či už ide o priemyselné energetické zariadenie alebo o zariadenie vyrobené pre domáce podmienky, výpočet každého uzla vždy prináša maximálnu účinnosť zariadenia a hlavne – bezpečnosť prevádzky.

Predbežne vykonané výpočty určujú účelnosť realizácie projektu, pomáhajú zistiť, nakoľko nákladný alebo úsporný je projekt.

Máte skúsenosti s riešením podobných úloh? Alebo vám zostali otázky k téme? Podeľte sa prosím o svoje zručnosti v oblasti výpočtu a navrhovania veterného generátora. Komentáre a otázky môžete zanechať vo formulári nižšie.