Как произвести расчет ветрогенератора по формулам
От штиля до урагана
Перед тем как перейти к разговору про то, как сделать точный расчёт ветрогенератора, познакомимся с самой простой схемой определения силы ветра. Выйдите в чистое поле или на опушку леса в тихий солнечный день сентября. Дымок от вашего костра подымается вертикально, деревья не шелохнутся. И лишь осиновые листы еле вздрагивают, будто испугались вашего взгляда. Воздух затих, будто отдыхает перед предстоящей большой работой. Полный штиль. Теперь – внимание.
- Через пару минут дымок ощутимо начал уклоняться в сторону, вы ощутили мимолётно-нежное касание воздуха к вашему лицу. Ветром подобное явление назвать ещё тяжело, но движение откровенно настало. Знайте – скорость в этот момент может составлять от 30 сантиметров до 1 метра в секунду. Британский адмирал Бофорт именовал подобное движение тихим ветром.
- Прошло ещё 30 минут и зашелестели листы, закачалась трава, лицо ощутило еле уловимую свежесть воздуха. Скорость его движения составила уже до 3 метров в секунду – это лёгкий ветер по знаменитой шкале Бофорта.
- Заколыхались тонкие ветки деревьев, затрепетали листья, все ниже пригибается степной ковыль, ваш костёр уже ощутимо раздувается и ярче горит, дым стелится к земля. Скорость уже доходит до пяти метров – слабый ветер начал резвиться у вас на глазах.
- А вот и верхушки деревьев ожили, зашептались громче ветки, начала подниматься пыль на степной дороге. Скорость доходит до 8 метров. Уже на угнаться за движением воздуха даже без обуви. Сдержано набрал собственную силу и пока хранит её до какого-то времени спокойный ветер.
- Терпению его приходит конец и начинают сильнее колебаться ветви, закачались стволы деревьев, ветер может достигать скорости практически 11 метров в секунду и преобразуется в свежий.
- Сдержано загудел лес, начали посвистывать провода на столбах, закачались толстые ветви и стволы. Ветер успевает одолеть расстояние 14 метров в секунду и приобретает характеристику сильного.
- Дружно закачались под натиском воздуха все стволы деревьев, лес заглушает голоса, идти против ветра уже трудно. Знайте – скорость достигла 17 метров и ветер приобрёл крепкий характер.
- Раскачались все деревья с подобной силой, что начали ломаться маленькие ветви, ходить практически нереально, хочется приникнуть к земля и ползти в укрытие. Значит скорость достигла 20 метров и ветер уже имеет самый прочный характер.
- В минимально возможное время передвижение воздуха набирает силу. На городских улицах находиться страшно: летят предметы, сносит старые крыши. В лесной глуши с треском могут поломаться и летят толстые ветви, волна в море поднимает и опускает корабли на 3-4 метра вниз-вверх, скорость ветра достигла 24 метров в секунду. По определению адмирала Бофорта это уже начался шторм.
- Деревья не могут выдержать натиска, с оглушительным треском могут поломаться, многие вырываются с корнем, рушатся старые строения, летят крыши как очень большие птицы смерти, ветер преодолевает за секунду 28 метров – крепкий шторм.
- Начались массовые разрушения строений, колобками катятся машины, ветер сметает все на собственном пути, волна на море может достигать высоты более пяти метров и корабль бросает, как щепку, в десятиметровую бездна и опять выносит на поверхность, зажимая матросов к палубе с неимоверной силой. Ветер превосходит скорость 30 метров в секунду. Вступил в собственные права ожесточённый шторм.
- И, напоследок, (не дай Бог никому его проверить ни на море, ни на суше), — ураган, когда разрушительный ветер превосходит 33 метра в секунду. Все сметается с лица земли, море свирепеет и трепает корабль, как голодный волк ягнёнка.
Вот мы и познакомились с параметрами воздушного движения от штиля до урагана, которые названы в честь автора шкалой Бофорта. Это 12-балльная шкала скорости ветров. Теперь мы можем зрительно определять скорость ветра и брать его за основу, когда нужно сделать расчет мощности ветрогенератора.
При расчитывании ветряка важным параметром выступает скорость ветра. Для любого ветрогенератора такой параметр индивидуален. Во множестве установок лопасти приводятся в движение при влиянии на них ветра от двух метров/с. И исключительно при 7-11 м/с (с учетом самой установки) КПД ветряка будет самым большим. Первая скорость – начальная, вторая – номинальная. Два этих параметра указываются изготовителем на упаковке каждой модели ветряка.
– это вполне возможно. Таким образом, чтобы делать расчет мощности ветрогенератора, в первую очередь придется проверить скорость ветра у вас в регионе. Для этого нужно будет потратить несколько месяцев. Максимально вероятные параметры скорости ветра не определить за 1-2 раза. Потребуется сделать десятки замеров. Если времени на подобные исследования нет, то можно запросить данные у местной метеостанции.
Чтобы электрическая энергия вырабатывалась регулярно, при расчитывании стоит иметь ввиду среднюю скорость ветра в определенном регионе. Ее можно выяснить даже из прогноза погоды или изучив карту ветров. Номинальную скорость рекомендуется померить специализированными устройствами прямо на участке, где будет находиться ветряк. Это важно, потому как дом может находиться на высоте либо, наоборот, в низменности, где ветра фактически нет.
где r – критерий плотности воздуха (1,225 кг/м 3), V – значение, отражающее с какой скоростью двигается поток (м/с), S – площадь потока (м 2).
Чтобы проссчитать ветрогенератор, можно например взять площадь винта в 3 м 2 , а скорость ветра – 10 м/с. Тогда выйдет следующее значение: 1,225 · 10 3 · 3/2 = 1837,5 Вт. Что же касается винтов, то для маленького дома их радиус должен быть хотя бы 3-4 м. Тогда диаметр исчерпывается значениями в 6-8 м.
В рассчитанной мощности ветрового потока не учли потери. Конечное значение будет еще немного ниже. Для получения точного результата его умножают на показатель, равный:
- 35-45% – для ветрогенераторов с 3 горизонтальными лопастями;
- 15-25% – для ветряков типа Савониус с вертикальными лопастями.
С учетом коэффициента применения энергии ветра мощность ветрогенератора может составить 1837,5 · 40% = 735 Вт (для горизонтальной установки) и 1837,5 · 20% = 367,5 Вт.
На другом этапе расчета должен быть учтен еще КПД самого генератора, равный:
- 80% – для установок, в основе работы которых лежат магниты;
- 60% – для генератора с электровозбуждением.
Тогда для ветряка с горизонтальными лопастями необходимая мощность будет составлять 735 · 80% = 588 Вт. Еще 20% из данного значения вычитаются на потери в контроллерах, проводах и диодном мосту. Тогда от изначального значения в 1837,5 Вт остается 588 – 20% = 470,4 Вт.
Так, при расчитывании мощности ветрогенератора для дачи и дома ожидаемое значение смело можно дробить надвое. Лучше всего сразу проектировать установку в несколько раз мощнее, чем требуется согласно расчетам. Так вы компенсируете все минусы, включая разные специфики применяемых материалов и невидимые моменты сборки дома. Такой ветрогенератор будет обеспечивать ваше жилье нужной электрической энергией без перебоев.
Фактическое занятие № 4
Цель:
познакомиться с важными параметрами ВЭУ и методикой расчета ветрогенераторов.
Длительность занятия
– 2 часа
1. На основании теоретической части работы ознакомится и законспектировать классификацию и характерности сооружения ветрогенераторов и их технические свойства.
2. В согласии с индивидуальным заданием произвести расчет ветрогенератора.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ Часть
1. Крыльчатые ветряные генераторы
имеют ветроколесо с тем или другим числом крыльев. Поверхность вращения ветроколеса у крыльчатых ветродвигателей перпендикулярна направлению ветра, поэтому, ось вращения параллельна ветру (рис. 1, а). Показатель применения энергии ветра таких ветродвигателей может достигать ?= 0,42.
2. Карусельные и роторные ветряные генераторы
имеют ветроколесо (ротор) с лопастями, двигающимися по направлению ветра; ось вращения ветроколеса занимает вертикальное положение (рис. 1, б). Показатель применения энергии ветра таких ветродвигателей равён от 10 до 18%.
3. Барабанные ветряные генераторы
имеют аналогичную схему ветроколеса, как и роторные, и выделяются от них лишь горизонтальным положением ротора, т. е. ось вращения ветроколеса горизонтальна и расположена перпендикулярно потоку ветра (рис. 1, г). Показатель применения энергии ветра таких ветряков от 6 до 8%.
Рис. 1. Системы ветродвигателей: а — крыльчатые ветродвигатели; б) — роторные ветряные генераторы; в — карусельные ветряные генераторы; г — барабанные ветряные генераторы.
Рис. 2 – Ветродвигатель и его важные элементы
1. Ветряк
как правило имеет от 2 до 24 лопастей. Ветроустановки с числом лопастей от 2 до 4 называются малолопастными; если у ветроколеса более 4 лопастей, то оно именуется многолопастным.
2. Головка
ветродвигателя представляет опору, на которой устанавливается вал
ветроколеса и верхняя передача
(редуктор).
3. Хвост
фиксируется к головке и поворачивает ее около вертикальной оси, устанавливая ветроколесо на ветер.
4. Башня
ветродвигателя служит для вынесения ветроколеса выше преград, нарушающих течение потока воздуха. Маломощные ветродвигатели, которые работают на генератор, в большинстве случаев устанавливаются на столбе или трубе с растяжками.
5.
У самого основания башни вертикальный вал приключается к нижней передаче
(редуктору), которая передает движение рабочим машинам.
6.
Управление оборотов ветроколеса представляет устройство или механизм, с ограничивающий обороты ветроколеса с увеличением скорости ветра.
Параметры ветроустановки между собой связаны несложными однозначными физическими зависимостями.
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 нагрузки ветра на строения во время проектирования. В зависимости от класса строения в расчет берется скорость с заданной повторяемостью — 1 раз в году, в 5, 10, 15, 20, 50 и 100 лет;
Переустройство энергии ветра в электроэнергию при помощи ветрогенератора
Очень большое распространение получают ветроэлектростанции. Они очень удобны в применении на равнинных территориях с нередкими и большими ветрами. Его устройство очень легко и большинство владельцев приватных домов думают про установку ветряков или фотоэлектрических панелей.
Ветряные генераторы можно поделить на промышленные и бытовые. Промышленные ветроустановки, в основном, монтируются энергетическими корпорациями или странами и соединяются в сети, в результате получаются электростанции применяющие энергию ветра для выработки электроэнергии. Существенное преимущество подобных электростанций в том, что для выработки электричества им не надо сырья (уголь, нефть, газ), а еще они не генерируют отходов во время работы.
В настоящий момент за умеренные деньги можно приобрести ветрогенератор для коттеджа и благодаря этому обеспечить электричеством собственный коттедж. Как правило для обеспечения маленького дома абсолютно достаточно ветроустановки мощность 1 кВт, однако при скорости ветра 8 м/с.
Если средне годовая скорость ветра не достаточна для полнейшего обеспечения дома, ветроустановку можно дополнить солнечными элементами или дизель – генераторной установкой. При этом ветряные генераторы с вертикальными осями могут дополнятся меньшими ветрогенераторами. Как, пример – турбина Дарье вполне удачно может дополнятся ротором Савониуса и они при этом не мешают друг дружке, а идеально дополняют друг друга.
В основном, в подсобных хозяйствах ветроустановки рассматриваются с точки зрения большой экономии при отоплении, обслуживания теплиц (освещение), а еще для уменьшения электропотребления из сети, а порой даже ее генерация в обратно сеть. Большое непостоянство ветра не даёт возможности спрогнозировать примерное кол-во электрической энергии, которую может произвести такая установка. По этому к постройке ветрогенератора добавляется еще вопрос стабилизации вырабатываемой им энергии.
Основным тормозом массового внедрения ветрогенераторов является очень большая цена киловатта мощности. Также затраты на их эксплуатацию тоже не небольшие.
Одной из очень важных параметров ветряка есть говоря иначе показатель применения энергии ветра (КИЭВ). У самых лучших ветряков этот показатель может достигать 60 – 80%, а примерно он составляет 40 – 45%. У непрофессиональных ветряков он, в основном, не превышает 35%.
Для прекрасного выбора агрегата необходимо точно определить направление предпочтительное ветра, его среднюю скорость там, где ориентировочно будет поставлен ветряк. Не забывайте, что скорость начальная вращения лопастей ориентировочно 2 м/с, а самый большой эффект будет достигнут при скорости 9 – 12 м/с. Мощность ветроустановки зависит исключительно от диаметра винта и скорости ветра.
Где: Р – мощность, выраженная кВт,
D – диаметр винта, выраженный в метрах,
V – скорость ветра, м/с,
Где: Р – мощность, выраженная Вт,
S – площадь, на которую перпендикулярно дует ветер, выраженная в м 2 ,
Как видно из формул выше, на мощность ветроустановки мы можем посодействовать диаметром винта, так как не можем оказать влияние на скорость ветра. Посчитав примерную мощность, получившуюся от установки ветряка, можно подумать, а имеет ли смысл ставить ветряк? Если установка ветряка не целесообразна можно подобрать другой экологически чистый источник энергии (фотоэлектрические панели) или установить несколько ветряков.
Переустройство энергии ветра в электроэнергию при помощи ветрогенератораС постоянным удорожанием энергоносителей любой из нас очень часто думает об экономии при помощи альтернативной энергетики. Довольно немалую популярность набирают ветроэлектростанции.
независимо от того, запланировали ли вы приобрести готовый генератор, либо станете выполнять его сами, скорость ветра будет одним из очень важных показателей при подсчете мощности установки.
Во-первых, у каждого типа ветрогенераторов есть собственная начальная скорость работы. Для многих установок это 2-3 м/с. Если скорость ветра ниже этого порога, работать генератор не будет вообще, и, исходя из этого, электричество генерировать тоже.
Кроме начальной скорости, есть и номинальная, при которой ветрогенератор выходит на собственную номинальную мощность. Для каждой модели изготовитель указывает данную цифру отдельно.
Но, если скорость выше начальной, но ниже номинальной, то и выработка электричества станет значительно снижена. А для того, чтобы не останется без электричества, вам необходимо всегда прежде всего ориентироваться на среднюю скорость ветра у вас в регионе и конкретно у вас на участке. Первый критерий вы можете выяснить, взглянув на карту ветров, либо посмотрев мониторинг погоды в собственном городе, где в большинстве случаев указывается скорость ветра.
Вторая же цифра в совершенстве должна измеряться специализированными устройствами конкретно в том месте, где будет стоять ветроустановка. Ведь ваш дом бывает как на высоте, где скорость ветра будет выше, так и в низменности, в которой ветра почти что не будет.
В этой ситуации те, кто регулярно страдает от ураганных порывов ветра, находятся в намного выгодном положении, и могут рассчитывать на большую продуктивность ветрогенератора.
Минусы вертикальных ветрогенераторов
Описание и характеристики разных типов ветрогенераторов, их стороны как слабые так и сильные и применение в самых разных областях.
Забота о внешней среде и о своем кошельке побудила светлые умы человечества к изобретению и внедрению новых методов производства энергии, источником, для которой, служили бы безграничные ресурсы: солнце, вода и ветер. Применение каждого такого источника имеет собственные минусы и плюсы, но наиболее доступной и эффектной считается энергия ветра.
Разумеется, природа налаживает конкретные ограничения на применение ветрогенераторов, и финансовые затраты на производство 1 кВт электричества от солнечной энергии и ветра ориентировочно соизмеримы. Однако в северных широтах, тем более в находящихся у берега регионах, применение ветрогенераторов не имеет конкурентов.
Вопрос полезности установки упирается в среднюю скорость ветра по региону. Начав с 4 м/с установка ветрогенератора считается целесообразной, а при 9-12 м/с он функционирует с самым большим КПД. Но мощность ветрогенератора будет зависеть не только от скорости ветрового потока (схема 1), но и от диаметра ротора и площади лопастей (схема 2).
Если известна средняя скорость ветра, то манипулируя величинами диаметра винта или его площади, можно вывести подходящую мощность установки, которая нужна.
Р = 2D*3V/7000, кВт, где то — мощность, D — диаметр винта в м, V — скорость ветра в м/сек.
Эта формула расчёта эффективности ветрогенератора справедлива только для крыльчатого — горизонтального типа.
Однако они имеют существенный недостаток — тихоходность. Для его преодоления используют повышающие редукторы, что несколько уменьшает КПД.
- Высокая скорость вращения, это дает возможность соединяться с генератором, что повышает КПД,
- Легкость изготовления,
- Большое большой выбор моделей.
- Большой уровень шумового и ультразвукового загрязнения. Это может быть страшно для человеческого здоровья. По этому генерирующие промышленные мощности размещают в безлюдных местах,
- Необходимость использовать стабилизатор и устройства наведения на поток ветра,
- Частота вращения находится в обратной пропорции к количеству лопастей, по этому в промышленных моделях нечасто применяют более трёх лопастей.
Работы по преодолению последнего минуса ведутся уже очень давно. Было разработано и выпущено пару маленьких моделей ветрогенераторов. Их КПД достаточно большой для собственного класса мощности, из-за неповторимого сооружения лопасти.
Площадь сопротивления ветру в подобной модели минимальна, она способна работать при силе ветра и 2 м/с и выдавать при этом 30 Вт. Но если учесть, что на трение и другие потери, в моделях подобного класса, уходит до 40% энергии, оставшихся 18 Вт не хватит даже на освещение одной лампочкой. Для применения на дачном участке или в приватном доме необходимо, что-то серьёзнее.
Выбор модели
Цена комплекта ветрогенератора, преобразователя напряжения, мачты, ШАВРа — шкафа автоматизированного включения резерва, зависит от мощности и КПД.
Как можно заметить для полнейшего или частичного обеспечения усадьбы электротоком нужны резервные электростанции внушительной мощности, установить которые своими силами сложно. Во всяком случае высокие капитальные вложения и необходимость производства работ по монтажу мачты при помощи специальной техники значительно уменьшают востребовательность ветровых энергетических систем для приватного применения.
Есть переносные ветряные генераторы небольшой мощности, которые можно взять с собой в поездку. Такие модели компактные быстро устанавливаются на местности, не просят специального ухода, и дают достаточно энергии, для уютного времяпрепровождения на природе.
И хоть самая большая мощность подобной модели всего 450 Вт, этого хватит для освещения всего кемпинга и предоставляет возможность использовать домашние электроприборы вдалеке от цивилизации.
Для средних и малых фирм установка нескольких генерирующих ветровых станций могла бы дать большую экономию в энергетических затратах. Много европейских фирм занимаются производством продукции данного типа.
Это непростые инженерные системы, просящие предупреждения и обслуживания, однако их номинальная мощность такая, что может закрыть нужды всего производства. Например в Техасе на очень большой ветроэлектростанции в Америке всего 420 подобных генераторов вырабатывают за год 735 милионов ватт.
Самые новые разработки
Прогресс на месте не стоит, и новейшие разработки поднимают результативность ветрогенераторов на новую высоту, в прямом смысле. Одной из очень трудозатратных частей при разработке ветровой электростанции был монтаж наземных систем: мачты, генератора, ротора, лопастей. На небольших высотах, возле земли ветровые потоки не постоянны, а подъём генерирующих мощностей на существенную высоту, выполняет мачту чрезмерно сложной и дорогой системой.
Теперь этого получиться избежать. Компания Makani Power разработала летающий ветрогенератор — крыло, запустив который на существенную высоту 550 м, можно получить до 1 МВт электрической энергии в течении года.
Мощные ветряные генераторы: сравнительная характеристикаКраткий обзор и сравнительная характеристика разнообразных моделей ветрогенераторов для приватного применения: портативные, для опасных ситуаций, цивилизованного отдыха на природе, дома, на дачном участке.
P = 0,5 *Q * S * V 3
P – мощность (Вт), Q – плотность воздуха (1,23 кг/м 3 ), S – площадь ометания ротора ( м 2 ), V – скорость ветра ( м/с ),
Но так как сто процентного изменения одного вида энергии в иную не возможно, то начинаем вычитать потери. Ветроколесо имеет конкретный показатель применения (изменения) энергии ветра. Максимальное значение теоретического применения энергии ветра у хороших быстроходных крыльчатых ветроколес равно 0,593.
Для лучших образцов быстроходных ветроколес с аэродинамическим профилем данный показатель может составлять от 0,42 до 0,46. Для многолопастных тихоходных ветроколес данный показатель меняется от 0,27 до 0,35 в зависимости от качества выполнения и в расчетах отмечается символом Cp. Для согласования оборотов тихоходного ветроколеса и генератора нужно применять повышающий редуктор (мультипликатор) и его КПД меняется от 0,7 до 0,9 в зависимости от коэффициента передачи и выполнения.
Преобразовывая энергию механического типа в электрическую, также несем потери. По этому отражаем их в КПД генератора Ng от 0,6 ( для автотракторных генераторов с обмоткой возбуждения ) до 0,8 (для генераторов с возбуждением от постоянных магнитов).
P = 0,5 *Q * S * V 3 * Cp * Ng * Nb ,
P – мощность (Вт), Q – плотность воздуха (1,23 кг/м 3 ), S – площадь ометания ротора ( м 2 ), V – скорость ветра, ( м/с) , CP – показатель применения энергии ветра (0,35 неплохой конструктив), Ng – КПД генератора (автомобильного 0,6, на постоянных магнитах 0,8), Nb – КПД повышающего редуктора (0,7 – 0,9).
P = 0,5 * 1,23 * (3,14 *(1,5*1,5 )) * ( 5 * 5 * 5 ) * 0,35 * 0,8 * 0,9 = 136 Вт.
W = V / L * Z * 60 = 5 / 9,42 * 3 * 60 = 95,5 оборотов в минуту.
Остается выбрать передаточное число редуктора в зависимости от номинальных оборотов генератора.
Загрузить расчет ветроколеса можно тут: Расчет ветроустановки.xls
Подставьте в поля жёлтого цвета переменные подходящие вашим условиям. И в первом приближении увидете потенциальный результат. Конечный расчет выводится с учетом реактивного сопротивления ветроколеса под нагрузкой.
Расчет мощности ветрогенератораПри расчете ветрогенератора (ветряка) мощность ветрового потока проходящего через площадь ометания ветроколеса вычисляют очень точно по формуле:P = 0,5 *Q * S * V3P – мощность (Вт),
Перед тем как приобретать или своими силами делать ветроустановку, нужно произвести некоторые расчеты. Особенных сложностей тут нет, впрочем расчет ветрогенератора имеет собственные характерности, на которых заострим внимание в данной публикации. В этом случае расчет ветроустановки предусматривает точный расчет мощности ветрогенератора в зависимости от скорости ветра и диаметра лопастей генератора. Четкое осознание того, от чего обуславливается мощность ветрогенератора, даст возможность деньги сэкономить при его покупке.
В связи с увеличением расценок на источники энергии, все больше хозяев приватных домов обращаются к возобновляемых и оригинальных источников энергии (ВНИЭ), например как ветровая, солнечная, гидроэнергия и геотермальная. Тут расскажем, как рядовому гражданину нашего государства правильно и доступно, с материальной точки зрения, воспользуйтесь энергетикой ветра.
V – скорость ветра, мерная единица – м/с
? – плотность воздуха, мерная единица – кг/м3
S – площадь, на которую дует (пожимает) поток воздуха, мерная единица – м2
Потери
Не очень легко проссчитать по формуле мощность вашей установки. Всегда есть потери, которые отнимут до 70% мощности. Первые потери, с которыми вы столкнётесь – это показатель применения энергии ветра. Он равён ориентировочно 0,6.
Дальше потери будут на винте, который берёт от 40 до 50% мощности. Потери генератора составляют около 20%, а потери проводов – ещё 20%.
Все такие параметры необходимо принимать во внимание при планировке ветроустановки. Тут приведены приблизительные потери. Настоящие величины вы можете выяснить в описании тех компонентов, которые будете применять. Они в большинстве случаев указаны изготовителем.
Какие ветряные генераторы наиболее эффективные (классификация агрегатов)
| Горизонтальные | Вертикальные |
| Подобный вариант оборудования приобрел самую большую известность, в нем ось вращения турбины размещается параллельно земля. Аналогичные ветряные генераторы иногда называют ветряными мельницами, в них обороты лопастей выполняются против потока ветра. Конструкция оборудования в себя включает систему для автоматизированного прокручивания головной части. Она требуется с целью поиска ветрового потока. Также нужно устройство для поворота лопастей, чтобы для выработки электрической энергии применять даже маленькую силу. |
Использование данного оборудования более лучше на промпредприятиях, чем в бытовых задачах и целях. В действительности они очень часто применяются для создания систем ветряных электростанций.
Связывают это с тем, что редукторный узел и генератор устанавливаются на земля. К недостаткам данного оборудования необходимо отнести дорогую установку и серьезные рабочие расходы. Для монтажа генератора потребуется много места. По этому применение вертикальных устройств более лучше в маленьких приватных хозяйствах.
| Двухлопастные | Трехлопастные | Многолопастные |
| Этот тип агрегатов отличается наличием 2-ух компонентов вращения. Данный вариант фактически неэффективен сегодня, но довольно популярен благодаря собственной надежности. | Данный вариант оборудования считается очень распространенным. Трехлопастные агрегаты применяются не только в фермерских хозяйствах и промышленности, но и в приватных домовладениях. Данный тип оборудования распространение получил благодаря хорошему качеству и эффективности. | Последние могут иметь от 50 и более компонентов вращения. Чтобы обеспечить производство необходимого объема электрической энергии, нужно не само прокручивание лопастей, а вывод на нужное число оборотов. Наличие каждой дополнительного элемента вращения обеспечивает увеличение параметра общего сопротивления ветрового колеса. Благодаря этому выход оборудования на нужное численность оборотов будет сложным. |
Карусельные устройства, оснащенные большим количеством лопастей, начинают вращение при маленькой силе ветра. Однако их использование более важно, если играет роль конкретно сам факт прокручивания, например, когда потребуется перекачка воды. Чтобы прекрасно обеспечить производство большого числа энергии, многолопастные агрегаты не применяются. Для их функционирования необходима установка редукторного устройства. Это не только затрудняет всю конструкцию оборудования в общем, но и ее делает менее хорошей в сравнении с 2-ух- и трехлопастными.
| С жёсткими лопастями | Парусные агрегаты |
| Цена подобных агрегатов довольно высокая за счёт большой стоимости производства деталей вращения. Но в сравнении с парусным оборудованием, резервные электростанции с жёсткими лопастями намного надежнее и отличаются высоким ресурсом эксплуатации. Потому как в воздухе содержится пыль и песок, на детали вращения действует большая нагрузка. Во время работы оборудования в стабильных условиях, ему требуется ежегодичная замена антикоррозийной пленки, которая наносится на концы лопастей. Без этого компонент вращения по истечению определенного времени начинает терять собственные рабочие свойства. | Подобный тип лопастей более прост в плане производства и менее дорогой, в сравнении с металлом либо стеклокомпозитом. Но экономия во время изготовления может привести к серьезным затратам в перспективе. При диаметре ветрового колеса в три метра скорость движения конца лопасти может быть до 500 километров в час, когда обороты оборудования составляют около 600 за минуту. Это — серьезная нагрузка даже для жёстких деталей. Практика показывает, что детали вращения на парусном оборудовании необходимо заменять часто, тем более если сила ветра высокая. |
Канал «Fodiator Ch» детально рассказал о разновидностях ветряных генераторных установок.
В согласии с вариацией роторного механизма все агрегаты можно поделить на несколько вариантов:
- ортогональные устройства Дарье;
- агрегаты с роторным узлом Савониуса;
- устройства с вертикально-осевой системой агрегата;
- оборудование с геликоидным типом роторного механизма.
Обычная и непростая формулы
Есть 2 формулы, по которой вы можете определить мощность ветрогенератора, зная скорость ветра и радиус либо диаметр лопастей.
Первая формула чуть сложнее, и реже применяется.
Мощность = показатель применения энергии ветра * ((плотность возд. потока * скорость ветра в кубе)/2 * п * радиус в квадрате)
Вторая формула несколько упрощена.
Мощность = 0,6 * п * радиус в квадрате * скорость ветра в кубе
Скорость ветра для расчёта нужно брать ниже среднегодовой, чтобы по настоящему понимать, на какие цифры вам необходимо рассчитывать.
Инструкция по изготовлению вертикального ветрогенератора собственными руками
Идея построить свой ветряк у меня появилась ещё в 2005 году, когда я только-только получил землю в Миродолье. Идея была довольно абстрактна, однако уже тогда хотелось иметь не быстрый ветряк-пропеллер, который перемелет в муку пролетающих сквозь него птиц и насекомых, а медлительный ветряк. На слуху был «парусный ветряк».
Как я уже писал прежде, в 2008 году я обзавелся собственной первой фотоэлектрической панелью. Она исправно снабжает меня электротоком и по сей день. Впрочем во время зимы, как и следовало ждать — её результативность падает в 20-22 раза. Т. е. летняя мощность в 120 Вт преобразуется во время зимы в 6 Вт (в плохую погоду). А у меня одна LED-лампа потребляет 6Вт, а ещё ноутбук 90Вт. Вот тут-то я вспомнил об идее ветряка, которую обдумывал до недавнего времени. откровенно было пора идею превращать в жизнь.
В общем, вертикально-осевой (да и в общем то любой) ветряк состоит из: собственно ротора ветряка (как бы лопасти) — то что крутится под действием ветра, генератора — то, что видоизменяет энергию механического типа кручения ротора в электрическую, и электронной частью, которая в себя включает разные выпрямители, преобразователи и контроллеры заряда. Да, и разумеется ненужно забывать про вышку, или то, что её заменяет — в общем конструкцию, на которой ветряк крутится.
В конце-концов у меня напоследок стал нарисовываться проект. И практически По завершении осени я был готов к первым практическим шагам. Вот какие требования я предъявлял ветряку: ветряк должен начать генерировать электрическую энергию уже во время ветра 4 м/c. Потому как я собирался заряжать аккумуляторы, то генератор ветряка должен был генерировать постоянный ток, номиналом 12В. Ветряк должен быть тихоходным. А еще дешев и прост в изготовлении.
Кстати, сразу хочу прояснить вопрос — а почему собственно рукодельный ветряк, а не покупной. В первую очередь я разумеется просканировал все присущие предложения по ветрякам. Как правило — это горизонтально-осевые ветроустановки, поднятые на мачте, с лопастями – «вертушками». Их мощность впечатляла, но на номинал они выходили только с 12 м/c. Стоимость 500Вт ветряка составляла 1000$. Тихоходные ветроустановки — будь-то парусные, «савониусы» или «дарье» – как правило самоделки.
Для тех, кто не желает читать всю статью сразу напишу о результатах. На данное время (осенняя пора 2011г) я таки выстроил ветряк, и есть навык круглогодичного его применения. Мощность во время ветра 7-8 м/c
50Вт. Дальше мощность становится лишь больше, но — к большому сожалению у нас такие ветра в редкость. Стоимость всей конструкции (включая электронную) — около 15000 руб. Ветряк на самом деле работает очень тихо. «Ловит» мизерный ветер, но электрическую энергию начинает выдавать при скорости — 60 оборотов за минуту (RPM). Честно, не имея в наличии точный анемометр (прибор чтобы провести измерения скорости ветра), тяжело провести точную параллель между получаемой электрической энергией и скоростью ветра, однако это — ориентировочно 5-6 м/c.
Подытожу моё заключение мотивацией выбора конструкции ротора и генератора ветряка.
Главные типы роторов ветряков такие: с лопастями как у самолета (вертушки, «Классика»), горизонтально-осевые; с лопастями из материала листового типа, согнутые специальным образом («Савониус»), ветрикально-осевые; с лопастями как у самолета но вертикально-осевые («Дарье»), с лопастями — парусами, натянутыми на спицы, горизонтально-осевые.
Конструкция горизонтально-осевых предусматривает расположение генератора очень близко от ротора (т. е. сверху вышки). Появляется вопрос про необходимость поворота ветряка по ветру, и, как последствие, необходимость механизма передачи электрической энергии через кольца-токосъемники (напрямую провода вниз опускать нельзя — перекрутятся).
В вертикально-осевых таких проблем нет — т. к. ловит ветер он с абсолютно любой стороны. Генератор если появится желание разрешено делать внизу вышки, передавая энергию кручения при помощи вала. Роторы «Дарье» – интересная штука, но просит довольно точного выполнения лопастей. По этому я подобрал очень простой вид ротора – «Савониус».
Генератор — сердце ветряка. По началу я хотел приобрести готовый генератор. Впрочем после щепетильного выяснения вопроса, стало очевидным, что тихоходных генераторов в свободной продаже нет. Автомобильный не подойдет, потому как начинает генерировать ток при 1000 оборотов в минуту, что ещё решается установкой дополнительного компонента — мультипликатора (который тоже стоит денег, шумит и забирает собственную часть КПД), а вот что не решается — это то, что в нем стоит катушка возбуждения, которая собственно и воплощает одну из его частей в электромагнит.
Я буду писать об этапах изготовления довольно коротко. Во-первых — все есть во всемирной сети. Не вижу смысла писать об одном и том же. Если вспомню ссылки на источники — дам. Стоимость того либо другого узла дана приблизительна — просто уже не помню, а смету не вёл, точнее вёл, но в начале. Моя задача — сказать про то, что это вообще можно сделать, рассказать о такой технологии, преимущества, и недостатки.
Изготовление ротора
«Другое устройство лопастей, предложенное К. А. Угринским, продемонстрировано на фиг. 11. Тут канал образуется 2-мя лопастями, форма поперечного профиля которых напоминает собой ковш с ручкой. Рассмотрим, в чем заключаются характерные специфике работы этого нового ротора в свободном течении. Проходящая через канал вода два раза отдает собственную энергию, как это было и у прежде описанных роторов.
Однако В то время, когда у данных роторов при вращений на место круто выгнутой стенки первой лопасти быстро становится собственным внутренним изгибом аналогичная круто изогнутая часть второй лопасти, в новом роторе происходит нечто иное. Рассмотрим данный процесс детальнее.
Допустим, что входящая в канал струйка в первую очередь ударяется о слабо изогнутую стенку первой части лопасти. Вместо нее быстро становится круто изогнутая стенка (чашеобразно изогнутая часть профиля) второй лопасти. Она быстро меняется слабо выгнутой частью такой же второй лопасти, вслед за которой набегает круто изогнутая часть первой лопасти, и т. д.
При первом же взгляде на профиля лопастей нового ротора видно, что какое положение ни заняли бы лопасти этого ротора относительно горизонтального направления направления, никакого «мертвого» положения нет. Всегда какая-либо часть лопасти направлена навстречу к потоку и способствует продолжению вращения ротора, а совсем не его остановке. За счёт этого многоярусное устройство для подобного ротора необязательно.
В качестве основополагающего размера для такой схемы ротора автором таких строк принят радиус диска R(фиг. 12). Нокак и в предыдущих случаях, сохранено очень важное требование, чтобы средняя часть канала между лопастями равнялась 2/3 ширины устья канала.»
Ориентировочное КПД — 41-46%. Уже можно работать. В действительности изобретателей аналогичных роторов у нас много – Воронин Я.А., Кажинский Б.Е., Иванов В.А., Блинов Б.С., Угринский К.А., Бирюков Б.С., Новиков Ю.М. Информацию о последнем я узнал совершенно недавно — нужно бы в перспективе проверить и его.
Как я сделал сам ротор? В виде материала для лопастей я подобрал самый тонкий (0,5 мм) лист дюраля. Мне было понятно, что чем легче будет конструкция ротора — тем легче он будет вращаться малым ветром. Тем более что это тоже подтвердилось на небольших модельках. Лист покрытой цинком стали — чрезмерно тяжёл для подобных вещей.
По торцам ротора обязаны быть сплошные круги. Я подобрал фанеру 10мм. Это самый нелегкий компонент — один круг весит 3,5 кг. На кругах были нарисован профиль крыла, который я потом углубил небольшой фрезой на 3мм. Это была неприятная работа, впрочем смысл её был в том, чтобы вставить в получившуюся канавку лист лопасти.
Конструкция ротора состояла из 2-ух его частей, где лопасти были повернуты на 90 градусов относительно друг-друга. Листы дюраля крепились к фанере при помощи уголков из стали (металлических не нашлось) на болтики. Каждая половина ротора стягивалась 2-мя шпильками с гайками d6 мм.. По оси насквозь ротор пронизывает осевая шпилька d16. Она фиксируется к каждому фанерному кругу 2-мя гайками с обеих сторон. Собственно момент кручения и подается этой центральной осью.
Фанерные круги 2 раза пропитаны олифой. Все гайки с гровер-шайбами. Диаметр ротора — 75 см, высота — 160 см. Общий вес — около 16 кг. Стоимость — около 3500 руб.
Время изготовления не засекал, вообще вся работа по ветряку шла в свободное от другой работы время. Ротор я доделал уже во время зимы. Мы его вытащили на улицу и поняли что ветер легко его проворачивает.
Итак, генератор на постоянных магнитах. А нет их в продаже нифига! В любом случае в открытых источниках. Есть зарубежные, в особенности Китайские — но. то что мне хотелось стоило с доставкой от 400$. В общем я уже начал действительно подумывать о применении высокооборотного генератора (они в продаже имеется) и мультипликатора (А дело все в том, что рабочая скорость оборотов ветряка — 150-200 RPM, а подобных генераторов — 800-1000 RPM). Но как-то душа к этому не лежала. Дополнительный механизм — мультипликатор — будет шуметь, да и стоить будет много.
Что понадобится?
Как сделать расчет ветрогенератора своими силами
Для выполнения задачи осуществляются эти действия:
- В первую очередь производятся вычисления. В согласии с полученными результатами выбирается длина компонентов вращения, а еще высота башни.
- Делается анализ средней скорости потока воздуха, отличительного для конкретной местности. Чтобы это сделать понадобиться необходимое оборудование. При его помощи приходится следить за силой воздушного потока на протяжении пары месяцев. При отсутствии прибора можно запросить результаты у представителей местной метеостанции.
Расчет мощности ветрогенератора делается по формуле Р=krV 3S/2.
- r — параметр плотности потока воздуха, при обыкновенных условиях это значение равно 1,225 кг/м3;
- V — средняя величина скорости ветра, измеряется в метрах в секунду;
- S — вся площадь потока воздуха, замеряется в метрах;
- k — параметр эффективности турбины, которая ставится в оборудовании;
Применяя эти расчеты, можно точно определить величину мощности, нужной для генераторной установки в определенной местности. Если приобретается фирменное оборудование, то на его упаковке должно указываться, при какой силе потока воздуха работа устройства будет очень эффективной. Это в реднем значение будет составлять в диапазоне от семи до одиннадцати метров в секунду.
Пользователь Одесский инженер детально рассказал о процедуре сборки генераторного устройства, а еще о выполнении расчетов.
Процедура расчета делается по формуле Z=LW/60/V, обозначение символов:
- Z — величина тихоходности одного винта;
- L — размер окружности, которую будут описывать детали вращения;
- W — скорость прокручивания одного винта;
- V — скоростной параметр подачи потока воздуха.
С учетом этой формулы выполняется вычисление количества оборотов. Однако для расчета нужно предусматривать и шаг одного винта оборудования. Он вычисляется по формуле H=2пR* tga.
- 2п — константное значение, составляющее 6,28;
- R — значение радиуса, который будут описывать детали вращения оборудования;
- tg a — угол сечения.
Перед выполнением данных рассчетов нужно взять во внимание еще один момент. Если в домашней сети будет применяться лишь одна батарея, которая рассчитана на 12 вольт, то смысла устанавливать преобразователь напряжения нет. Средняя величина мощности участка за городом или приватного домовладения будет примерно 4 кВт при условиях самых больших нагрузок.
Однако для этих условий, когда применяется десять батарей на 24 вольта, понадобится ветрогенератор, который свободно рассчитан на 3 кВт, не менее. Более слабое оборудование не сможет обеспечить энергетикой такое число аккумуляторов. Для домашних приборов аналогичная мощность может быть очень высокой.
Расчет мощностного параметра устройства инверторного типа выполняется так:
- В первую очередь нужно суммировать мощностные характеристики всех потребителей энергии.
- После определяется время употребления.
- Вычисляется параметр высокой нагрузки.
Александр Капустин показал процедуру запуска ветрового генераторного устройства с преобразователем напряжения.
