Kaip atlikti vėjo generatoriaus skaičiavimą: formulės + praktinis skaičiavimo pavyzdys

Alternatyvioji energija, gaunama iš vėjo jėgainių, kelia didelį visuomenės susidomėjimą. Tai patvirtina gausybė realios buitinės praktikos pavyzdžių.

Užmiesčio nekilnojamojo turto savininkai patys stato vėjo malūnus ir džiaugiasi gautu rezultatu, nors poveikis gali būti ir trumpalaikis. Priežastis – montuojant nebuvo tinkamai atliktas vėjo generatoriaus skaičiavimas.

Sutikite, nenorėtųsi, sugaišus laiko ir lėšų projektui įgyvendinti, gauti mažai efektyvų įrenginį. Todėl svarbu suprasti, kaip apskaičiuoti vėjo generatorių ir pagal kokius parametrus parinkti pagrindinius vėjo malūno darbo mazgus.

Šių klausimų sprendimui ir skirta straipsnis. Teorinė medžiagos dalis papildyta vaizdiniais pavyzdžiais ir praktinėmis rekomendacijomis dėl vėjo generatoriaus įrenginio surinkimo.

Vėjo generatoriaus skaičiavimas

Nuo ko pradėti skaičiuoti elektros energijos atgaminimo sistemą iš vėjo energijos? Atsižvelgiant į tai, kad kalbama apie vėjo generatorių, logiškai atrodo preliminari vėjo rožės analizė konkrečioje vietovėje.

Tokie skaičiavimo parametrai kaip vėjo greitis ir jam būdinga kryptis šioje teritorijoje yra svarbūs skaičiavimo parametrai. Jie tam tikru laipsniu nustato tą vėjo jėgainės galios lygį, kuris bus realiai pasiekiamas.

Vėjo generatorius tokios galios sunku net įsivaizduoti. Tačiau panašios konstrukcijos egzistuoja ir efektyviai veikia. Vis dėlto panašių konstrukcijų skaičiavimai rodo palyginti mažą galią, palyginti su tradiciniais energijos šaltiniais.

Įdomu tai, kad šis procesas yra ilgalaikis (ne mažiau kaip 1 mėnuo), o tai visiškai akivaizdu. Apskaičiuoti maksimaliai tikėtinus vėjo greičio parametrus ir dažniausią jo kryptį neįmanoma atlikus vieną ar du matavimus.

Reikės atlikti dešimtis matavimų. Nepaisant to, ši operacija tikrai būtina, jei yra noras pastatyti efektyvią produktyvią sistemą.

Kaip apskaičiuoti vėjo malūno galią

Buitinės paskirties vėjo generatoriai, ypač pagaminti savo rankomis, dar nestebina žmonių didelėmis galiomis. Tai ir suprantama. Pakanka tik įsivaizduoti masyvų 8–10 m aukščio stiebą su generatoriumi, kurio sraigto menčių mojis didesnis nei 3 m. Ir tai nėra pati galingiausia instaliacija. Tik apie 2 kW.

Tokios galios vėjo jėgainėms aptarnauti naudojami sraigtasparniai ir specialistų komandos, kuriose yra iki dešimties žmonių. Norint atlikti tokios energetinės instaliacijos skaičiavimą, pritraukiama dar daugiau vykdytojų.

Apskritai, jei remiamasi standartine lentele, rodančia vėjo generatoriaus galios ir reikiamo menčių mojo santykį, yra ko stebėtis. Pagal lentelę, 10 W galios vėjo jėgainei reikalingas dviejų metrų sraigtas.

500 vatų konstrukcijai jau reikės 14 m skersmens sraigto. Tuo tarpu menčių mojo parametras priklauso nuo jų skaičiaus. Kuo daugiau menčių, tuo mažesnis mojis.

Bet tai tik teorija, sąlygota vėjo greičio, neviršijančio 4 m/s. Praktiškai viskas kiek kitaip, o buitinės paskirties instaliacijų, realiai veikiančių ilgą laiką, galia niekada neviršijo 500 W.

Todėl galios pasirinkimas čia paprastai ribojamas 250–500 W diapazonu, esant vidutiniam vėjo greičiui 6–8 m/s.

Vėjo energetikos sistemos galios priklausomybės nuo darbinio sraigto skersmens ir menčių skaičiaus lentelė. Šią lentelę galima pritaikyti skaičiavimams, tačiau atsižvelgiant į tai, kad ji sudaryta pagal vėjo greičio parametrą iki 4 m/s (+)

Iš teorinės pozicijos, vėjo energetinės stoties galia apskaičiuojama pagal formulę:

N=p*S*V³/2,

kur:

• p – oro masių tankis;
• S – bendras sraigės menčių apipučiamas plotas;
• V – oro srauto greitis;
• N – oro srauto galia.

Kadangi N – parametras, iš esmės įtakojantis vėjo generatoriaus galią, tikroji įrenginio galia bus netoli apskaičiuotos N vertės.

Vėjo įrenginių sraigtų skaičiavimas

Konstruojant vėjo jėgainę paprastai naudojami dviejų rūšių sraigtai:

• sparniniai – sukimasis horizontalioje plokštumoje;
• Savonijaus rotorius, Darjė rotorius – sukimasis vertikalioje plokštumoje.

Sraigtų konstrukcijas, besisukančias bet kurioje plokštumoje, galima apskaičiuoti naudojant formulę:

Z= L*W/60/V

kur:

• Z – sraigto greitaeigiškumo (lėtaeigiškumo) laipsnis;
• L – menčių aprašomo apskritimo ilgio dydis;
• W – sraigto sukimosi greitis (dažnis);
• V – oro srauto greitis.

Remiantis šia formule galima lengvai apskaičiuoti apsisukimų skaičių W – sukimosi greitį.

Taip atrodo sraigto konstrukcija, vadinama „Darjė rotoriumi“. Šis propelerio variantas laikomas efektyviu gaminant mažos galios ir matmenų vėjo generatorius. Sraigto skaičiavimas turi tam tikrų ypatumų

O darbinį apsisukimų ir vėjo greičio santykį galima rasti lentelėse, kurios pasiekiamos internete. Pavyzdžiui, dviejų menčių sraigtui su Z=5 galioja toks santykis:

Taip pat vienas iš svarbių vėjo jėgainės sraigto rodiklių yra žingsnis.

Šį parametrą galima nustatyti naudojant formulę:

H=2πR* tg α,

kur:

• 2π – konstanta (2*3,14);
• R – spindulys, aprašomas mentės;
• tg α – pjūvio kampas.

Papildoma informacija apie menčių formos ir skaičiaus pasirinkimą, taip pat jų gamybos instrukcija pateikta šiame straipsnyje.

Generatoriaus parinkimas vėjo malūnams

Turint apskaičiuotą sraigto apsisukimų skaičiaus vertę (W), gautą pagal aukščiau aprašytą metodiką, jau galima parinkti (pagaminti) atitinkamą generatorių.

Pavyzdžiui, esant greitaeigiškumo laipsniui Z=5, menčių skaičiui 2 ir sukimosi dažniui 330 aps/min. Esant vėjo greičiui 8 m/s, generatoriaus galia turėtų būti maždaug 300 W.

Vėjo jėgainės generatorius „pjūvyje“. Parodomasis vienos iš galimų namų vėjo energijos sistemos generatoriaus konstrukcijų, surinktos savarankiškai, pavyzdys

Esant tokiems parametrams, tinkamu pasirinkimu kaip generatorius buitinei vėjo elektrinei gali būti variklis, naudojamas šiuolaikinių elektrinių dviračių konstrukcijose. Tradicinis detalės pavadinimas – dviračio variklis (gamyba KLR).

Taip atrodo elektrinis dviračio variklis, kurio pagrindu siūloma gaminti generatorių namų vėjaračiui. Dviračio variklio konstrukcija puikiai tinka įdiegti praktiškai be skaičiavimų ir patobulinimų. Tačiau jų galia nėra didelė.

Elektrinio dviračio variklio charakteristikos maždaug tokios:

Teigiama dviračio variklių ypatybė yra ta, kad jų praktiškai nereikia perdaryti. Jie konstrukciškai buvo sukurti kaip mažo sūkių skaičiaus elektros varikliai ir sėkmingai gali būti naudojami vėjo generatoriams.

Vėjaračio gamybai galite naudoti automobilio generatorių arba surinkti agregatą iš skalbimo mašinos.

Įkrovimo valdiklio skaičiavimas ir pasirinkimas

Akumuliatoriaus įkrovimo valdiklis yra būtinas bet kokio tipo vėjo energijos įrenginiui, įskaitant buitinę konstrukciją.

Šio prietaiso apskaičiavimas susiveda į tokios elektrinės schemos parinkimą, kuri atitiktų vėjo sistemos skaičiuotinius parametrus.

Iš šių parametrų pagrindiniai yra:

• nominali ir maksimali generatoriaus įtampa;
• maksimali galima generatoriaus galia;
• maksimali galima akumuliatoriaus įkrovimo srovė;
• įtampa ant akumuliatoriaus;
• aplinkos oro temperatūra;
• aplinkos drėgmės lygis.

Remiantis pateiktais parametrais, atliekamas įkrovimo valdiklio surinkimas savo rankomis arba paruošto įrenginio parinkimas.

Akumuliatorių, naudojamų vėjo energijos įrenginyje, įkrovimo valdiklis. Pramoninės gamybos prietaisas, kurį renkantis reikia tik atidžiai išstudijuoti technines charakteristikas, kad būtų tiksliai suderintas su esama sistema.

Žinoma, pageidautina parinkti (arba surinkti) įrenginį, kurio schema užtikrintų lengvo paleidimo funkciją silpno oro srauto sąlygomis. Kontroleris, pritaikytas naudoti su skirtingos įtampos (12, 24, 48 voltų) baterijomis, taip pat yra sveikintinas.

Galiausiai, skaičiuojant (parenkant) kontrolerio schemą, rekomenduojama nepamiršti tokios funkcijos kaip keitiklio valdymas.

Akumuliatorių baterijos parinkimas sistemai

Praktikoje naudojami skirtingų tipų akumuliatoriai ir beveik visi yra tinkami naudoti vėjo energetikos sistemoje. Bet konkretų pasirinkimą teks padaryti bet kuriuo atveju. Priklausomai nuo vėjo jėgainės sistemos parametrų, akumuliatoriaus parinkimas atliekamas pagal įtampą, talpą, įkrovimo sąlygas.

Tradiciniais namų vėjo jėgainių komponentais laikomi klasikiniai rūgštiniai-švino akumuliatoriai. Jie parodė neblogus rezultatus praktine prasme. Be to, šio tipo baterijų kaina yra priimtinesnė, palyginti su kitomis rūšimis.

Švino-rūgštiniai akumuliatoriai yra ypač nereiklūs įkrovimo/iškrovimo sąlygoms, tačiau įtraukti juos į sistemą be kontrolerio neleistina.

Esant vėjo generatoriaus įrenginyje profesionaliai pagamintam įkrovos kontroleriui, turinčiam pilną automatikos sistemą, racionalu naudoti AGM arba gelio tipo akumuliatorius.

Namų vėjo generatoriaus akumuliatorių blokas. Ne pats geriausias eksploatacijos variantas, atsižvelgiant į laidų chaosą ir laikymo reikalavimus. Esant tokiai energijos kaupiklių būklei, negalima tikėtis jų ilgalaikio veikimo.

Abi energijos kaupiklių rūšys pasižymi didesniu efektyvumu ir ilgu tarnavimo laiku, tačiau kelia aukštus reikalavimus įkrovimo sąlygoms.

Tas pats pasakytina apie vadinamuosius šarvuotus gelio tipo akumuliatorius. Tačiau šių akumuliatorių pasirinkimą buitiniam vėjo jėgainės įrenginiui labai riboja kaina. Vis dėlto šių brangių baterijų tarnavimo laikas yra ilgiausias, palyginti su visomis kitomis rūšimis.

Šie akumuliatoriai taip pat pasižymi didesniu įkrovimo/iškrovimo ciklu, tačiau su sąlyga, kad jiems naudojamas kokybiškas įkroviklis.

Inverterio skaičiavimas namų vėjo malūnui

Iš karto reikia pabrėžti: jei namų energijos vėjo jėgainės konstrukcijoje yra vienas 12 voltų akumuliatorius, inverterio montavimas tokioje sistemoje yra visiškai beprasmis.

Vidutiniškai buitinio ūkio suvartojama galia didžiausių apkrovų metu yra ne mažiau kaip 4 kW. Iš to išplaukia išvada: tokiai galiai reikalingų akumuliatorių baterijų skaičius turi būti ne mažiau kaip 10 vienetų, pageidautina, kad jų įtampa būtų 24 voltai. Tokiam akumuliatorių skaičiui jau yra prasmė montuoti inverterį.

Tačiau norint pilnai aprūpinti energija 10 akumuliatorių, kurių kiekvieno įtampa 24 V, ir stabiliai palaikyti jų įkrovą, reikės ne mažiau kaip 2-3 kW galios vėjo jėgainės. Akivaizdu, kad paprastoms buitinėms konstrukcijoms tokios galios nepakanka.

Nedidelės galios inverteris (600 W), kuris gali būti naudojamas namų mažai energijos gamybos įrenginiui. Tokiu prietaisu, maitinamu 220 voltų įtampa, galima maitinti televizorių ar nedidelį šaldytuvą. Lempose sietyno srovės jau neužteks.

Vis dėlto inverterio galią galima apskaičiuoti taip:

1. Susumuoti visų vartotojų galią.
2. Nustatyti vartojimo laiką.
3. Nustatyti piko apkrovą.

Konkrečiame pavyzdyje tai atrodys taip.

Tarkime, kaip apkrova yra buitiniai elektros prietaisai: apšvietimo lempos – 3 vnt. po 40 W, televizorius – 120 W, kompaktiškas šaldytuvas – 200 W. Sumuojame galią: 3*40+120+200 ir gauname 440 W.

Nustatykime vartotojų galią vidutiniam 4 valandų laikotarpiui: 440*4=1760 W. Remiantis gauta galios verte pagal vartojimo laiką, logiška atrodo rinktis inverterį iš tokių prietaisų, kurių išėjimo galia ne mažesnė kaip 2 kW.

Remiantis šia verte, apskaičiuojama reikiamo prietaiso voltamperinė charakteristika: 2000*0,6=1200 V/A.

Klasikinė buitinio tipo vėjo generatoriaus pagamintos energijos atkūrimo ir paskirstymo schema. Tačiau norint ilgalaike energija aprūpinti tokį prietaisų kiekį, reikalinga pakankamai galinga įranga (+).

Reali namų ūkio trijų asmenų šeimos apkrova, kai yra pilnavertė buitinės technikos įranga, bus didesnė nei pavyzdyje apskaičiuota. Paprastai ir apkrovos prijungimo laiko parametras viršija paimtas 4 valandas. Atitinkamai, vėjo energetikos sistemos inverterio reikės galingesnio.

Preliminarus vėjo jėgainės skaičiavimas pravers ne tik ją surenkant savarankiškai. Nustatyti optimalius parametrus būtina ir renkantis paruoštą vėjo generatorių.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Kaip atliekama pradinių duomenų analizė ir kaip taikomos formulės, pateikta vaizdo įraše:

Skaičiavimo duomenimis naudotis būtina bet kuriuo atveju. Ar tai būtų pramoninis energetinis įrenginys, ar pritaikytas buitinėms sąlygoms, kiekvieno mazgo skaičiavimas visada užtikrina maksimalų įrenginio efektyvumą ir, svarbiausia, eksploatacijos saugumą.

Iš anksto atlikti skaičiavimai nustato projekto įgyvendinimo tikslingumą, padeda išsiaiškinti, kiek brangus ar ekonomiškas projektas gaunasi.

Ar turite patirties sprendžiant panašias užduotis? Ar liko klausimų šia tema? Prašome pasidalinti savo vėjo generatoriaus skaičiavimo ir projektavimo įgūdžiais. Komentarus palikti ir klausimus užduoti galite žemiau esančioje formoje.