Πώς να υπολογίσετε μια ανεμογεννήτρια: τύποι + πρακτικό παράδειγμα υπολογισμού

Η εναλλακτική ενέργεια που παράγεται από αιολικές εγκαταστάσεις προκαλεί μεγάλο ενδιαφέρον στην κοινωνία. Υπάρχουν πολλές επιβεβαιώσεις σε επίπεδο πραγματικής οικιακής πρακτικής.

Οι ιδιοκτήτες εξοχικών ακινήτων κατασκευάζουν ανεμογεννήτριες με τα χέρια τους και ικανοποιούνται με το αποτέλεσμα, παρόλο που το αποτέλεσμα είναι συχνά βραχύβιο. Ο λόγος – κατά τη συναρμολόγηση δεν έγινε σωστός υπολογισμός της ανεμογεννήτριας.

Συμφωνείτε ότι δεν θα θέλατε, αφού ξοδέψετε χρόνο και χρήματα για την υλοποίηση του έργου, να καταλήξετε σε μια αναποτελεσματική εγκατάσταση. Γι' αυτό είναι σημαντικό να κατανοήσετε πώς να υπολογίσετε μια ανεμογεννήτρια και με ποιες παραμέτρους να επιλέξετε τα βασικά λειτουργικά μέρη του ανεμόμυλου.

Το άρθρο είναι αφιερωμένο στην επίλυση αυτών των ζητημάτων. Το θεωρητικό μέρος του υλικού συμπληρώνεται με σαφή παραδείγματα και πρακτικές συστάσεις για τη συναρμολόγηση μιας εγκατάστασης ανεμογεννήτριας.

Υπολογισμός εγκατάστασης ανεμογεννήτριας

Από πού να ξεκινήσετε τον υπολογισμό ενός συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από αιολική ενέργεια; Δεδομένου ότι πρόκειται για ανεμογεννήτρια, λογικό είναι να προηγηθεί ανάλυση του ανεμολογίου στη συγκεκριμένη περιοχή.

Τέτοιες υπολογιστικές παράμετροι, όπως η ταχύτητα του ανέμου και η χαρακτηριστική του διεύθυνση για την περιοχή αυτή, είναι σημαντικά μεγέθη υπολογισμού. Σε κάποιο βαθμό, αυτές καθορίζουν το επίπεδο ισχύος της ανεμογεννήτριας που θα είναι πραγματικά εφικτό.

Ανεμογεννήτριες τέτοιας ισχύος είναι δύσκολο ακόμη και να φανταστεί κανείς. Ωστόσο, τέτοιες κατασκευές υπάρχουν και λειτουργούν αποτελεσματικά. Παρ' όλα αυτά, οι υπολογισμοί τέτοιων κατασκευών δείχνουν σχετικά μικρή ισχύ σε σύγκριση με τις παραδοσιακές πηγές ενέργειας.

Αυτό που είναι αξιοσημείωτο είναι ότι αυτή η διαδικασία έχει μακροπρόθεσμο χαρακτήρα (τουλάχιστον 1 μήνα), κάτι που είναι απολύτως προφανές. Δεν είναι δυνατόν να προσδιορίσετε τις μέγιστες πιθανές παραμέτρους της ταχύτητας του ανέμου και την πιο συχνή του διεύθυνση με μία ή δύο μετρήσεις.

Θα χρειαστεί να πραγματοποιήσετε δεκάδες μετρήσεις. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία είναι πράγματι απαραίτητη, εάν επιθυμείτε να κατασκευάσετε ένα αποδοτικό παραγωγικό σύστημα.

Πώς να υπολογίσετε την ισχύ της ανεμογεννήτριας

Οι ανεμογεννήτριες οικιακής χρήσης, ειδικά οι χειροποίητες, δεν έχουν καταφέρει ακόμη να εντυπωσιάσουν τον κόσμο με υψηλές ισχείς. Και αυτό είναι κατανοητό. Αρκεί να φανταστεί κανείς έναν ογκώδη ιστό ύψους 8-10 μέτρων, εξοπλισμένο με γεννήτρια και διάμετρο πτερυγίων άνω των 3 μέτρων. Και αυτή δεν είναι η πιο ισχυρή εγκατάσταση. Μόλις περίπου 2 kW.

Για τη συντήρηση ανεμογεννητριών τέτοιας ισχύος χρησιμοποιούνται ελικόπτερα και ομάδες ειδικών που αριθμούν έως δέκα άτομα. Για να γίνει ο υπολογισμός μιας τέτοιας ενεργειακής εγκατάστασης, απαιτείται ακόμα μεγαλύτερος αριθμός εκτελεστών.

Γενικά, αν βασιστεί κανείς στον τυπικό πίνακα που δείχνει τη σχέση μεταξύ της ισχύος μιας ανεμογεννήτριας και της απαιτούμενης διαμέτρου των πτερυγίων, υπάρχουν πράγματα που προκαλούν έκπληξη. Σύμφωνα με τον πίνακα, για μια ανεμογεννήτρια ισχύος 10 W απαιτείται προπέλα διαμέτρου δύο μέτρων.

Για μια κατασκευή 500 W θα χρειαστεί πλέον έλικα διαμέτρου 14 μέτρων. Επιπλέον, η παράμετρος της διαμέτρου των πτερυγίων εξαρτάται από τον αριθμό τους. Όσο περισσότερα πτερύγια, τόσο μικρότερη η διάμετρος.

Αλλά αυτό είναι απλώς θεωρία, που βασίζεται σε ταχύτητα ανέμου που δεν υπερβαίνει τα 4 m/s. Στην πράξη, τα πράγματα είναι κάπως διαφορετικά και η ισχύς των οικιακών εγκαταστάσεων που λειτουργούν πραγματικά για μεγάλο χρονικό διάστημα δεν έχει υπερβεί ποτέ τα 500 W.

Επομένως, η επιλογή ισχύος εδώ συνήθως περιορίζεται στο εύρος των 250-500 W με μέση ταχύτητα ανέμου 6-8 m/s.

Πίνακας εξάρτησης της ισχύος ενός αιολικού ενεργειακού συστήματος από τη διάμετρο του έλικα και τον αριθμό των πτερυγίων. Αυτός ο πίνακας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για υπολογισμούς, λαμβάνοντας όμως υπόψη ότι έχει καταρτιστεί για παράμετρο ταχύτητας ανέμου έως 4 m/s (+)

Από θεωρητική άποψη, η ισχύς μιας αιολικής ενεργειακής εγκατάστασης υπολογίζεται σύμφωνα με τον τύπο:

N=p*S*V³/2,

όπου:

• p – πυκνότητα των αέριων μαζών·
• S – συνολική επιφάνεια που προσβάλλεται από τον άνεμο των πτερυγίων της έλικας·
• V – ταχύτητα της ροής αέρα·
• N – ισχύς της ροής αέρα.

Επειδή το N είναι μια παράμετρος που επηρεάζει ριζικά την ισχύ της ανεμογεννήτριας, η πραγματική ισχύς της εγκατάστασης θα είναι κοντά στην υπολογισμένη τιμή του N.

Υπολογισμός των πτερυγίων των αιολικών εγκαταστάσεων

Κατά τη σχεδίαση μιας ανεμογεννήτριας χρησιμοποιούνται συνήθως δύο τύποι ελίκων:

• πτερυγιόμορφοι – περιστροφή στο οριζόντιο επίπεδο·
• ρότορας Σαβόνιους, ρότορας Νταριέ – περιστροφή στο κατακόρυφο επίπεδο.

Οι κατασκευές ελίκων με περιστροφή σε οποιοδήποτε επίπεδο μπορούν να υπολογιστούν με τον τύπο:

Z= L*W/60/V

όπου:

• Z – βαθμός ταχύτητας (βραδύτητας) της έλικας·
• L – μήκος της περιφέρειας που διαγράφουν τα πτερύγια·
• W – ταχύτητα (συχνότητα) περιστροφής της έλικας·
• V – ταχύτητα της ροής αέρα.

Βασιζόμενοι σε αυτόν τον τύπο, μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε τον αριθμό στροφών W – την ταχύτητα περιστροφής.

Έτσι μοιάζει η κατασκευή της έλικας που ονομάζεται «Ρότορας Νταριέ». Αυτή η εκδοχή προπέλας θεωρείται αποτελεσματική για την κατασκευή ανεμογεννητριών μικρής ισχύος και διαστάσεων. Ο υπολογισμός της έλικας έχει κάποιες ιδιαιτερότητες

Η λειτουργική σχέση μεταξύ στροφών και ταχύτητας ανέμου μπορεί να βρεθεί σε πίνακες που είναι διαθέσιμοι στο διαδίκτυο. Για παράδειγμα, για μια έλικα με δύο πτερύγια και Z=5, ισχύει η ακόλουθη σχέση:

Επίσης, ένα από τα σημαντικά χαρακτηριστικά της έλικας ανεμογεννήτριας είναι το βήμα.

Αυτή η παράμετρος μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:

H=2πR* tg α,

όπου:

• 2π – σταθερά (2*3,14)·
• R – ακτίνα που διαγράφει το πτερύγιο·
• εφ α – γωνία διατομής.

Πρόσθετες πληροφορίες για την επιλογή σχήματος και αριθμού πτερυγίων, καθώς και οδηγίες κατασκευής τους παρέχονται σε αυτό το άρθρο.

Επιλογή γεννητριών για τις ανεμογεννήτριες

Έχοντας την υπολογισμένη τιμή του αριθμού στροφών της έλικας (W), που λαμβάνεται με την παραπάνω μέθοδο, μπορούμε πλέον να επιλέξουμε (να κατασκευάσουμε) την κατάλληλη γεννήτρια.

Για παράδειγμα, με βαθμό ταχύτητας Z=5, αριθμό πτερυγίων ίσο με 2 και συχνότητα στροφών 330 rpm. Με ταχύτητα ανέμου 8 m/s, η ισχύς της γεννήτριας θα πρέπει να είναι περίπου 300 W.

Γεννήτρια ανεμογεννήτριας «σε τομή». Ενδεικτικό παράδειγμα μιας από τις πιθανές κατασκευές γεννήτριας οικιακού ανεμογεννήτριου συστήματος, συναρμολογημένης μόνοι σας.

Με αυτές τις παραμέτρους, μια κατάλληλη επιλογή ως γεννήτρια για οικιακή ανεμογεννήτρια μπορεί να είναι ένας κινητήρας που χρησιμοποιείται σε σύγχρονα ηλεκτρικά ποδήλατα. Η παραδοσιακή ονομασία του εξαρτήματος είναι ποδηλατοκινητήρας (κινεζικής κατασκευής).

Έτσι μοιάζει ένας ηλεκτρικός κινητήρας ποδηλάτου, βάσει του οποίου προτείνεται η κατασκευή γεννήτριας για οικιακή ανεμογεννήτρια. Η κατασκευή του κινητήρα ποδηλάτου είναι ιδανική για εγκατάσταση σχεδόν χωρίς υπολογισμούς και τροποποιήσεις. Ωστόσο, η ισχύς τους δεν είναι μεγάλη.

Τα χαρακτηριστικά ενός ηλεκτρικού κινητήρα ποδηλάτου είναι περίπου τα εξής:

Θετικό χαρακτηριστικό των κινητήρων ποδηλάτου είναι ότι ουσιαστικά δεν χρειάζεται να τροποποιηθούν. Σχεδιάστηκαν ως ηλεκτροκινητήρες χαμηλών στροφών και μπορούν να χρησιμοποιηθούν επιτυχώς για ανεμογεννήτριες.

Για την κατασκευή ανεμογεννήτριας μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια γεννήτρια αυτοκινήτου ή να συναρμολογήσετε μια μονάδα από πλυντήριο ρούχων.

Υπολογισμός και επιλογή του ελεγκτή φόρτισης

Ο ελεγκτής φόρτισης της μπαταρίας είναι απαραίτητος για κάθε τύπο εγκατάστασης αιολικής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων των οικιακών κατασκευών.

Ο υπολογισμός αυτής της συσκευής καταλήγει στην επιλογή ενός ηλεκτρικού κυκλώματος που θα αντιστοιχεί στις υπολογισμένες παραμέτρους του αιολικού συστήματος.

Από αυτές τις παραμέτρους, οι κύριες είναι:

• ονομαστική και μέγιστη τάση γεννήτριας;
• μέγιστη δυνατή ισχύς γεννήτριας;
• μέγιστο δυνατό ρεύμα φόρτισης μπαταρίας;
• τάση μπαταρίας;
• θερμοκρασία περιβάλλοντος αέρα;
• επίπεδο υγρασίας περιβάλλοντος.

Με βάση τις παρουσιαζόμενες παραμέτρους, γίνεται συναρμολόγηση ελεγκτή φόρτισης με τα χέρια σας ή επιλογή έτοιμης συσκευής.

Ελεγκτής φόρτισης μπαταριών που χρησιμοποιούνται σε αιολική ενεργειακή εγκατάσταση. Είναι μια βιομηχανικά κατασκευασμένη συσκευή, για την επιλογή της οποίας απαιτείται απλώς προσεκτική μελέτη των τεχνικών χαρακτηριστικών για ακριβή αντιστοίχιση με το υπάρχον σύστημα.

Φυσικά, είναι επιθυμητό να επιλέγετε (ή να συναρμολογείτε) μια συσκευή της οποίας το κύκλωμα θα παρέχει λειτουργία εύκολης εκκίνησης υπό συνθήκες ασθενούς ροής αέρα. Ένας ελεγκτής σχεδασμένος γιά λειτουργία με μπαταρίες διαφορετικής τάσης (12, 24, 48 βολτ) είναί επίσης ευπρόσδεκτος.

Τέλος, κατά τον υπολογισμό (επιλογή) του κυκλώματος του ελεγκτή, συνιστάται να μην ξεχνάτε την ύπαρξη μιας λειτουργίας όπως ο έλεγχος του μετατροπέα.

Επιλογή της μπαταρίας αποθήκευσης για το σύστημα

Στην πράξη, χρησιμοποιούνται μπαταρίες διαφόρων τύπων και σχεδόν όλες είναι κατάλληλες για χρήση σε ένα αιολικό ενεργειακό σύστημα. Αλλά η συγκεκριμένη επιλογή θα πρέπει να γίνει ούτως ή άλλως. Ανάλογα με τις παραμέτρους του συστήματος ανεμογεννήτριας, η επιλογή μπαταρίας γίνεται με βάση την τάση, τη χωρητικότητα και τις συνθήκες φόρτισης.

Κλασικές μπαταρίες μολύβδου-οξέος θεωρούνται παραδοσιακά εξαρτήματα για οικιακές ανεμογεννήτριες. Έχουν δείξει καλά αποτελέσματα στην πράξη. Επιπλέον, το κόστος αυτού του τύπου μπαταρίας είναι πιο αποδεκτό σε σύγκριση με άλλους τύπους.

Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι ιδιαίτερα ανθεκτικές στις συνθήκες φόρτισης/εκφόρτισης, αλλά δεν επιτρέπεται να συμπεριληφθούν στο σύστημα χωρίς ελεγκτή.

Εάν η εγκατάσταση της ανεμογεννήτριας περιλαμβάνει έναν επαγγελματικά κατασκευασμένο ελεγκτή φόρτισης με πλήρες αυτοματοποιημένο σύστημα, φαίνεται λογική η χρήση μπαταριών τύπου AGM ή gel.

Μπλόκ μπαταριών οικιακής ανεμογεννήτριας. Δεν είναί η καλύτερη επιλογή λειτουργίας, λαμβάνοντας υπόψη το χάος από καλώδια και τις απαιτήσεις αποθήκευσης. Με αυτήν την κατάσταση των συσσωρευτών ενέργειας, δεν μπορείτε να υπολογίζετε στη μακροπρόθεσμη λειτουργία τους.

Και οι δύο τύποι αποθήκευτών ενέργειας χαρακτηρίζονταί από μεγαλύτερη απόδοση και μεγάλη διάρκεια ζωής, αλλά έχουν υψηλές απαιτήσεις όσον αφορά τις συνθήκες φόρτισης.

Το ίδιο ισχύει και για τις λεγόμενες θωρακισμένες μπαταρίες gel. Αλλά η επιλογή αύτών των μπαταριών για οιιακή ανεμογεννήτρια περιορίζεται σημαντικά από την τιμή. Ωστόσο, η διάρκεια ζωής αύτών των ακριβών μπαταριών είναί η μεγαλύτερη σε σύγκριση με όλους τους άλλους τύπους.

Αυτές οι μπαταρίες διακρίνονται επίσης για τον πιο σημαντικό κύκλο φόρτισης/εκφόρτισης, αλλά υπό την προϋπόθεση χρήσης μιας ποιοτικής συσκευής φόρτισης.

Υπολογισμός του μετατροπέα για την οικιακή ανεμογεννήτρια

Αμέσως πρέπεί να διευκρινιστεί: εάν η κατασκευή μιας οικιακής ανεμογεννήτριας περιέχει μία μπαταρία 12 βολτ, το νόημα της εγκατάστασης μετατροπέα σε ένα τέτοιο σύστημα αποκλείεται εντελώς.

Κατά μέσο όρο, η καταναλισκόμενη ισχύς ενός οικιακού νοικοκυριού είναι τουλάχιστον 4 kW σε αιχμές φορτίου. Εξ ου και το συμπέρασμα: ο αριθμός των μπαταριών για τέτοια ισχύ θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 τεμάχια και κατά προτίμηση σε τάση 24 βολτ. Για τέτοιο αριθμό μπαταριών έχει νόημα η εγκατάσταση μετατροπέα.

Ωστόσο, για να τροφοδοτήσει πλήρως με ενέργεια 10 μπαταρίες με τάση 24 V η κάθε μία και να διατηρήσει σταθερά τη φόρτισή τους, θα χρειαστεί μια ανεμογεννήτρια ισχύος τουλάχιστον 2-3 kW. Προφανώς, για απλές οικιακές κατασκευές, τέτοια ισχύς δεν είναι εφικτή.

Μετατροπέας μικρής ισχύος (600 W), ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακή μικρή ενεργειακή εγκατάσταση. Με τέτοια συσκευή μπορεί να τροφοδοτηθεί μια τηλεόραση ή ένα μικρό ψυγείο με τάση 220 βολτ. Για τις λάμπες στον πολυέλαιο δεν επαρκεί το ρεύμα.

Ωστόσο, η ισχύς του μετατροπέα μπορεί να υπολογιστεί ως εξής:

1. Αθροίστε την ισχύ όλων των καταναλωτών.
2. Προσδιορίστε τον χρόνο κατανάλωσης.
3. Προσδιορίστε το φορτίο αιχμής.

Σε ένα συγκεκριμένο παράδειγμα θα μοιάζει ως εξής.

Ας υποθέσουμε ότι ως φορτίο υπάρχουν οικιακές συσκευές: λαμπτήρες φωτισμού – 3 τεμ. των 40 W, τηλεοπτικός δέκτης – 120 W, συμπαγές ψυγείο 200 W. Αθροίζουμε την ισχύ: 3*40+120+200 και λαμβάνουμε 440 W.

Ας προσδιορίσουμε την ισχύ των καταναλωτών για μια μέση χρονική περίοδο 4 ωρών: 440*4=1760 W. Με βάση την τιμή ισχύος που προκύπτει από την κατανάλωση χρόνου, φαίνεται λογική η επιλογή μετατροπέα από συσκευές με ισχύ εξόδου από 2 kW.

Βασιζόμενοι σε αυτή την τιμή, υπολογίζεται το χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ της απαιτούμενης συσκευής: 2000*0,6=1200 V/A.

Κλασικό διάγραμμα παραγωγής και διανομής ενέργειας που λαμβάνεται από οικιακή ανεμογεννήτρια. Ωστόσο, για να παρέχεται μακροπρόθεσμη ενέργεια σε τόσες συσκευές, απαιτείται μια αρκετά ισχυρή εγκατάσταση (+)

Στην πραγματικότητα, το φορτίο ενός νοικοκυριού για μια οικογένεια τριών ατόμων με πλήρη εξοπλισμό οικιακών συσκευών θα είναι υψηλότερο από αυτό που υπολογίστηκε στο παράδειγμα. Συνήθως, η παράμετρος χρόνου σύνδεσης του φορτίου υπερβαίνει τις 4 ώρες που λήφθηκαν υπόψη. Κατά συνέπεια, θα απαιτηθεί ένας ισχυρότερος μετατροπέας του αιολικού ενεργειακού συστήματος.

Ο προκαταρκτικός υπολογισμός μιας ανεμογεννήτριας είναι χρήσιμος όχι μόνο για τη δική της συναρμολόγηση. Είναι απαραίτητο να καθοριστούν οι βέλτιστες παράμετροι και κατά την επιλογή μιας έτοιμης ανεμογεννήτριας.

Συμπεράσματα και χρήσιμο βίντεο για το θέμα

Πώς γίνεται η ανάλυση των αρχικών δεδομένων και πώς εφαρμόζονται οι τύποι, παρουσιάζεται στο βίντεο:

Η χρήση των υπολογιστικών δεδομένων είναι απαραίτητη σε κάθε περίπτωση. Είτε πρόκειται για βιομηχανική εγκατάσταση ενέργειας είτε για κατασκευή οικιακής χρήσης, ο υπολογισμός κάθε εξαρτήματος συνεπάγεται πάντα τη μέγιστη απόδοση της συσκευής και, κυρίως, την ασφάλεια λειτουργίας.

Οι προκαταρκτικοί υπολογισμοί καθορίζουν τη σκοπιμότητα υλοποίησης του έργου και βοηθούν στο να προσδιοριστεί πόσο δαπανηρό ή οικονομικό είναι το έργο.

Έχετε εμπειρία στην επίλυση τέτοιων προβλημάτων; Ή έχετε απορίες σχετικά με το θέμα; Παρακαλώ, μοιραστείτε τις δεξιότητές σας στον υπολογισμό και τη σχεδίαση ανεμογεννητριών. Μπορείτε να αφήνετε σχόλια και να κάνετε ερωτήσεις στην παρακάτω φόρμα.