Com calcular un aerogenerador: fórmules + exemple pràctic de càlcul

L'energia alternativa obtinguda de les centrals eòliques té un gran interès per a la societat.Hi ha moltes proves d'això a nivell de pràctica quotidiana real.

Els propietaris de finques rurals construeixen molins de vent amb les seves pròpies mans i estan satisfets amb el resultat, tot i que l'efecte pot ser de curta durada. El motiu és que el generador eòlic no es va calcular correctament durant el muntatge.

D'acord, no voldria gastar temps i diners en la implementació del projecte i acabar amb una instal·lació ineficaç. Per tant, és important entendre com calcular un generador eòlic i amb quins paràmetres seleccionar els principals components operatius d'un aerogenerador.

L'article està dedicat a resoldre aquestes preguntes. La part teòrica del material es complementa amb exemples il·lustratius i recomanacions pràctiques per al muntatge d'un aerogenerador.

Càlcul d'aerogeneradors

Per on començar a calcular un sistema de generació d'electricitat a partir d'energia eòlica? Tenint en compte que estem parlant d'un aerogenerador, sembla lògic una anàlisi preliminar de la rosa dels vents en una zona concreta.

Els paràmetres de càlcul com la velocitat del vent i la seva direcció característica per a un territori determinat són paràmetres de disseny importants. Fins a cert punt, determinen el nivell de potència de l'aerogenerador que realment es podrà assolir.

És difícil ni tan sols imaginar generadors eòlics d'aquesta potència. Però aquests dissenys existeixen i funcionen amb eficàcia.Tanmateix, els càlculs d'aquestes estructures mostren una potència relativament baixa en comparació amb les fonts d'energia tradicionals

El que cal destacar és que aquest procés és de naturalesa a llarg termini (almenys 1 mes), cosa que és força evident. És impossible calcular els paràmetres màxims probables de la velocitat del vent i la seva direcció més freqüent amb una o dues mesures.

Es requeriran desenes de mesures. Tanmateix, aquesta operació és realment necessària si es vol construir un sistema productiu eficaç.

Com calcular la potència d'un molí de vent

Els generadors eòlics d'ús domèstic, especialment els fets a mà, mai han sorprès les persones amb gran potència. Això és comprensible. Només cal imaginar un pal massiu de 8-10 m d'alçada, equipat amb un generador amb una paleta de l'hèlix de més de 3 m. I aquesta no és la instal·lació més potent. Només uns 2 kW.

Per donar servei als aerogeneradors d'aquesta potència s'utilitzen helicòpters i equips d'especialistes de fins a una desena de persones. Per calcular aquesta central elèctrica, hi ha un nombre encara més gran d'intèrprets

En general, si confieu en una taula estàndard que mostra la relació entre la potència d'un generador eòlic i l'amplitud requerida de les pales de l'hèlix, hi ha alguna cosa per sorprendre's. Segons la taula, un molí de vent de 10 W requereix una hèlix de dos metres.

Un disseny de 500 watts requerirà una hèlix amb un diàmetre de 14 m. A més, el paràmetre de l'envergadura de la paleta depèn del seu nombre. Com més fulles, més petit és l'envergadura.

Però això és només una teoria, condicionada per velocitats del vent que no superin els 4 m/s.A la pràctica, tot és una mica diferent i la potència de les instal·lacions domèstiques que funcionen durant molt de temps mai no ha superat els 500 W.

Per tant, l'elecció de la potència aquí normalment es limita al rang de 250-500 W amb una velocitat mitjana del vent de 6-8 m/s.

Taula de la dependència de la potència d'un sistema d'energia eòlica del diàmetre del rotor i del nombre de pales. Aquesta taula es pot utilitzar per a càlculs, però tenint en compte la seva compilació per a paràmetres de velocitat del vent de fins a 4 m/s (+)

Des d'una posició teòrica, la potència d'una central eòlica es calcula mitjançant la fórmula:

N=p*S*V³/2,

On:

• pàg - densitat de les masses d'aire;
• S - Àrea total de bufat de les pales de l'hèlix;
• V - velocitat del flux d'aire;
• N - Potència del flux d'aire.

Com que N és un paràmetre que afecta radicalment la potència d'un generador eòlic, la potència real de la instal·lació s'aproximarà al valor calculat de N.

Càlcul d'hèlixs d'aerogeneradors

Quan es construeix un molí de vent, normalment s'utilitzen dos tipus d'hèlixs:

• alats — gir en el pla horitzontal;
• Rotor Savonius, rotor Darrieus - gir en un pla vertical.

Els dissenys de cargols amb rotació en qualsevol pla es poden calcular mitjançant la fórmula:

Z=L*W/60/V

On:

• Z – grau de velocitat (velocitat baixa) de l'hèlix;
• L – la mida de la longitud del cercle descrita per les fulles;
• W – velocitat (freqüència) de gir de l'hèlix;
• V - velocitat del flux d'aire.

A partir d'aquesta fórmula, podeu calcular fàcilment el nombre de revolucions W - velocitat de rotació.

Així és el disseny del cargol anomenat "Darieu Rotor". Aquesta versió de l'hèlix es considera eficaç en la fabricació de generadors eòlics de petita potència i grandària.El càlcul del cargol té algunes característiques

I la relació de treball entre revolucions i velocitat del vent es pot trobar a les taules que estan disponibles a Internet. Per exemple, per a una hèlix amb dues pales i Z=5, és vàlida la relació següent:

A més, un dels indicadors importants de l'hèlix d'un molí de vent és el pas.

Aquest paràmetre es pot determinar mitjançant la fórmula:

H=2πR* tan α,

On:

• 2π – constant (2*3,14);
• R – radi descrit per la fulla;
• tan α - Angle de secció.

Es proporciona informació addicional sobre l'elecció de la forma i el nombre de fulles, així com instruccions per a la seva fabricació Aquest article.

Selecció de generadors per a aerogeneradors

Tenint el valor calculat del nombre de revolucions del cargol (W), obtingut mitjançant el mètode descrit anteriorment, ja podeu seleccionar (fabricar) el generador adequat.

Per exemple, amb un grau de velocitat Z=5, el nombre de fulles és igual a 2 i una velocitat de 330 rpm. Amb una velocitat del vent de 8 m/s. La potència del generador ha de ser d'aproximadament 300 W.

Vista transversal d'un generador d'una central eòlica. Exemple demostratiu d'un dels possibles dissenys d'un generador de sistema eòlic domèstic, muntat de manera independent

Tenint en compte aquests paràmetres, una opció adequada com a generador per a una central eòlica domèstica pot ser el motor utilitzat en els dissenys de bicicletes elèctriques modernes. El nom tradicional de la peça és motor de bicicleta (fabricat a la Xina).

Així és un motor de bicicleta elèctrica, a partir del qual es proposa fer un generador per a un molí de vent domèstic. El disseny del motor de la bicicleta és ideal per a la seva implementació pràcticament sense càlculs ni modificacions. No obstant això, la seva potència és baixa

Les característiques d'un motor de bicicleta elèctrica són aproximadament les següents:

Una característica positiva dels motors de bicicletes és que pràcticament no cal modificar-los. Es van dissenyar estructuralment com a motors elèctrics de baixa velocitat i es poden utilitzar amb èxit per a generadors eòlics.

Per fer un molí de vent pots utilitzar un generador de cotxes o recollir unitat de rentadora.

Càlcul i selecció del controlador de càrrega

Es requereix un controlador de càrrega de la bateria per a qualsevol tipus de central eòlica, inclòs un disseny domèstic.

El càlcul d'aquest dispositiu es redueix a seleccionar el circuit elèctric de l'aparell, que correspondria als paràmetres de disseny del sistema eòlic.

D'aquests paràmetres, els principals són:

• tensió nominal i màxima del generador;
• màxima potència del generador possible;
• màxim corrent de càrrega de la bateria possible;
• tensió de la bateria;
• temperatura ambient;
• nivell d'humitat ambiental.

A partir dels paràmetres presentats, conjunt del controlador de càrrega fes-ho tu mateix o selecciona un dispositiu ja fet.

Controlador de càrrega per a bateries utilitzades com a part d'una central eòlica. Un dispositiu de fabricació industrial, a l'hora de triar-ne només cal estudiar acuradament les característiques tècniques per a una coordinació precisa amb el sistema existent

Per descomptat, s'aconsella seleccionar (o muntar) un dispositiu el circuit del qual proporcionaria una funció d'arrencada fàcil en condicions de flux d'aire febles. També és benvingut un controlador dissenyat per funcionar amb bateries de diferents voltatges (12, 24, 48 volts).

Finalment, en calcular (seleccionar) el circuit del controlador, es recomana no oblidar la presència d'una funció com el control de l'inversor.

Selecció d'una bateria per al sistema

A la pràctica, s'utilitzen diferents tipus de bateries i gairebé totes són molt adequades per utilitzar-les com a part d'un sistema d'energia eòlica. Però en qualsevol cas caldrà fer una elecció concreta. Depenent dels paràmetres del sistema de molí de vent, la bateria es selecciona en funció de la tensió, la capacitat i les condicions de càrrega.

Els components tradicionals dels molins de vent domèstics són les clàssiques bateries de plom-àcid. Van mostrar bons resultats en un sentit pràctic.A més, el cost d'aquest tipus de bateria és més raonable en comparació amb altres tipus.

Les bateries de plom-àcid són particularment sense pretensions per a les condicions de càrrega/descàrrega, però és inacceptable incloure-les en un sistema sense controlador.

Si la instal·lació de l'aerogenerador conté un controlador de càrrega dissenyat professionalment amb un sistema d'automatització complet, sembla racional utilitzar bateries AGM o d'heli.

Paquet de bateries del generador eòlic domèstic. No és la millor opció d'ús, donat el caos de cables i els requisits d'emmagatzematge. En aquest estat dels dispositius d'emmagatzematge d'energia, no es pot comptar amb el seu funcionament a llarg termini.

Tots dos tipus de dispositius d'emmagatzematge d'energia es caracteritzen per una major eficiència i una llarga vida útil, però exigeixen molt les condicions de càrrega.

El mateix s'aplica a les anomenades bateries blindades de tipus heli. Però l'elecció d'aquestes bateries per a un molí de vent domèstic està molt limitada pel preu. Tanmateix, la vida útil d'aquestes bateries cares és la més llarga en comparació amb tots els altres tipus.

Aquestes bateries també tenen un cicle de càrrega/descàrrega més llarg, però només si s'utilitza un carregador d'alta qualitat.

Càlcul d'un inversor per a un molí de vent domèstic

Cal tenir en compte de seguida: si el disseny d'un aerogenerador domèstic conté una bateria de 12 volts, no té sentit instal·lar un inversor en aquest sistema.

De mitjana, el consum d'energia de la llar és d'almenys 4 kW a les càrregues punta.D'aquí la conclusió: el nombre de bateries recarregables per a aquesta potència hauria de ser d'almenys 10 peces i preferiblement amb una tensió de 24 volts. Per a aquest nombre de bateries té sentit instal·lar un inversor.

No obstant això, per proporcionar plenament energia a 10 bateries amb una tensió de 24 W cadascuna i mantenir la seva càrrega de manera estable, caldrà un molí de vent amb una potència d'almenys 2-3 kW. Òbviament, les estructures domèstiques simples no poden suportar aquest poder.

Inversor de baixa potència (600 W), que es pot utilitzar per a instal·lacions domèstiques de petita potència. Podeu alimentar un televisor o una nevera petita amb aquests equips amb una tensió de 220 volts. Ja no hi ha prou corrent per als llums del canelobre

Tanmateix, podeu calcular la potència de l'inversor de la següent manera:

1. Resumeix el poder de tots els consumidors.
2. Determinar el temps de consum.
3. Determinar la càrrega màxima.

En un exemple concret es veurà així.

Que hi hagi electrodomèstics com a càrrega: llums d'il·luminació - 3 peces. 40 W cadascun, receptor de televisió - 120 W, nevera compacta 200 W. Sumem la potència: 3*40+120+200 i obtenim 440 W a la sortida.

Determinem la potència dels consumidors durant un període mitjà de 4 hores: 440*4=1760 W. En funció del valor de potència obtingut al llarg del temps de consum, sembla lògic seleccionar un inversor d'entre aquests dispositius amb una potència de sortida de 2 kW o més.

A partir d'aquest valor, es calcula la característica de corrent-tensió del dispositiu requerit: 2000*0,6=1200 V/A.

Un esquema clàssic per a la reproducció i distribució de l'energia obtinguda d'un generador eòlic domèstic. Tanmateix, per proporcionar energia a llarg termini a tants dispositius, es necessita una instal·lació prou potent (+)

En realitat, la càrrega domèstica d'una família de tres persones, que està totalment equipada amb electrodomèstics, serà superior a la calculada a l'exemple. Normalment, el temps de connexió de càrrega també supera les 4 hores requerides. En conseqüència, l'inversor del sistema d'energia eòlica necessitarà un de més potent.

El càlcul preliminar d'un molí de vent és útil no només per al seu auto-muntatge. També cal determinar els paràmetres òptims quan escollint un generador eòlic ja fet.

Conclusions i vídeo útil sobre el tema

Com s'analitzen les dades font i com s'apliquen les fórmules es presenta al vídeo:

Cal utilitzar dades calculades en tot cas. Tant si es tracta d'una central elèctrica industrial com d'una fabricada per a ús domèstic, el càlcul de cada unitat garanteix sempre la màxima eficiència del dispositiu i, el més important, la seguretat operativa.

Els càlculs preliminars determinen la viabilitat d'implementar el projecte i ajuden a determinar el cost o l'economia del projecte.

Tens experiència en la resolució de problemes similars? O encara tens preguntes sobre el tema? Si us plau, compartiu les vostres habilitats de disseny i càlcul d'aerogeneradors. Pots deixar comentaris i fer preguntes al formulari següent.