Kako izvesti izračun vetrogeneratorja: formule + praktični primer izračuna

Alternativna energija, pridobljena iz vetrnih elektrarn, vzbuja v družbi veliko zanimanje. To potrjujejo številni primeri iz vsakdanje prakse.

Lastniki podeželskih nepremičnin gradijo vetrnice z lastnimi rokami in so zadovoljni z doseženim rezultatom, čeprav je učinek včasih kratkotrajen. Vzrok – pri sestavljanju ni bil ustrezno izveden izračun vetrnega generatorja.

Strinjate se, ne bi želeli, da bi po porabljenem času in sredstvih za izvedbo projekta dobili malo učinkovito napravo. Zato je pomembno razumeti, kako izvesti izračun vetrnega generatorja ter po katerih parametrih izbrati glavne delovne sklope vetrnice.

Reševanju teh vprašanj je posvečen članek. Teoretični del gradiva je dopolnjen z ilustrativnimi primeri in praktičnimi priporočili za sestavo vetrnega generatorja.

Izračun vetrnega generatorja

S čim začeti izračun sistema za proizvodnjo električne energije iz vetra? Glede na to, da gre za vetrni generator, je logično najprej analizirati rožo vetrov na določenem območju.

Takšni izračunski parametri, kot sta hitrost vetra in njegova prevladujoča smer za določeno območje, so pomembni izračunski parametri. Do neke mere določajo, kakšna bo dejansko dosegljiva moč vetrnice.

Vetrne generatorje takšne moči si je težko celo predstavljati. Vendar takšne konstrukcije obstajajo in učinkovito delujejo. Vendar izračuni takšnih konstrukcij kažejo razmeroma majhno moč v primerjavi s tradicionalnimi viri energije.

Zanimivo je, da je ta proces dolgotrajen (traja vsaj 1 mesec), kar je povsem očitno. Največjih verjetnih parametrov hitrosti vetra in njegove najpogostejše smeri ni mogoče določiti z eno ali dvema meritvama.

Potrebno bo opraviti na desetine meritev. Kljub temu je ta postopek resnično potreben, če želite zgraditi učinkovit in produktiven sistem.

Kako izračunati moč vetrnice

Vetrogeneratorjem za domačo uporabo, še posebej tistim, izdelanim z lastnimi rokami, ljudi še nikoli ni presenetila visoka moč. To je razumljivo. Samo predstavljajte si masiven jambor visok 8–10 m, opremljen z generatorjem z razponom lopatic propelerja več kot 3 m. In to ni niti najmočnejša naprava. Vsega skupaj okoli 2 kW.

Za servisiranje vetrnic takšne moči se uporabljajo helikopterji in ekipe strokovnjakov, ki štejejo do deset ljudi. Za izvedbo izračuna takšne energetske naprave se vključi še več izvajalcev.

Na splošno, če se opremo na standardno tabelo, ki prikazuje razmerje med močjo vetrogeneratorja in zahtevanim razponom lopatic propelerja, je marsikaj presenetljivega. V skladu s tabelo je za vetrnico moči 10 W potreben dvometrski propeler.

Za konstrukcijo z močjo 500 W bo potreben propeler s premerom 14 m. Pri tem je parameter razpona lopatic odvisen od njihovega števila. Več kot je lopatic, manjši je razpon.

Vendar je to le teorija, pogojena s hitrostjo vetra, ki ne presega 4 m/s. V praksi je vse nekoliko drugače, moč naprav za domačo uporabo, ki dejansko delujejo daljše obdobje, pa še nikoli ni presegla 500 W.

Zato je izbira moči tu običajno omejena na razpon 250–500 W pri povprečni hitrosti vetra 6–8 m/s.

Tabela odvisnosti moči vetrnega energetskega sistema od premera delovnega propelerja in števila lopatic. To tabelo lahko uporabimo za izračune, vendar ob upoštevanju, da je sestavljena za parameter hitrosti vetra do 4 m/s (+).

S teoretičnega vidika se moč vetrne elektrarne izračuna po formuli:

N=p*S*V³/2,

kjer:

• p – gostota zračnih mas;
• S – skupna površina, ki jo obliva veter na lopaticah propelerja;
• V – hitrost zračnega toka;
• N – moč zračnega toka.

Ker je N parameter, ki odločilno vpliva na moč vetrogeneratorja, bo dejanska moč naprave blizu izračunane vrednosti N.

Izračun lopatic vetrnih naprav

Pri konstruiranju vetrnice se običajno uporabljata dve vrsti propelerjev:

• krilni – vrtenje v vodoravni ravnini;
• rotor Savonius, rotor Darrieus – vrtenje v navpični ravnini.

Konstrukcije propelerjev z vrtenjem v kateri koli ravnini lahko izračunamo s pomočjo formule:

Z= L*W/60/V

kjer:

• Z – stopnja hitrotečnosti (počasnosti) propelerja;
• L – dolžina kroga, ki ga opisujejo lopatice;
• W – hitrost (frekvenca) vrtenja propelerja;
• V – hitrost zračnega toka.

Izhajajoč iz te formule, lahko enostavno izračunamo število vrtljajev W – hitrost vrtenja.

Tako izgleda konstrukcija propelerja z imenom 'Rotor Darje'. Ta različica propelerskega vijaka velja za učinkovito pri izdelavi vetrnih generatorjev majhne moči in velikosti. Izračun propelerja ima nekaj posebnosti.

Delovno razmerje med vrtljaji in hitrostjo vetra lahko najdete v tabelah, ki so na voljo na spletu. Na primer, za propeler z dvema lopaticama in Z=5 velja naslednje razmerje:

Prav tako je eden od pomembnih parametrov propelerja vetrnice korak.

Ta parameter lahko določite z uporabo formule:

H=2πR* tg α,

kjer:

• 2π – konstanta (2*3.14);
• R – polmer, ki ga opisuje lopatica;
• tg α – kot preseka.

Dodatne informacije o izbiri oblike in števila lopatic ter navodila za njihovo izdelavo so navedene v tem članku.

Izbira generatorjev za vetrnice

Če imate izračunano vrednost števila vrtljajev propelerja (W), pridobljeno po zgoraj opisani metodi, lahko že izberete (izdelate) ustrezen generator.

Na primer, pri hitrostnem razmerju Z=5, dveh lopaticah in frekvenci vrtljajev 330 obr./min. Pri hitrosti vetra 8 m/s naj bi moč generatorja približno znašala 300 W.

Generator vetrne energetske naprave 'v prerezu'. Prikazni primerek ene od možnih konstrukcij generatorja domačega vetrnega energetskega sistema, sestavljenega samostojno.

Pri teh parametrih je lahko primerna izbira kot generator za gospodinjsko vetrno elektrarno motor, ki se uporablja v konstrukcijah sodobnih električnih koles. Tradicionalno ime dela je velemotor (proizvodnja v LRK).

Tako izgleda električni velemotor, na podlagi katerega se predlaga izdelava generatorja za domačo vetrnico. Konstrukcija velemotorja je idealno primerna za vgradnjo skoraj brez izračunov in predelav. Vendar je njihova moč majhna.

Lastnosti električnega velemotorja so približno naslednje:

Pozitivna lastnost velemotorjev je, da jih praktično ni treba predelovati. Konstrukcijsko so bili razviti kot elektromotorji z nizkimi vrtljaji in jih je mogoče uspešno uporabljati za vetrne generatorje.

Za izdelavo vetrnice lahko uporabite avtomobilski generator ali sestavite agregat iz pralnega stroja.

Izračun in izbira krmilnika polnjenja

Krmilnik polnjenja akumulatorske baterije je potreben za vetrno energetsko napravo katere koli vrste, vključno z gospodinjsko konstrukcijo.

Izračun te naprave se zmanjša na izbiro električne sheme naprave, ki bi ustrezala izračunanim parametrom vetrnega sistema.

Od teh parametrov so glavni:

• nazivna in največja napetost generatorja;
• največja možna moč generatorja;
• največji možni polnilni tok akumulatorske baterije;
• napetost na akumulatorski bateriji;
• temperatura okoliškega zraka;
• raven vlažnosti okolice.

Glede na predstavljene parametre poteka sestava krmilnika polnjenja z lastnimi rokami ali izbira že pripravljene naprave.

Krmilnik polnjenja akumulatorjev, ki se uporabljajo v okviru vetrne energetske naprave. Naprava industrijske izdelave, pri izbiri katere je treba le natančno preučiti tehnične značilnosti za natančno uskladitev z obstoječim sistemom.

Seveda je priporočljivo izbrati (ali sestaviti) napravo, katere shema bi zagotavljala funkcijo lahkega zagona v pogojih šibkih zračnih tokov. Krmilnik, ki je zasnovan za delovanje z baterijami različnih napetosti (12, 24, 48 voltov), je prav tako le zaželen.

Nazadnje, pri izračunu (izbiri) sheme krmilnika je priporočljivo, da ne pozabite na prisotnost takšne funkcije, kot je upravljanje invertorja.

Izbira akumulatorske baterije za sistem

V praksi se uporabljajo akumulatorji različnih vrst in skoraj vsi so povsem primerni za uporabo v okviru vetrnega energetskega sistema. Vendar bo treba v vsakem primeru narediti določeno izbiro. Glede na parametre sistema vetrne turbine poteka izbira akumulatorja po napetosti, zmogljivosti in pogojih polnjenja.

Tradicionalne komponente za domače vetrne turbine so klasični svinčevo-kislinski akumulatorji. V praktičnem smislu so se izkazali za dobre. Poleg tega je cena te vrste baterij bolj sprejemljiva v primerjavi z drugimi vrstami.

Svinčeno-kislinske baterije so še posebej nezahtevne glede pogojev polnjenja/praznjenja, vendar jih ni dovoljeno vključiti v sistem brez krmilnika.

Če je v sestavu vetrne elektrarne profesionalno izdelan krmilnik polnjenja s popolnim avtomatskim sistemom, se zdi smiselna uporaba akumulatorjev tipa AGM ali gelijskih.

Blok akumulatorjev domačega vetrnega generatorja. Ne najboljša možnost uporabe, glede na kaos kablov in zahteve za shranjevanje. V takem stanju hranilnikov energije ni mogoče računati na njihovo dolgoročno delovanje.

Obe vrsti hranilnikov energije sta bolj učinkoviti in imata daljšo življenjsko dobo, vendar postavljata visoke zahteve glede pogojev polnjenja.

Enako velja za tako imenovane pancerne gelijske baterije. Vendar je izbira teh akumulatorjev za gospodinjsko vetrno turbino bistveno omejena s ceno. Vendar je življenjska doba teh dragih baterij najdaljša v primerjavi z vsemi drugimi vrstami.

Ti akumulatorji se odlikujejo tudi po večjem ciklu polnjenja/praznjenja, vendar pod pogojem, da se uporablja kakovostna polnilna naprava.

Izračun pretvornika za domačo vetrnico

Takoj je treba poudariti: če konstrukcija domače vetrne elektrarne vsebuje en akumulator 12 voltov, je smisel namestitve razsmernika v tak sistem popolnoma izključen.

Povprečna poraba energije gospodinjstva je ob konicah obremenitve vsaj 4 kW. Iz tega sledi: število akumulatorskih baterij za takšno moč mora biti vsaj 10 in po možnosti za napetost 24 voltov. Za toliko baterij je že smiselno namestiti inverter.

Vendar pa je za popolno oskrbo z energijo 10 akumulatorjev z napetostjo po 24 V vsakega in za stabilno vzdrževanje njihovega polnjenja potrebna vetrnica z močjo vsaj 2–3 kW. Očitno za preproste gospodinjske konstrukcije takšne moči ni mogoče doseči.

Inverter majhne moči (600 W), ki se lahko uporablja za majhno domačo energetsko napravo. S takšno napravo je mogoče napajati televizor ali majhen hladilnik z napetostjo 220 voltov. Za žarnice v lestencu tok ne bo zadostoval.

Kljub temu lahko moč inverterja izračunamo na naslednji način:

1. Sešteti moč vseh porabnikov.
2. Določiti čas porabe.
3. Določiti konicno obremenitev.

Na konkretnem primeru bo to videti tako.

Recimo, da imamo kot obremenitev gospodinjske električne naprave: svetilke – 3 kosi po 40 W, televizijski sprejemnik – 120 W, kompaktni hladilnik 200 W. Seštejemo moč: 3*40+120+200 in dobimo 440 W.

Določimo moč porabnikov za povprečno časovno obdobje 4 ur: 440*4=1760 W. Glede na dobljeno vrednost moči glede na čas porabe se zdi logična izbira inverterja izmed takih naprav z izhodno močjo od 2 kW.

Na podlagi te vrednosti se izračuna volt-amperna karakteristika zahtevane naprave: 2000*0,6=1200 V/A.

Klasična shema proizvodnje in distribucije energije, pridobljene iz vetrnega generatorja gospodinjskega tipa. Vendar pa je za dolgotrajno oskrbo z energijo tolikšnega števila naprav potrebna dovolj močna naprava (+)

Dejansko bo obremenitev gospodinjstva za tričlansko družino, ki je polno opremljeno z gospodinjskimi aparati, višja od izračunane v primeru. Običajno tudi parameter časa priključitve obremenitve presega predvidenih 4 ure. Posledično bo potreben močnejši inverter vetrnega energetskega sistema.

Predhodni izračun vetrnice ne bo koristen le za njeno samostojno sestavljanje. Določitev optimalnih parametrov je potrebna tudi pri izbiri že pripravljenega vetrnega generatorja.

Zaključki in koristen video na to temo

Kako poteka analiza izhodiščnih podatkov in kako se uporabljajo formule, je prikazano v videu:

Uporaba izračunanih podatkov je v vsakem primeru nujna. Naj gre za industrijsko energetsko napravo ali za napravo, izdelano za gospodinjske pogoje, izračun vsakega sklopa vedno prinaša največjo učinkovitost naprave in, kar je najpomembneje, varnost delovanja.

Predhodno izvedeni izračuni določajo smotrnost izvedbe projekta in pomagajo ugotoviti, kako drag ali varčen je projekt.

Imate izkušnje pri reševanju tovrstnih nalog? Ali imate še vprašanja o tej temi? Prosimo, delite svoje veščine izračuna in načrtovanja vetrnega generatorja. Komentarje in vprašanja lahko pustite v spodnjem obrazcu.