Как найти мощность ветряка

Альтернативная энергия, получаемая от энергетических ветряных установок, вызывает в обществе высокий интерес. Подтверждений тому на уровне реальной бытовой практики множество.

Владельцы загородной недвижимости строят ветряки собственными руками и довольствуются полученным результатом, хотя эффект бывает и кратковременным. Причина — при сборке не был произведён расчёт ветрогенератора должным образом.

Согласитесь, не хотелось бы потратив время и средства на реализацию проекта, получить малоэффективную установку. Поэтому важно понять, как произвести расчет ветрогенератора,  и по каким параметрам подобрать основные рабочие узлы ветряка.

Решению этих вопросов и посвящена статья. Теоретическая часть материала дополнена наглядными примерами и практичными рекомендациями по сборке ветрогенераторной установки.

Расчёт ветрогенераторной установки

С чего начать рассчитывать систему воспроизводства электроэнергии из энергии ветра? Учитывая, что речь идёт о ветрогенераторе, логичным видится предварительный анализ розы ветров в конкретной местности.

Такие расчётные параметры, как скорость ветра и характерное его направление для данной территории – это важные расчётные параметры. Ими в какой-то степени определяется тот уровень мощности ветряка, который будет реально достижим.

Ветрогенераторы такой мощности сложно даже представить. Но подобные конструкции существуют и эффективно работают. Однако расчёты подобных конструкций показывают относительно небольшую мощность по сравнению с традиционными источниками энергии

Что примечательно, процесс этот носит долговременный характер (не менее 1 месяца), что вполне очевидно. Вычислить максимально вероятные параметры скорости ветра и его наиболее частое направление невозможно одним или двумя замерами.

Потребуется выполнить десятки замеров. Тем не менее, операция эта действительно необходима, если есть желание построить эффективную производительную систему.

Как вычислить мощность ветряка

Ветрогенераторам бытового назначения, тем более сделанным своими руками, удивлять народ высокими мощностями ещё не приходилось. Оно и понятно. Стоит лишь представить массивную мачту высотой 8-10 м, оснащённую генератором с размахом лопастей винта более 3 м. И это не самая мощная установка. Всего-то около 2 кВт.

Для обслуживания ветряков такой мощности используются вертолёты и бригады специалистов, насчитывающие до десятка человек. Чтобы произвести расчёт такой энергоустановки, привлекается ещё большее число исполнителей

Вообще, если опираться на стандартную таблицу, показывающую соотношение мощности ветрогенератора и требуемого размаха лопастей винта, есть чему удивиться. Согласно таблице, для ветряка мощностью 10 Вт необходим двухметровый пропеллер.

На 500-ваттную конструкцию потребуется уже винт диаметром 14 м. При этом параметр размаха лопастей зависит от их количества. Чем больше лопастей, тем меньше размах.

Но это всего лишь теория, обусловленная скоростью ветра, не превышающей значения 4 м/сек. На практике всё несколько иначе, а мощность установок бытового назначения, реально действующих продолжительное время, ещё никогда не превышала 500 Вт.

Поэтому выбор мощности здесь обычно ограничен диапазоном 250-500 Вт при средней скорости ветра 6-8 м/сек.

Таблица зависимости мощности ветряной энергетической системы от диаметра рабочего винта и количества лопастей. Эту таблицу можно применить для расчётов, но с учётом её составления под параметр скорости ветра до 4 м/сек (+)

С теоретической позиции, мощность ветряной энергетической станции считают по формуле:

N=p*S*V³/2,

где:

• p – плотность воздушных масс;
• S – общая обдуваемая площадь лопастей винта;
• V — скорость воздушного потока;
• N – мощность потока воздуха.

Так как N – параметр, кардинально влияющий на мощность ветрогенератора, то реальная мощность установки будет находиться недалеко от вычисленного значения N.

Расчёт винтов ветряных установок

При конструировании ветряка обычно применяются два вида винтов:

• крыльчатые — вращение в горизонтальной плоскости;
• ротор Савониуса, ротор Дарье — вращение в вертикальной плоскости.

Конструкции винтов с вращением в любой из плоскостей можно рассчитать при помощи формулы:

Z= L*W/60/V

где:

• Z – степень быстроходности (тихоходности) винта;
• L – размер длины описываемой лопастями окружности;
• W – скорость (частота) вращения винта;
• V – скорость потока воздуха.

Отталкиваясь от этой формулы, можно легко рассчитать число оборотов W – скорость вращения.

Такой выглядит конструкция винта под названием «Ротор Дарье». Этот вариант пропеллера считается эффективным при изготовлении ветрогенераторов небольшой мощности и размеров. Расчёт винта имеет некоторые особенности

А рабочее соотношение оборотов и скорости ветра можно найти в таблицах, которые доступны в сети. Например, для винта с двумя лопастями и Z=5, справедливо следующее соотношение:

Также одним из важных показателей винта ветряка является шаг.

Этот параметр можно определить, если воспользоваться формулой:

H=2πR* tg α,

где:

• 2π – константа (2*3.14);
• R – радиус, описываемый лопастью;
• tg α – угол сечения.

Дополнительная информация о выборе формы и количества лопастей, а также инструкция по их изготовлению приведена в этой статье.

Подбор генераторов для ветряков

Имея расчётное значение числа оборотов винта (W), полученное по вышеописанной методике, можно уже подбирать (изготавливать) соответствующий генератор.

Например, при степени быстроходности Z=5, количестве лопастей равном 2 и частоте оборотов 330 об/мин. При скорости ветра 8 м/с. мощность генератора приблизительно должна составлять 300 Вт.

Генератор ветряной энергетической установки «в разрезе». Показательный экземпляр одной из возможных конструкций генератора домашней ветряной энергосистемы, собранной самостоятельно

При таких параметрах подходящим выбором в качестве генератора для бытовой ветряной электростанции может стать мотор, который используется в конструкциях современных электровелосипедов. Традиционное наименование детали – веломотор (производство КНР).

Так выглядит электрический веломотор, на базе которого предлагается делать генератор для домашнего ветряка. Конструкция веломотора идеально подходит для внедрения практически без расчётов и доработок. Однако мощность их невелика

Характеристики электрического веломотора примерно следующие:

Положительная особенность веломоторов в том, что их практически не нужно переделывать. Они конструктивно разрабатывались как электродвигатели с низкими оборотами и успешно могут применяться под ветрогенераторы.

Для изготовления ветряка можно использовать автомобильный генератор или собрать агрегат из стиральной машинки.

Расчёт и выбор контроллера заряда

Контроллер заряда АКБ необходим для ветряной энергетической установки любого типа, включая бытовую конструкцию.

Расчёт этого устройства сводится к подбору электрической схемы прибора, которая бы соответствовала расчётным параметрам ветровой системы.

Из тих параметров основными являются:

• номинальное и максимальное напряжение генератора;
• максимально возможная мощность генератора;
• максимально возможный ток заряда АКБ;
• напряжение на АКБ;
• температура окружающего воздуха;
• уровень влажности окружающей среды.

Исходя из представленных параметров, ведётся сборка контроллера заряда своими руками или подбор готового устройства.

Контроллер заряда аккумуляторов, применяемых в составе ветровой энергоустановки. Прибор промышленного изготовления, выбирая который требуется лишь внимательно изучить технические характеристики для точного согласования с имеющейся системой

Конечно, желательно подбирать (или собирать) устройство, схема которого обеспечивала бы функцию лёгкого старта в условиях течения слабых потоков воздуха. Контроллер, рассчитанный под эксплуатацию с батареями разного напряжения (12, 24, 48 вольт) тоже лишь приветствуется.

Наконец, при расчёте (подборе) схемы контроллера, рекомендуется не забывать о присутствии такой функции, как управление инвертором.

Подбор аккумуляторной батареи для системы

На практике используются аккумуляторы разного типа и почти все вполне пригодны для использования в составе ветряной энергетической системы. Но конкретный выбор придётся делать в любом случае. В зависимости от параметров системы ветряка, подбор аккумулятора ведётся по напряжению, ёмкости, условиям заряда.

Традиционными комплектующими для домашних ветряков считаются классические кислотно-свинцовые аккумуляторы. Они показали неплохие результаты в практическом смысле. К тому же стоимость этого типа батарей более приемлема по сравнению с другими видами.

Свинцово-кислотные АКБ особо неприхотливы к условиям заряда/разряда, но включать их в систему без контроллера недопустимо.

При наличии в составе ветрогенераторной установи профессионально выполненного контроллера заряда, имеющего полноценную систему автоматики, рациональным видится применение аккумуляторов типа AGM или гелиевых.

Блок аккумуляторов домашнего ветрогенератора. Не самый лучший вариант эксплуатации, учитывая хаос из проводов и требования к хранению. При таком состоянии накопителей энергии рассчитывать на их долгосрочное действие не приходится

Оба вида накопителей энергии характеризуются большей эффективностью и долгим сроком службы, но предъявляют высокие требования к условиям заряда.

То же самое относится к так называемым панцирным АКБ гелиевого типа. Но выбор этих аккумуляторов для бытового ветряка значительно ограничивается ценой. Однако срок службы этих дорогостоящих батарей самый продолжительный по отношению ко всем другим видам.

Эти аккумуляторы выделяются также более значительным циклом заряда/разряда, но при условии применения к ним качественного зарядного устройства.

Расчёт инвертора под домашний ветряк

Сразу следует оговориться: если конструкция домашней энергетической ветроустановки содержит один аккумулятор на 12 вольт, смысл ставить инвертор на такую систему полностью исключается.

В среднем потребляемая мощность бытового хозяйства составляет не менее 4 кВт на пиковых нагрузках. Отсюда вывод: количество аккумуляторных батарей для такой мощности должно составлять не менее 10 штук и желательно под напряжение 24 вольта. На такое количество АКБ уже есть смысл устанавливать инвертор.

Однако чтобы обеспечить полностью энергией 10 аккумуляторов с напряжением по 24 Вт на каждый и стабильно поддерживать их заряд, потребуется ветряк мощностью не менее 2-3 кВт. Очевидно, для бытовых простеньких конструкций такую мощность не потянуть.

Инвертор небольшой мощности (600 Вт), который может быть использован для домашней малой энергетической установки. Запитать от такой техники напряжением 220 вольт можно телевизор или небольшой холодильник. На лампы в люстре тока уже не хватит

Тем не менее, рассчитать мощность инвертора можно следующим образом:

1. Суммировать мощность всех потребителей.
2. Определить время потребления.
3. Определить пиковую нагрузку.

На конкретном примере это будет выглядеть так.

Пусть в качестве нагрузки есть бытовые электроприборы: лампы освещения – 3 шт. по 40 Вт, телевизионный приёмник – 120 Вт, компактный холодильник 200 Вт. Суммируем мощность: 3*40+120+200 и получаем на выходе 440 Вт.

Определим мощность потребителей для среднего периода времени в 4 часа: 440*4=1760 Вт. Исходя из полученного значения мощности по времени потребления, логичным видится подбор инвертора из числа таких приборов с выходной мощностью от 2 кВт.

Опираясь на это значение, рассчитывается вольт-амперная характеристика требуемого прибора: 2000*0,6=1200 В/А.

Классическая схема воспроизводства и распределения энергии, полученной от ветряного генератора бытового типа. Однако чтобы обеспечить долговременной энергией такое количество приборов, нужна достаточно мощная установка (+)

Реально нагрузка от домашнего хозяйства на семью в три человека, где имеется полноценное оснащение бытовой техникой, будет выше рассчитанной в примере. Обычно и по времени подключения нагрузки параметр превышает взятые 4 часа. Соответственно, инвертор ветряной энергосистемы потребуется более мощный.

Предварительный расчет ветряка пригодится не только для его самостоятельной сборки. Определиться с оптимальными параметрами необходимо и при выборе готового ветрогенератора.

Выводы и полезное видео по теме

Как происходит анализ исходных данных и как применяются формулы, представлено на видео:

Пользоваться расчётными данными необходимо в любом случае. Будь то промышленная энергетическая установка или изготовленная под бытовые условия, расчёт каждого узла всегда несёт за собой максимум эффективности устройства и главное – безопасность эксплуатации.

Предварительно выполненные расчёты определяют целесообразность реализации проекта, помогают установить, насколько затратным или экономным получается проект.

Имеете опыт в решении подобных задач? Или остались вопросы по теме? Пожалуйста, поделитесь своими навыками расчета и проектирования ветрогенератора. Оставлять комментарии и задавать вопросы можно в форме, расположенной ниже.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Альтернативная энергия, получаемая от энергетических ветряных установок, вызывает в обществе высокий интерес. Подтверждений тому на уровне реальной бытовой практики множество.

Владельцы загородной недвижимости строят ветряки собственными руками и довольствуются полученным результатом, хотя эффект бывает и кратковременным. Причина — при сборке не был произведён расчёт ветрогенератора должным образом.

Согласитесь, не хотелось бы потратив время и средства на реализацию проекта, получить малоэффективную установку. Поэтому важно понять, как произвести расчет ветрогенератора,  и по каким параметрам подобрать основные рабочие узлы ветряка.

Расчёт ветрогенераторной установки

С чего начать рассчитывать систему воспроизводства электроэнергии из энергии ветра? Учитывая, что речь идёт о ветрогенераторе, логичным видится предварительный анализ розы ветров в конкретной местности.

Такие расчётные параметры, как скорость ветра и характерное его направление для данной территории – это важные расчётные параметры. Ими в какой-то степени определяется тот уровень мощности ветряка, который будет реально достижим.

Ветрогенераторы такой мощности сложно даже представить. Но подобные конструкции существуют и эффективно работают. Однако расчёты подобных конструкций показывают относительно небольшую мощность по сравнению с традиционными источниками энергии

Что примечательно, процесс этот носит долговременный характер (не менее 1 месяца), что вполне очевидно. Вычислить максимально вероятные параметры скорости ветра и его наиболее частое направление невозможно одним или двумя замерами.

Потребуется выполнить десятки замеров. Тем не менее, операция эта действительно необходима, если есть желание построить эффективную производительную систему.

Как вычислить мощность ветряка

Ветрогенераторам бытового назначения, тем более сделанным своими руками, удивлять народ высокими мощностями ещё не приходилось. Оно и понятно. Стоит лишь представить массивную мачту высотой 8-10 м, оснащённую генератором с размахом лопастей винта более 3 м. И это не самая мощная установка. Всего-то около 2 кВт.

Для обслуживания ветряков такой мощности используются вертолёты и бригады специалистов, насчитывающие до десятка человек. Чтобы произвести расчёт такой энергоустановки, привлекается ещё большее число исполнителей

Вообще, если опираться на стандартную таблицу, показывающую соотношение мощности ветрогенератора и требуемого размаха лопастей винта, есть чему удивиться. Согласно таблице, для ветряка мощностью 10 Вт необходим двухметровый пропеллер.

На 500-ваттную конструкцию потребуется уже винт диаметром 14 м. При этом параметр размаха лопастей зависит от их количества. Чем больше лопастей, тем меньше размах.

Но это всего лишь теория, обусловленная скоростью ветра, не превышающей значения 4 м/сек. На практике всё несколько иначе, а мощность установок бытового назначения, реально действующих продолжительное время, ещё никогда не превышала 500 Вт.

Поэтому выбор мощности здесь обычно ограничен диапазоном 250-500 Вт при средней скорости ветра 6-8 м/сек.

Таблица зависимости мощности ветряной энергетической системы от диаметра рабочего винта и количества лопастей. Эту таблицу можно применить для расчётов, но с учётом её составления под параметр скорости ветра до 4 м/сек (+)

С теоретической позиции, мощность ветряной энергетической станции считают по формуле:

N=p*S*V 3 /2,

где:

• p – плотность воздушных масс;
• S – общая обдуваемая площадь лопастей винта;
• V — скорость воздушного потока;
• N – мощность потока воздуха.

Так как N – параметр, кардинально влияющий на мощность ветрогенератора, то реальная мощность установки будет находиться недалеко от вычисленного значения N.

Расчёт винтов ветряных установок

При конструировании ветряка обычно применяются два вида винтов:

• крыльчатые — вращение в горизонтальной плоскости;
• ротор Савониуса, ротор Дарье — вращение в вертикальной плоскости.

Конструкции винтов с вращением в любой из плоскостей можно рассчитать при помощи формулы:

Z= L*W/60/V

где:

• Z – степень быстроходности (тихоходности) винта;
• L – размер длины описываемой лопастями окружности;
• W – скорость (частота) вращения винта;
• V – скорость потока воздуха.

Отталкиваясь от этой формулы, можно легко рассчитать число оборотов W – скорость вращения.

Такой выглядит конструкция винта под названием «Ротор Дарье». Этот вариант пропеллера считается эффективным при изготовлении ветрогенераторов небольшой мощности и размеров. Расчёт винта имеет некоторые особенности

А рабочее соотношение оборотов и скорости ветра можно найти в таблицах, которые доступны в сети. Например, для винта с двумя лопастями и Z=5, справедливо следующее соотношение:

Также одним из важных показателей винта ветряка является шаг.

Этот параметр можно определить, если воспользоваться формулой:

H=2πR* tg α ,

где:

• 2π – константа (2*3.14);
• R – радиус, описываемый лопастью;
• tg α – угол сечения.

Подбор генераторов для ветряков

Имея расчётное значение числа оборотов винта (W), полученное по вышеописанной методике, можно уже подбирать (изготавливать) соответствующий генератор.

Например, при степени быстроходности Z=5, количестве лопастей равном 2 и частоте оборотов 330 об/мин. При скорости ветра 8 м/с. мощность генератора приблизительно должна составлять 300 Вт.

Генератор ветряной энергетической установки «в разрезе». Показательный экземпляр одной из возможных конструкций генератора домашней ветряной энергосистемы, собранной самостоятельно Так выглядит электрический веломотор, на базе которого предлагается делать генератор для домашнего ветряка. Конструкция веломотора идеально подходит для внедрения практически без расчётов и доработок. Однако мощность их невелика

Характеристики электрического веломотора примерно следующие:

Положительная особенность веломоторов в том, что их практически не нужно переделывать. Они конструктивно разрабатывались как электродвигатели с низкими оборотами и успешно могут применяться под ветрогенераторы.

Для изготовления ветряка можно использовать автомобильный генератор или собрать агрегат из стиральной машинки .

Расчёт и выбор контроллера заряда

Контроллер заряда АКБ необходим для ветряной энергетической установки любого типа, включая бытовую конструкцию.

Расчёт этого устройства сводится к подбору электрической схемы прибора, которая бы соответствовала расчётным параметрам ветровой системы.

Из тих параметров основными являются:

• номинальное и максимальное напряжение генератора;
• максимально возможная мощность генератора;
• максимально возможный ток заряда АКБ;
• напряжение на АКБ;
• температура окружающего воздуха;
• уровень влажности окружающей среды.

Исходя из представленных параметров, ведётся сборка контроллера заряда своими руками или подбор готового устройства.

Контроллер заряда аккумуляторов, применяемых в составе ветровой энергоустановки. Прибор промышленного изготовления, выбирая который требуется лишь внимательно изучить технические характеристики для точного согласования с имеющейся системой

Конечно, желательно подбирать (или собирать) устройство, схема которого обеспечивала бы функцию лёгкого старта в условиях течения слабых потоков воздуха. Контроллер, рассчитанный под эксплуатацию с батареями разного напряжения (12, 24, 48 вольт) тоже лишь приветствуется.

Наконец, при расчёте (подборе) схемы контроллера, рекомендуется не забывать о присутствии такой функции, как управление инвертором.

Подбор аккумуляторной батареи для системы

На практике используются аккумуляторы разного типа и почти все вполне пригодны для использования в составе ветряной энергетической системы. Но конкретный выбор придётся делать в любом случае. В зависимости от параметров системы ветряка, подбор аккумулятора ведётся по напряжению, ёмкости, условиям заряда.

Традиционными комплектующими для домашних ветряков считаются классические кислотно-свинцовые аккумуляторы. Они показали неплохие результаты в практическом смысле. К тому же стоимость этого типа батарей более приемлема по сравнению с другими видами.

Свинцово-кислотные АКБ особо неприхотливы к условиям заряда/разряда, но включать их в систему без контроллера недопустимо.

При наличии в составе ветрогенераторной установи профессионально выполненного контроллера заряда, имеющего полноценную систему автоматики, рациональным видится применение аккумуляторов типа AGM или гелиевых.

Блок аккумуляторов домашнего ветрогенератора. Не самый лучший вариант эксплуатации, учитывая хаос из проводов и требования к хранению. При таком состоянии накопителей энергии рассчитывать на их долгосрочное действие не приходится

Оба вида накопителей энергии характеризуются большей эффективностью и долгим сроком службы, но предъявляют высокие требования к условиям заряда.

То же самое относится к так называемым панцирным АКБ гелиевого типа. Но выбор этих аккумуляторов для бытового ветряка значительно ограничивается ценой. Однако срок службы этих дорогостоящих батарей самый продолжительный по отношению ко всем другим видам.

Эти аккумуляторы выделяются также более значительным циклом заряда/разряда, но при условии применения к ним качественного зарядного устройства.

Расчёт инвертора под домашний ветряк

Сразу следует оговориться: если конструкция домашней энергетической ветроустановки содержит один аккумулятор на 12 вольт, смысл ставить инвертор на такую систему полностью исключается.

В среднем потребляемая мощность бытового хозяйства составляет не менее 4 кВт на пиковых нагрузках. Отсюда вывод: количество аккумуляторных батарей для такой мощности должно составлять не менее 10 штук и желательно под напряжение 24 вольта. На такое количество АКБ уже есть смысл устанавливать инвертор.

Однако чтобы обеспечить полностью энергией 10 аккумуляторов с напряжением по 24 Вт на каждый и стабильно поддерживать их заряд, потребуется ветряк мощностью не менее 2-3 кВт. Очевидно, для бытовых простеньких конструкций такую мощность не потянуть.

Инвертор небольшой мощности (600 Вт), который может быть использован для домашней малой энергетической установки. Запитать от такой техники напряжением 220 вольт можно телевизор или небольшой холодильник. На лампы в люстре тока уже не хватит

Тем не менее, рассчитать мощность инвертора можно следующим образом:

На конкретном примере это будет выглядеть так.

Пусть в качестве нагрузки есть бытовые электроприборы: лампы освещения – 3 шт. по 40 Вт, телевизионный приёмник – 120 Вт, компактный холодильник 200 Вт. Суммируем мощность: 3*40+120+200 и получаем на выходе 440 Вт.

Определим мощность потребителей для среднего периода времени в 4 часа: 440*4=1760 Вт. Исходя из полученного значения мощности по времени потребления, логичным видится подбор инвертора из числа таких приборов с выходной мощностью от 2 кВт.

Опираясь на это значение, рассчитывается вольт-амперная характеристика требуемого прибора: 2000*0,6=1200 В/А.

Классическая схема воспроизводства и распределения энергии, полученной от ветряного генератора бытового типа. Однако чтобы обеспечить долговременной энергией такое количество приборов, нужна достаточно мощная установка (+)

Реально нагрузка от домашнего хозяйства на семью в три человека, где имеется полноценное оснащение бытовой техникой, будет выше рассчитанной в примере. Обычно и по времени подключения нагрузки параметр превышает взятые 4 часа. Соответственно, инвертор ветряной энергосистемы потребуется более мощный.

Предварительный расчет ветряка пригодится не только для его самостоятельной сборки. Определиться с оптимальными параметрами необходимо и при выборе готового ветрогенератора .

Пользоваться расчётными данными необходимо в любом случае. Будь то промышленная энергетическая установка или изготовленная под бытовые условия, расчёт каждого узла всегда несёт за собой максимум эффективности устройства и главное – безопасность эксплуатации.

Предварительно выполненные расчёты определяют целесообразность реализации проекта, помогают установить, насколько затратным или экономным получается проект.

Расчет ветрогенератора необходим при покупке и для сборки своими руками. В такой расчет входит: определение мощности, расчет винтов и лопастей, расчет и подбор инвертора, контроллера и генератора.

Как работает простой ветрогенератор

Ветрогенератор – прибор, позволяющий преобразовывать энергию ветра в электричество.

Принцип работы его заключается в том, что ветер вращает лопасти, приводит в движение вал, по которому вращение поступает на генератор через редуктор, увеличивающий скорость.

Работа ветряной электростанции оценивается по КИЭВ – коэффициенту использования энергии ветра. Когда ветроколесо вращается быстро, оно взаимодействует с большим количеством ветра, а значит забирает у него большее количество энергии

Подразделяют две основные разновидности ветряных генераторов:

• ветрикальные;
• горизонтальные.

Вертикально ориентированные модели построены так, чтобы ось пропеллера была расположена перпендикулярно земле. Таким образом, любое перемещение воздушных масс, независимо от направления, приводит конструкцию в движение.

Такая универсальность является плюсом данного типа ветряков, но они проигрывают горизонтальным моделям по производительности и эффективности работы

Горизонтальный ветрогенератор напоминает флюгер. Чтобы лопасти вращались, конструкция должна быть повернута в нужную сторону, в зависимости от направления движения воздуха.

Для контроля и улавливания изменений направления ветра устанавливают специальные приборы. КПД при таком расположении винта значительно выше, чем при вертикальной ориентации. В бытовом применении рациональней использовать ветрогенераторы этого типа.

Какие ветрогенераторы самые эффективные

В соответствии с разновидностью роторного механизма все агрегаты можно разделить на несколько видов:

• ортогональные устройства Дарье;
• агрегаты с роторным узлом Савониуса;
• устройства с вертикально-осевой конструкцией агрегата;
• оборудование с геликоидным типом роторного механизма.

Что нужно рассчитать при выборе генератора

Когда вы решили приобрести такой полезный прибор, как ветрогенератор, нужно учитывать следующие параметры:

• мощность ветрогенератора на неодимовых магнитах. Если в вашей местности нет сильных ветров, вам нужен генератор с маленькой мощностью
• направление ветра. Если ветра часто меняют направление, вам подойдет только вертикальный ветрогенератор с подвижными лопастями
• марка. От производителя напрямую зависит цена прибора. Следует помнить, что импортный товар всегда дороже российских аналогов

Конечно, в первую очередь нужно высчитать мощность.

Расчет мощности ветрогенератора

Самостоятельное изготовление ветряка также нуждается в предварительном расчете. Никому не хочется потратить время и материалы на изготовление неведомо чего, хочется иметь представление о возможностях и предполагаемой мощности установки заранее. Практика показывает, что ожидания и реальность между собой соотносятся слабо, установки, созданные на основе приблизительных прикидок или предположений, не подкрепленных точным расчетами, выдают слабые результаты.

Произвести точный расчет с учетом всех факторов, воздействующих на ветряк, достаточно сложно. Для неподготовленных в теоретическом отношении мастеров такой расчет слишком сложен, он требует обладания множеством данных, недоступных без специальных измерений или расчетов.

Поэтому обычно используются упрощенные способы расчетов, дающие достаточно близкие к истине результаты и не требующие использования большого количества данных.

Формулы для расчёта

Для расчета ветрогенератора надо произвести следующие действия:

• определить потребность дома в электроэнергии. Для этого необходимо подсчитать суммарную мощность всех приборов, аппаратуры, освещения и прочих потребителей. Полученная сумма покажет величину энергии, необходимой для питания дома
• полученное значение необходимо увеличить на 15-20 %, чтобы иметь некоторый запас мощности на всякий случай. В том, что этот запас нужен, сомневаться не следует. Наоборот, он может оказаться недостаточным, хотя, чаще всего, энергия будет использоваться не полностью
• зная необходимую мощность, можно прикинуть, какой генератор может быть использован или изготовлен для решения поставленных задач.  От возможностей генератора зависит конечный результат использования ветряка, если они не удовлетворяют потребностям дома, то придется либо менять устройство, либо строить дополнительный комплект
• расчет ветроколеса. Собственно, этот момент и является самым сложным и спорным во всей процедуре. Используются формулы определения мощности потока

Для примера рассмотрим расчет простого варианта. Формула выглядит следующим образом:

P=k·R·V³·S/2

Где P — мощность потока.

K — коэффициент использования энергии ветра (величина, по своей сути близкая к КПД) принимается в пределах 0,2-0,5.

R — плотность воздуха. Имеет разные значения, для простоты примем равную 1,2 кг/м3.

V — скорость ветра.

S — площадь покрытия ветроколеса (покрываемая вращающимися лопастями).

Считаем: при радиусе ветроколеса 1 м и скорости ветра 4 м/с

P = 0,3 × 1,2 × 64 × 1,57= 36,2 Вт

Результат показывает, что мощность потока равняется 36 Вт. Этого очень мало, но и метровая крыльчатка слишком мала. На практике используются ветроколеса с размахом лопастей от 3-4 метров, иначе производительность будет слишком низкой.

Что нужно учитывать

При расчете ветряка следует учитывать особенности конструкции ротора . Существуют крыльчатки с вертикальным и горизонтальным типом вращения, имеющие разную эффективность и производительность. Наиболее эффективными считаются горизонтальные конструкции, но они имеют потребности в высоких точках установки.

Сооружение мачты может обойтись в большую сумму денег и значительные вложения труда. Кроме того, обслуживание ветряка, расположенного на высоте около 10 м над поверхностью земли чрезвычайно сложно и опасно.

Не менее важным будет обеспечение достаточной мощности крыльчатки для вращения ротора генератора. Устройства с тугими роторами, позволяющие получать хороший выход энергии, требуют немалой мощности на валу, что может обеспечить только крыльчатка с большой площадью и диаметром лопастей.

Не менее важным моментом являются параметры источника вращения — ветра. Перед производством расчетов следует как можно подробнее узнать о силе и преобладающих направлениях ветра в данной местности. Учесть возможность ураганов или шквалистых порывов, узнать, с какой частотой они могут возникать. Неожиданное возрастание скорости потока опасно разрушением ветряка и выводом из строя преобразующей электроники.

Расчёт винтов ветряных установок

При конструировании ветряка обычно применяются два вида винтов:

1. Вращение в горизонтальной плоскости (крыльчатые).
2. Вращение в вертикальной плоскости (ротор Савониуса, ротор Дарье).

Конструкции винтов с вращением в любой из плоскостей можно рассчитать при помощи формулы:

Z= L*W/60/V

Для этой формулы: Z – степень быстроходности (тихоходности) винта; L – размер длины описываемой лопастями окружности; W – скорость (частота) вращения винта; V – скорость потока воздуха.

Отталкиваясь от этой формулы, можно легко рассчитать число оборотов W – скорость вращения. А рабочее соотношение оборотов и скорости ветра можно найти в таблицах, которые доступны в сети. Например, для винта с двумя лопастями и Z=5, справедливо следующее соотношение:

Также одним из важных показателей винта ветряка является шаг. Этот параметр можно определить, если воспользоваться формулой:

H=2πR* tg α

Здесь: 2π – константа (2*3.14); R – радиус, описываемый лопастью; tg α – угол сечения.

Подбор генераторов для ветряков

Имея расчётное значение числа оборотов винта (W), полученное по вышеописанной методике, можно уже подбирать (изготавливать) соответствующий генератор. Например, при степени быстроходности Z=5, количестве лопастей равном 2 и частоте оборотов 330 об/мин. при скорости ветра 8 м/с., мощность генератора приблизительно должна составлять 300 Вт.

Генератор ветряной энергетической установки «в разрезе». Показательный экземпляр одной из возможных конструкций генератора домашней ветряной энергосистемы, собранной самостоятельно

При таких параметрах подходящим выбором в качестве генератора для бытовой ветряной электростанции может стать мотор, который используется в конструкциях современных электровелосипедов. Традиционное наименование детали – веломотор (производство КНР).

Характеристики электрического веломотора примерно следующие:

Положительная особенность веломоторов в том, что их практически не нужно переделывать. Они конструктивно разрабатывались как электродвигатели с низкими оборотами и успешно могут применяться под ветрогенераторы.

Расчёт и выбор контроллера заряда

Контроллер заряда АКБ необходим для ветряной энергетической установки любого типа, включая бытовую конструкцию.

Расчёт этого устройства сводится к подбору электрической схемы прибора, которая бы соответствовала расчётным параметрам ветровой системы.

Из тих параметров основными являются:

• номинальное и максимальное напряжение генератора;
• максимально возможная мощность генератора;
• максимально возможный ток заряда АКБ;
• напряжение на АКБ;
• температура окружающего воздуха;
• уровень влажности окружающей среды.

Исходя из представленных параметров, ведётся сборка контроллера заряда своими руками или подбор готового устройства.

Контроллер заряда аккумуляторов, применяемых в составе ветровой энергоустановки. Прибор промышленного изготовления, выбирая который требуется лишь внимательно изучить технические характеристики для точного согласования с имеющейся системой

Конечно, желательно подбирать (или собирать) устройство, схема которого обеспечивала бы функцию лёгкого старта в условиях течения слабых потоков воздуха. Контроллер, рассчитанный под эксплуатацию с батареями разного напряжения (12, 24, 48 вольт) тоже лишь приветствуется.

Наконец, при расчёте (подборе) схемы контроллера, рекомендуется не забывать о присутствии такой функции, как управление инвертором.

Расчёт инвертора под домашний ветряк

Сразу следует оговориться: если конструкция домашней энергетической ветроустановки содержит один аккумулятор на 12 вольт, смысл ставить инвертор на такую систему полностью исключается.

В среднем потребляемая мощность бытового хозяйства составляет не менее 4 кВт на пиковых нагрузках. Отсюда вывод: количество аккумуляторных батарей для такой мощности должно составлять не менее 10 штук и желательно под напряжение 24 вольта. На такое количество АКБ уже есть смысл устанавливать инвертор.

Инвертор небольшой мощности (600 Вт), который может быть использован для домашней малой энергетической установки. Запитать от такой техники напряжением 220 вольт можно телевизор или небольшой холодильник. На лампы в люстре тока уже не хватит

Однако чтобы обеспечить полностью энергией 10 аккумуляторов с напряжением по 24 Вт на каждый и стабильно поддерживать их заряд, потребуется ветряк мощностью не менее 2-3 кВт. Очевидно, для бытовых простеньких конструкций такую мощность не потянуть.

Тем не менее, рассчитать мощность инвертора можно следующим образом:

1. Суммировать мощность всех потребителей.
2. Определить время потребления.
3. Определить пиковую нагрузку.

На конкретном примере это будет выглядеть так.

Пусть в качестве нагрузки есть бытовые электроприборы: лампы освещения – 3 шт. по 40 Вт, телевизионный приёмник – 120 Вт, компактный холодильник 200 Вт. Суммируем мощность: 3*40+120+200 и получаем на выходе 440 Вт.

Определим мощность потребителей для среднего периода времени в 4 часа: 440*4=1760 Вт. Исходя из полученного значения мощности по времени потребления, логичным видится подбор инвертора из числа таких приборов с выходной мощностью от 2 кВт.

Опираясь на это значение, рассчитывается вольт-амперная характеристика требуемого прибора: 2000*0,6=1200 В/А.

Классическая схема воспроизводства и распределения энергии, полученной от ветряного генератора бытового типа. Однако чтобы обеспечить долговременной энергией такое количество приборов, нужна достаточно мощная установка (+)

Реально нагрузка от домашнего хозяйства на семью в три человека, где имеется полноценное оснащение бытовой техникой, будет выше рассчитанной в примере. Обычно и по времени подключения нагрузки параметр превышает взятые 4 часа. Соответственно, инвертор ветряной энергосистемы потребуется более мощный.

Предварительный расчет ветряка пригодится не только для его самостоятельной сборки. Определиться с оптимальными параметрами необходимо и при выборе готового ветрогенератора.

Расчёт лопастей

На КПД ветрового генератора оказывает значительное влияние аэродинамические характеристики устанавливаемых на него лопастей, поэтому перед их изготовлением, производятся специальные расчеты. В результате проведения таких расчетов, изделия проверяются на соответствие полученных результатов требуемым параметрам и прочим требованиям, предъявляемым к ним.

Ветер оказывает воздействие на лопасти генератора и эта сила, или иными словами – напор, действует по направлению воздушного потока. В свою очередь, перпендикулярно к силе напора действует подъемная сила, именно которая и работает в ветровых генераторах с горизонтальной осью вращения (показано на ниже приведенной схеме).

При расчете геометрических размеров лопасти определяется ширина ее хорды и угол ее установки, на схеме β, на всей протяженности элемента устройства.

При проведении расчетов используется метод конечных элементов, суть которого заключается в том, что лопасть рассматривается как совокупность отдельных элементов, входящих в ее состав.

Сила напора ветровых потоков направлена против движения лопасти (на схеме названа «истинным ветром») и на диаграмме разложена на вектора — «скорость ветра» и «окружная скорость». Окружная скорость обеспечивает движение лопастей в плоскости вращения, при этом подъемная сила оказывает воздействие именно в этом направлении.

Сила напора и подъемная сила, определяют производительность ветрового генератора (формула приведена в разделе «Основные характеристики») и зависят от коэффициента подъемной силы, а также коэффициента лобового сопротивления. Кроме этого, данные коэффициенты, находятся в прямой зависимости от геометрического профиля лопасти и угла между линией ее хорды и направлением воздушного потока.

Угол между линией хорды и направлением воздушного потока (набегающий поток) называется углом атаки (угол α).

Коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления определены экспериментальным путем и занесены в специальные журналы (атласы). График зависимости подъемной силы от угла атаки (формы лопасти), выглядит следующим образом:

Ширина лопасти (размер «b») — это также важный параметр, требующий соответствующего расчета. Наиболее важной частью является наружная, что обусловлено кольцом ветра и площадью охвата, с которым эта часть устройства работает.

Расчет выполняется по формуле:

где:

R – наружный радиус вращения;

r – внутренний радиус вращения, без учета комля и и прикомлевой части;

Z – быстроходность кончика.

i – количество лопастей.

Из данной формулы видно, что:

• Ширина обратно пропорциональна внутреннему радиусу ее вращения, и что, в свою очередь говорит о том, что наиболее оптимальной формой, является форма треугольника;
• Ветровой генератор с малым количеством лопастей должен иметь более широкие лопасти;
• Увеличение быстроходности снижает их ширину.

Быстроходность с показателем «5», является наиболее оптимальной, что позволяет снизить потери установки при максимальном количестве лопастей. На приведенном ниже рисунке, указано, как количество однотипных элементов, установленных на ветровом генераторе, влияет на его быстроходность:

Высокая быстроходность позволяет увеличить КПД ветровых генераторов, при этом негативными факторами, при эксплуатации подобных устройств, будут:

• Повышенный уровень производимого шума;
• Вибрация, при использовании одной или двух лопастей;
• Повышенная эрозия кромок;
• Трудности старта при малых потоках ветра.

Для снижения уровня шума кончики лопастей делают заостренной формы, а для облегчения старта, основания изготавливаются несколько шире, чем размер «b».

Общие рекомендации

Очевидно, что для выбора наиболее оптимального диаметра винта ветрогенератора необходимо знать среднюю скорость ветра на месте планируемой установки. Количество электроэнергии, произведенной ветряком возрастает в кубическом соотношении с повышением скорости ветра. Например, если скорость ветра увеличится в 2 раза, то кинетическая энергия, выработанная ротором, увеличится в 8 раз. Поэтому можно сделать вывод, что скорость ветра является самым важным фактором, влияющим на мощность установки в целом.

Для выбора места установки ветрогенерирующей электроустановки наиболее подойдут участки с минимальным количеством преград для ветра (без больших деревьев и построек) на расстоянии от жилого дома не менее 25-30 метров (не забывайте, что ветрогенераторы весьма громко гудят во время работы). Высота расположения центра ротора ветряка должна быть не менее чем на 3-5 метров выше ближайших построек. На линии ветреного прохода деревьев и построек быть не должно. Для расположения ветрогенератора наиболее подойдут вершины холмов или горные хребты с открытым ландшафтом.

В случае, если ваш загородный дом не планируется подключать к общей сети, то следует рассмотреть вариант комбинированных систем:

• ВЭС + Солнечные батареи
• ВЭС + Дизель

Комбинированные варианты помогут решить проблемы в регионах, где ветер переменчивый или зависит от времени года, а также данный вариант является актуальным для солнечных батарей.

Ветрогенераторы как источник электроэнергии не так давно завоевали популярность у жителей загородных участков. Перед установкой необходимо сделать расчет ветрогенератора для своей местности. Этот экологически чистый прибор для выработки электричества бывает двух видов:

• с горизонтальной осью
• с вертикальной осью

Последние более эффективны и технологичны. Единственным минусом вертикальных ветрогенераторов является их высокая цена. Часто такие приборы окупаются в течение пятнадцати лет. Поэтому ветрогенераторы используют как дополнительный источник энергии. Установить их можно своими руками.

Как выбрать ветрогенератор

Если грамотно подойти к вопросу покупки вертикального ветрогенератора, можно увеличить его производительность и сократить срок окупаемости. Сначала следует рассмотреть разные виды вертикальных ветрогенераторов:

• ортогональные генераторы, которые не нуждаются в направляющих механизмах. Они имеют несколько лопастей параллельно основной оси. Работа такого генератора не зависит от направления ветра
• ветрогенераторы с ротором Дарье. Они имеют две-три лопасти на плоском винте. Главное достоинство конструкции в том, что ее можно монтировать на уровне земли
• генераторы с ротором Савониуса. Они очень эффективны, так как работа винта может быть проведена на низких скоростях, что существенно снижает расход аккумулятора
• устройства с большим количеством лопастей на оси. Это более усовершенствованная версия ортогонального прибора. Они очень эффективны, но и цены на них ощутимо выше
• приборы с геликоидным ротором. Они также произошли от ортогонального прибора. Благодаря своей сложной технологии лопасти на оси оказывают небольшую нагрузку на катушку. Это повышает срок эксплуатации генератора. Но и на них цена очень высока

Самыми популярными ветрогенераторами являются ортогональные и с ротором Савониуса. Почти каждый ветрогенератор с вертикальной осью работает на неодимовых магнитах. Они достаточно эффективны, при этом стоимость не слишком высока. Чтобы не переплатить при выборе ветрогенератора, можно сделать правильные расчеты своими руками.

Что нужно рассчитать при выборе генератора

Когда вы решили приобрести такой полезный прибор, как ветрогенератор, нужно учитывать следующие параметры:

• мощность ветрогенератора на неодимовых магнитах. Если в вашей местности нет сильных ветров, вам нужен генератор с маленькой мощностью
• направление ветра. Если ветра часто меняют направление, вам подойдет только вертикальный ветрогенератор с подвижными лопастями
• марка. От производителя напрямую зависит цена прибора. Следует помнить, что импортный товар всегда дороже российских аналогов

Конечно, в первую очередь нужно высчитать мощность.

Как сделать расчет ветрогенератора самостоятельно

Чтобы рассчитать мощность ветрогенератора для вашей местности, воспользуйтесь специальными формулами. Сначала нужно рассчитать количество энергии, которую сможет выработать генератор в течение года в вашей местности. Для этого нужно выполнить ряд действий:

• произвести расчет. На основе результатов будут выбраны длина лопастей и высота башни
• провести анализ скорости ветра в вашей местности. Это можно сделать своими руками с помощью специального прибора, наблюдая за ветром несколько месяцев, или запросить результаты с местной метеостанции

Методика расчета мощности ветреного потока своими руками подразумевает использование формулы —

P*= krV 3S/2,

. В этой формуле используются следующие обозначения:

• 
  r
  
  — плотность воздуха, которая при нормальных условиях составляет
  
  1,225 кг/м3
  
• 
  V
  
  — скорость потока в м/с
• 
  S
  
  — площадь потока в квадратных метрах
• 
  k
  
  — коэффициент эффективности турбины ветрогенератора в значении
  
  0,2-0,5
  

С помощью этих расчетов вы сможете выявить подходящую мощность для вашей местности. На упаковке ветрогенератора указано, при каком потоке ветра его работа эффективнее всего. Как правило, это значение находится в промежутке

7-11 м/с

.

Ветрогенераторы (от ортогонального до Савониуса) являются оптимальным источником дополнительной или основной электроэнергии в частном доме. Если вы сделаете правильный расчет ветрогенератора своими руками, то сможете приобрести подходящий под вашу местность агрегат.