Расчет ветрогенератора с вертикальной осью. Расчет вертикального ветрогенератора: эффективность и особенности конструкции

Как рассчитать мощность вертикального ветрогенератора. Какие факторы влияют на эффективность ветряка с вертикальной осью. Чем отличаются вертикальные ветрогенераторы от горизонтальных. Каковы преимущества и недостатки вертикальных ветряков.

Принцип работы вертикального ветрогенератора

Вертикальные ветрогенераторы отличаются от традиционных горизонтальных ветряков своей конструкцией и принципом работы. Основные особенности:

• Ось вращения расположена вертикально
• Лопасти вращаются вокруг вертикальной оси
• Не требуется ориентация на ветер
• Работают при любом направлении ветра
• Генератор обычно расположен внизу конструкции

Ветровой поток, обтекая лопасти ротора, создает силу, которая приводит их во вращение. Это вращательное движение через трансмиссию передается на электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию.

Ключевые факторы, влияющие на мощность вертикального ветрогенератора

Для расчета потенциальной мощности вертикального ветряка необходимо учитывать следующие основные факторы:

• Скорость ветра
• Площадь ометаемой поверхности ротора
• Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ)
• КПД генератора и трансмиссии
• Плотность воздуха

Рассмотрим подробнее, как эти факторы влияют на выработку энергии вертикальным ветрогенератором.

Влияние скорости ветра на мощность вертикального ветряка

Скорость ветра — ключевой фактор, определяющий потенциальную мощность любого ветрогенератора. Для вертикальных ветряков характерны следующие особенности:

• Мощность растет пропорционально кубу скорости ветра
• Начальная скорость работы обычно 2-3 м/с
• Номинальная мощность достигается при 10-12 м/с
• При слабом ветре эффективность ниже, чем у горизонтальных ветряков

Как рассчитать зависимость мощности от скорости ветра. Формула мощности ветрового потока:

P = 0.5 * ρ * S * V^3

где:
P — мощность ветрового потока (Вт)
ρ — плотность воздуха (кг/м³)
S — площадь ометаемой поверхности (м²)
V — скорость ветра (м/с)

Расчет площади ометаемой поверхности вертикального ротора

Площадь ометаемой поверхности — важный параметр, влияющий на мощность ветрогенератора. Для вертикальных ветряков она рассчитывается по формуле:

S = H * D

где:
S — площадь ометаемой поверхности (м²)
H — высота ротора (м)
D — диаметр ротора (м)

Чем больше площадь ометаемой поверхности, тем больше энергии ветра может использовать ветрогенератор. При этом вертикальные ветряки обычно имеют меньшую площадь по сравнению с горизонтальными аналогичной мощности.

Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) для вертикальных ветрогенераторов

КИЭВ показывает, какую часть энергии ветрового потока ветрогенератор способен преобразовать в полезную энергию. Для вертикальных ветряков характерны следующие особенности:

• КИЭВ обычно ниже, чем у горизонтальных ветряков
• Типичные значения КИЭВ — 0.15-0.3
• Максимально возможный теоретический КИЭВ — 0.593 (предел Бетца)
• КИЭВ зависит от конструкции ротора и скорости ветра

Как учесть КИЭВ в расчете мощности. Формула фактической мощности ветрогенератора:

P = 0.5 * ρ * S * V^3 * Cp * η

где:
P — фактическая мощность ветрогенератора (Вт)
Cp — коэффициент использования энергии ветра
η — КПД генератора и трансмиссии

Сравнение эффективности вертикальных и горизонтальных ветрогенераторов

Вертикальные ветрогенераторы имеют ряд отличий от горизонтальных, влияющих на их эффективность:

• Меньший КИЭВ (0.15-0.3 против 0.3-0.45 у горизонтальных)
• Работа при любом направлении ветра без переориентации
• Более низкая начальная скорость работы (от 2 м/с)
• Меньшая зависимость от турбулентности потока
• Более компактные размеры при той же мощности

При выборе типа ветрогенератора следует учитывать конкретные условия эксплуатации и требования к установке. Вертикальные ветряки могут быть более эффективны в городских условиях и при частой смене направления ветра.

Оптимизация конструкции вертикального ветрогенератора для повышения эффективности

Для повышения эффективности вертикальных ветрогенераторов применяются различные конструктивные решения:

• Использование аэродинамически оптимизированных профилей лопастей
• Применение систем регулирования шага лопастей
• Оптимизация соотношения высоты и диаметра ротора
• Использование направляющих конусов для увеличения скорости потока
• Применение многоярусных роторных конструкций

Какие конструкции вертикальных ветрогенераторов наиболее эффективны. Сравнение основных типов:

• Ротор Дарье — высокий КИЭВ, но сложная конструкция
• Ротор Савониуса — простая конструкция, низкий КИЭВ
• H-образный ротор — компромисс между эффективностью и простотой

Расчет годовой выработки энергии вертикальным ветрогенератором

Для оценки эффективности ветрогенератора важно рассчитать ожидаемую годовую выработку энергии. Алгоритм расчета:

1. Определить распределение скоростей ветра на площадке
2. Рассчитать мощность ветрогенератора для каждой скорости ветра
3. Умножить мощность на количество часов работы при данной скорости
4. Просуммировать полученные значения за год

Формула для расчета годовой выработки энергии:

E = Σ(P(V) * T(V))

где:
E — годовая выработка энергии (кВт*ч)
P(V) — мощность при скорости ветра V (кВт)
T(V) — количество часов работы при скорости V

При расчете следует учитывать, что реальная выработка обычно составляет 60-80% от теоретической из-за различных потерь и простоев оборудования.

Электро-ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

Содержание

1. Ветровые генераторы с вертикальной осью — преимущества и недостатки:
2. Монтаж ветрогенератора:
3. Принцип работы:
4. Оправдают ли себя затраты:

Некоторые страны, серьезно задумывающиеся о дополнительных источниках получения электроэнергии, используют на электростанциях ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения. Однако последние исследования в области техники позволяют предположить, что в будущем ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, станут основным источником получения энергии с помощью ветра.

Все известные на сегодняшний день генераторы можно разделить на два типа. Тип генератора зависит от вида оси, которая приводит в действие механизм. Ось может быть как горизонтального, так и вертикального типа.

Ветровые генераторы с вертикальной осью — преимущества и недостатки:

Ученые, наблюдая ветрогенератор с вертикальной осью, смогли установить, что в следующих областях данный вид генератора намного превосходит его горизонтальный аналог:

1. Нет необходимости в дорогостоящем дополнительном устройстве, которое определяет направление ветра и направляет генератор навстречу воздушному потоку;
2. Меньшее количество деталей которые двигаются, следовательно стоимость ремонта и затраты на производство менее значительные;
3. Конструкция вертикального ветрогенератора ниже, поэтому при обслуживании механизма нет нужды в дополнительных приспособлениях для подъёма обслуживающего персонала на высоту;
4. На эффективность генератора не влияет скорость и угол направления ветра.

Вышеперечисленные преимущества являются достаточно весомой причиной для продолжения исследований проводимых в данной области. Однако наряду с плюсами, вертикальные ветряные электростанции имеют ряд значительных недостатков:

1. Огромный объем лопастей. Пожалуй, самый существенный недостаток данной разновидности ветрогенераторов. У горизонтальной турбины при общем объеме лопастей 90 метров получаемая энергия может достигать 1-3 КВт, для достижения аналогичных результатов лопасти вертикальной турбины должны иметь общую площадь 270 метров.
2. Второй аспект плавно вытекает из первого. Ветрогенератор с вертикальной осью вращения имеет КПД почти в 3 раза ниже, чем с горизонтальной осью.

Монтаж ветрогенератора:

Единственным необходимым условием для работы ветрогенератора является наличие постоянного ветра, достаточной силы. Поэтому перед установкой вертикального ветряка стоит найти место, в котором ветер может дуть, не встречая препятствий. Обычно идеальным местом для установки ветряка будет вершина скалы или высокого холма, либо крыша дома, при условии, что она отвечает для этого техническим требованиям. Особое внимание следует уделить креплению всей конструкции ветрового генерирующего устройства, так как постоянная вибрация и давление ветра легко может завалить её.

Определить место расположения, в котором установка ветряка будет наиболее эффективной, можно при помощи интернета. Достаточно ввести в поисковик запрос о движении ветра в той области, где вы живете. Кстати, при помощи такой информации можно определить будет ли экономически выгодно устанавливать ветрогенератор вертикальный и как скоро он окупит вложенные в него средства.

Принцип работы:

Ветровые генераторы во время вращения турбин создают сразу три действующих силы: импульсную, подъемную и противодействующую им силу торможения. Импульсная и подъемная сила заставляют лопасти генератора крутится. В результате ротор генератора создает магнитное поле на статоре. Благодаря магнитному полю вырабатывается электричество.

Оправдают ли себя затраты:

Перед тем как купить вертикальный ветрогенератор, необходимо взвесить все за и против. К примеру, если воздушные потоки обходят стороной вашу местность, то эффективность использования мощного устройства вряд ли окупится. Для такой местности может подойти использование генератора маленькой мощности.

Иногда бывают места, в которых направление воздушных потоков может меняться по несколько раз в сутки, в таком случае, конечно, стоит задуматься вообще о том, является ли целесообразно использование ветряков, если да, то в таком случае единственно возможным остается использование ветрогенератора с вертикальной осью вращения.

Цена за генераторы варьируется в зависимости от мощности электростанции. Так станцию с мощностью 2 КВт можно приобрести за 6200$, а если мощность достигает 10 КВт — то на такой вертикальный ветрогенератор цена может достичь 40000$. Для получения электричества способного подзарядить аккумуляторы в автомобиле или мобильнике можно купить станцию мощностью 0,6 КВт, ее стоимость не будет превышать 3000$.
Генераторы могут существенно различаться в цене в зависимости от производителя и их вида. Цена на ветряк отечественного производителя обычно на треть дешевле импортного, а качество станции практически одинаковое.

Приобретение генератора работающего от ветра возможно при условии, что есть возможность вложить крупную сумму денег в долгосрочную инвестицию и при наличии благоприятных погодных условий.

Расчет ветрогенератора. Подбор аккумуляторной батареи для системы. Пояснения по проведению расчетов

Мощность ветрогенератора конечно зависит от скорости ветра, точно так-же как мощность солнечной батареи зависит от яркости солнечного света, или мощность гидротурбины от скорости потока воды. Но какая зависимость ветрогенератора от скорости ветра нам не понятно, так-как мы не знаем сколько энергии в самом ветре.

Энергии в ветре очень много, к примеру на рекламный щит шириной и высотой один метр при скорости ветра 5 м/с оказывается давление мощностью 75 ватт. А если щит будет размером три на три метра то мощность ветра при 5 м/с составит 675 ватт. При этом если скорость ветра снизится в два раза то мощность упадёт в восемь, а если ветер будет дуть с в два раза большей скоростью, то мощность давления на щит увеличится в восемь раз. Зависимость мощности ветра с увеличением скорости кубическая.

Но винт горизонтального ветряка или ротор вертикального ветрогенератора это вращающаяся конструкция, она испытывает то-же давление что и щит, но во вращение не может трансформировать всю энергию ветра. Лучшие горизонтальные ветрогенераторы могут брать от ветра до 47% энергии, а ветряки типа «бочка» до 25%. Обычный средний КПД горизонтального ветряка 0.4, и он не постоянный, так-как лопасти имеют фиксированные аэродинамические формы, которые с максимальным КПД могут работать только при определённой скорости ветра.

Тоже самое и вертикальными роторами так-как их лопатки тоже имеют фиксированный размер.

На этом этапе я думаю понятно что мощность ветрогенератора определяет сила ветра или по другому скорость ветрового потока. Также размер винта определяет с какой площади ветрового потока можно брать энергию. Понятно что чем больше винт тем больше он «поймает» ветра, и отнимет у него энергию. Третье это КПД винта, это тоже немаловажный фактор, чем выше КПД тем больше мощности у винта и дешевле сам ветрогенератор.

К примеру винт диаметром 3 метра при ветре 5 м/с имеет мощность примерно 210 ватт, а при 10 м/с его мощность составит 1,8 кВт. Если конечно его КПД будет высокий. Вообще неправильно говорить КПД, нужно говорить коэффициент использования энергии ветра, то есть КИЭВ винта. Винт ветрогенератора это довольно сложная штука, и кроме диаметра винта есть такое понятие как быстроходность винта, это нужно будет чтобы подобрать правильный генератор. Быстроходность это скорость кончиков лопастей относительно скорости ветра, обычно кончики лопастей в рабочем режиме движутся быстрей скорости ветра в 5-7 раз для трехлопастных винтов.

Это достаточно сложная наука и вы вначале ничего не поймёте в этом. Ниже таблица мощности винтов в зависимости от диаметра винта и скорости ветра при КИЭВ 0,45.

Далее у нас на очереди генератор, средний КПД обычно у генераторов 0.8, но этот КПД зависит от оборотов. Генератор может иметь и максимальный КПД 96%, но только в узком диапазоне оборотов, и это зависит от сопротивления нагрузки на генератор, и сопротивление обмотки генератора. Так-же КПД генератора может быть ниже 50% если он неправильно нагружен, но он не может быть правильно нагружен так-как на разных оборотах ему нужна разная нагрузка, а обороты разные потому что скорость ветра меняется, меняются и обороты винта, а следовательно и генератора.

Это в общем тоже сложно, генератор по мощности должен подходить винту, иметь чуть меньшую мощность чем винт в широком диапазоне оборотов, тогда вся эта цепочка будет работать эффективно.

Мощность ветрогенератора определяет:

скорость ветра

диаметр ветроколеса (винта или ротора)

КИЭВ ветроколеса

КПД генератора

Расчет вертикального ветряка по сути ни чем не отличается от расчета обычного горизонтального. 3 — Скорость ветра в кубе м/с

0.6 — это скорость ветра. Ветер движущийся в пространстве принимается за единицу, но ветер при подходе к любому препятствию теряет свою скорость и мощность. Так-как потери в скорости нам не известны, то будем брать 0.6, это с учетом того что ветер потеряет скорость на 33%.

Дополнительно формула расчета площади круга S=πr2 , где

π — 3,14

r — радиус окружности в квадрате

Вообще вертикальные ветряки подобно рекламным щитам ветер тормозят очень сильно, и перед препятствием образуется воздушная подушка, натыкаясь на которую новые порции ветра расходятся по сторонам и 30-40% энергии ветра уходит не принимая участия в давлении на лопасти. По-этому общий КПД, или по правильному КИЭВ ветроколеса у вертикальных ветряков достаточно низкий и составляет всего 10-20% от энергии ветра.

Из анализа самодельных вертикальных ветряков КИЭВ в основном 10% всего, но мы-же оптимисты, по-этому я буду брать КИЭВ 0. 2, хотя здесь еще не учитывается КПД генератора и трансмиссии.

0.6*6*2*2*2*0.2=5,76 ватт при 2м/с

0.6*6*3*3*3*0.2=19,44 ватт при 3м/с

0.6*6*4*4*4*0.2=46,08 ватт при 4м/с

0.6*6*5*5*5*0.2=90 ватт при 5м/с

0.6*6*7*7*7*0.2=246 ватт при 7м/с

0.6*6*10*10*10*0.2=720 ватт при 10м/с

Теперь понятно на что способен данный ротор. Далее нам нужно подогнать генератор к этому ротору чтобы генератор смог вырабатывать максимально возможную мощность, которая имеется на роторе, и при этом не перегружать ротор — чтобы он мог вращаться и его обороты сильно не падали. Иначе толку не будет, выработка энергии сильно упадет. Чтобы подогнать генератор нам нужно узнать обороты ветроколеса на каждой скорости ветра.

В отличие от горизонтальных ветряков, где скорость вращения кончиков лопастей обычно в 5 раз быстрее скорости ветра, вертикальный ветрогенератор не может вращаться быстрее скорости ветра. Это связано с тем что тут ветер просто толкает лопасть, и она начинает двигаться с потоком проходящего ветра.

А горизонтальный винт работает за счет подъемной силы, которая образуется у тыльной части лопасти, и она выдавливает лопасть вперед, и тут обороты ограничиваются только аэродинамическими свойствами лопасти и подъемной силой.

Вдаваться в подробности не будем, и вернемся к нашему ветроколесу. Чтобы высчитать обороты ротора размером 2*3 метра, где ширина ротора 2 метра, нужно узнать длину окружности ротора. 2*3,14=6.28 метра, то-есть за один оборот кончик лопасти проходит путь в 6.28 метра. Это значит что в идеале полный оборот ротор сделает за проходящий поток ветра длинной 6.28 метра. Но так-как энергия тратится на вращение, на трансмиссию, да еще и на вращение генератора — который нагружен аккумулятором, то обороты упадут в среднем в два раза. И того полный оборот ротор сделает за 12 метров потока ветра.

Тогда получается так, если ветер 3м/с, то при этом ветре за секунду ротор сделает 0,4 оборота, а за 4 секунды полный оборот. А за минуту при ветре 3м/с будет 60:4=15об/м.

При 3м/с 12:3=4, 60:4=15об/м

При 4м/с будет 12:4=3, 60:3=20об/м.

При ветре 5м/с 12:5=2.4, 60:2.4=25об/м.

При 7м/с 12:7=1.71, 60:1,71=35об/м

При 10м/с 12:10=1.2, 60:1.2=50об/м

С оборотами ветроколеса я думаю теперь понятно, и они известны. Чем больше в диаметре ветроколесо, тем меньше его обороты относительно скорости ветра. Так к примеру ветроколесо диаметром 1 метр будет крутится в два раза быстрее чем ветроколесо 2м в диаметре.

Теперь нужен генератор, который на этих оборотах должен вырабатывать мощность не более чем может выдать ветроколесо. А если генератор будет мощнее, то он перегрузит ротор, и тот не сможет раскрутится до своих оборотов, и в итоге обороты будут низкие и общая мощность. При ветре 3м/с у нас

15 об/м, и мощность ветроколеса 19 ватт , вот нужно чтобы генератор нагружал ротор не более 19ватт. Это с учетом КПД редуктора (если он имеется) и КПД самого генератора. КПД редуктора и генератора обычно не известны, но на них тоже значительные потери, и в общем на этом теряется 20-50% энергии, и на выходе на аккумулятор уже поступает всего 50%, это в нашем случае 10ватт примерно.

Если генератор перегрузит ветроколесо, то его обороты не выйдут на номинальные, и будут значительно ниже скорости ветра. От этого упадут обороты генератора и его мощность. Плюс еще значительно медленные по скорости лопасти относительно ветра, будут его сильно тормозить и ветер будет разбегаться в стороны, в итоге мощность ветроколеса упадет еще больше. Так со слишком мощным генератором энергии на аккумулятор будет в разы меньше чем могло бы быть. Или наоборот, когда генератор слишком слабый и при 15об/м ветроколеса не может на полную нагрузить ветроколесо, то то-же получается что мы берем гораздо меньше энергии от возможной.

В итоге генератор должен соответствовать по мощности ветроколесу, только так мы можем снять максимально возможную мощность ветроколеса. Это можно сказать самая сложная задача так-как генератор может абсолютно разных характеристик напряжения и тока к оборотам. Чтобы подобрать генератор его нужно покрутить на аккумулятор и измерить отдаваемую энергию, или просчитать по формулам. А далее уже пробовать подгонять к ветроколесу.

К примеру у вашего генератора при 300об/м 1Ампет на АКБ 14вольт, это примерно 14ватт, а ветроколесо выдает 19ватт при 15об/м. Значит мультипликатор нужен 1:20 чтобы генератор крутился при этом на 300об/м. При 5м/с обороты ветроколеса 25об/м, а генератор значит будет вращаться со скоростью 500об/м. Мощность ветроколеса у нас при этом всего 90ватт, а генератор превышает по мощности и дает 200ватт. Так не пойдет ветроколесо просто будет медленно вращаться и свои 90ватт не выдаст — а 200ватт тем-более. Выход — или жертвовать началом зарядки и делать редуктор 1:15, или увеличивать по высоте ветроколесо в два раза чтобы ветроколесо потянуло генератор.

Так нужно чтобы генератор соответствовал по мощности и оборотам на всем диапазоне вращения ветроколеса. А если генератор не-дотягивает по мощности, то нужно или увеличивать передаточное число мультипликатора, или уменьшать ротор чтобы добиться баланса между оборотами и мощностью ветроколеса и генератора. Часто люди вообще без всяких расчетов ставят генераторы от чего найдут, и строят ветроколесо насмотревшись видео с ютюба, а в итоге получается что ветрогенератор не работает на малом ветру и по мощности просто мизер совсем.

Запасы энергии ветра рассчитаны в сумме 170 трлн кВт ч в год. Ветроэнергетика уже настолько исследована, что каждый дом может себе позволить установить ветряк небольшой мощности для собственных нужд.

Однако энергия ветра имеет ряд недостатков. Среди них можно выделить рассеяность в пространстве, колебания скорости ветра. Ветряки отражают радиоволны, мешают полетам птиц и насекомых.

В настоящее время разработаны ветряки, способные работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается. Помимо этого активно применяются циклонные электростанции мощностью до ста тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный циклон, который тем временем турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей и обычных ветряков.

Ветрогенераторы

Ветрогенераторы являются единственными производителями электроэнергии из энергии ветра. Они представляют собой башню с корпусом на конце и вращающимися лопастями (рис. 3). Внутри корпуса находятся преобразователи энергии от каждой лопасти. Число лопастей может быть самое разное, однако большинство потребителей предпочитают ветрогенераторы с тремя лопастями. Высота штифта может быть самой разной вплоть до 5-7 метров в высоту.

Принцип действия и виды ветрогенераторов

Лопасти ротора ветротурбины получают мощность от ветра, замедляя его. Они оказывают сопротивление ветру, и ветер налегает на них с той же силой. Сила напора используется в самых ранних ветряках. Лопасти с горизонтальной осью не могут двигаться по направлению ветра, таким образом они не могут получить никакой пользы от силы напора. Вместо этого они используют подъемную силу.

Ветрогенераторы различаются по следующим основным признакам:

Количеству лопастей;

Материалам изготовления лопастей;

Расположению оси вращения по отношению к земле;

Шаговому признаку винта.

По числу лопастей они бывают одного-двух-трех и многолопастные. Последние начинают свое вращение при малейшем движении воздуха, но применимы лишь для таких целей, где важен сам факт вращения, а не вырабатываемая электроэнергия. То есть, они незаменимы, скажем, при перекачке воды из глубоких колодцев.

По материалам, из чего сделаны лопасти, различают жёсткие и парусные ветрогенераторы. Парусные намного дешевле жёстких, сделанных из стеклопластика, или из металла..

По расположению оси вращения к поверхности почвы различают горизонтальные ветрогенераторы и вертикальные. Их отличия настолько деликатны, что при разных условиях они меняются местами в своём превосходстве. С вертикальной осью ветряки сразу схватывают малейшие дуновения ветерка, не требуют флюгера, но они менее мощные, чем горизонтальные.

По шаговому признаку винта ветрогенераторы бывают с изменяемым и фиксированным шагом. Изменяемый шаг, бесспорно, даёт возможность увеличить скорость вращения, но конструкция сложна. Она увеличивает вес ветряка, то есть, требует лишних затрат. Куда более прост и надёжен фиксированный шаг.

Расчет ветрогенератора

При расчете лопасти необходимо определить ширину хорды и угол установки лопасти в нескольких сечениях по длине лопасти. В каждом сечении необходимо определить правильную форму лопасти, чтобы получить лучшее усилие (подъемную силу) от каждой порции ветра, с которой это сечение будет иметь дело.

Процесс вычисления наилучшей нагрузки и соответствующего ей наилучшего профиля, известный как метод конечных элементов, рассматривает лопасть как совокупность отдельных элементов.

Рассчитаем мощность ветряного потока по формуле:

где V — скорость ветра, м/с; с — плотность воздуха, кг/м 3 ; S — площадь воздействия воздушного потока, м 2 .

В связи с технологическими особенностями большинства ветрогенераторов расчет мощности производится по более точной формуле:

где о — коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум о max = 0,4 ч 0,5), безмерная величина; R — радиус ротора, м; V — скорость воздушного потока, м/с; с — плотность воздуха, кг/м 3 ; з р — КПД редуктора, %; з г — КПД генератора, %.

Для примера расчета примем следующие значения:

с = 1,25 кг/м 3 ;

В итоге, согласно формуле (3.2), получаем следующее значение:

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

Для выбора места установки ветрогенератора наиболее подойдет участок с минимальным количеством преград для ветра (большие деревья, постройки) на расстоянии не менее 25-30 м. Высота ветровой электростанции должна быть не менее 3-5 м высоты ближайших построек. На линии ветреного прохода деревьев и построек быть не должно. Для расположения ветрогенератора наиболее подойдут холмы или горные хребты с открытым ландшафтом.

Прежде чем приобретать для дома ветрогенератор, необходимо понимать, откуда берутся параметры его мощности, действительно ли он будет выдавать те параметры, что записаны в его паспорте, и на что вы можете рассчитывать.

Скорость ветра

Независимо от того, планируете ли вы купить готовый генератор, либо будете делать его сами, скорость ветра будет одним из важнейших параметров при определении мощности установки.

Во-первых, у каждого типа ветрогенераторов есть своя начальная скорость работы. Для большинства установок это 2-3 м/с. Если скорость ветра ниже этого порога, работать генератор не будет вообще, и, соответственно, электричество вырабатывать тоже.

Помимо начальной скорости, существует и номинальная, при которой ветрогенератор выходит на свою номинальную мощность. Для каждой модели производитель указывает эту цифру отдельно.

Однако, если скорость выше начальной, но ниже номинальной, то и выработка электричества будет существенно снижена. А для того, чтобы не остаться без электричества, вам нужно всегда прежде всего ориентироваться на среднюю скорость ветра в вашем регионе и непосредственно на вашем участке. Первый показатель вы можете узнать, взглянув на карту ветров, либо посмотрев прогноз погоды в своём городе, где обычно указывается скорость ветра.

Вторая же цифра в идеале должна измеряться специальными приборами непосредственно в том месте, где будет стоять ветроустановка. Ведь ваш дом может быть как на возвышении, где скорость ветра будет выше, так и в низине, в которой ветра практически не будет.

В данной ситуации те, кто постоянно страдает от ураганных порывов ветра, находятся в более выгодном положении, и могут рассчитывать на большую производительность ветрогенератора.

Диаметр винта

Если вы думаете, что ветрогенератор – это небольшая установка, которая буквально может стоять у вас на крыше и питать электричеством ваш дом на 100 кв.м., вы заблуждаетесь. Если установка используется как самостоятельный источник энергии, который должен обеспечить все ваши потребности, а не малую их часть, то винты могут быть на самом деле огромными. Для небольшого дома необходим радиус хотя бы 3-4 метра. Соответственно, диаметр – 6-8 метров.

Потери

Не достаточно просто рассчитать по формуле мощность вашей установки. Всегда существуют потери, которые заберут до 70% мощности. Первые потери, с которыми вы столкнётесь – это коэффициент использования энергии ветра. Он равен примерно 0,6.

Все эти параметры нужно учесть при планировании ветроустановки. Здесь приведены примерные потери. Реальные величины вы можете узнать в описании тех элементов, которые будете использовать. Они обычно указаны производителем.

Простая и сложная формулы

Существует две формулы, по которым вы можете определить мощность ветрогенератора, зная скорость ветра и радиус либо диаметр лопастей.

Первая формула немного сложнее, и реже используется.

Мощность = коэффициент использования энергии ветра * ((плотность возд. потока * скорость ветра в кубе)/2 * п * радиус в квадрате)

Вторая формула несколько упрощена.

Мощность = 0,6 * п * радиус в квадрате * скорость ветра в кубе

Скорость ветра для расчёта стоит брать ниже среднегодовой, чтобы реально понимать, на какие цифры вам стоит рассчитывать.

Расчёт

Примеры расчётов для дачи и дома с учётом использования определённых электроприборов, мы рассмотрим в другой статье. Сейчас же выясним, какую реальную мощность нам может дать предлагаемый производителем ветрогенератор.

Для примера рассмотрим ветрогенератор с длиной лопасти 4м, при средней скорости ветра 5 м/с (эта цифра может доходить и до 10-15, однако, мы рассмотрим менее удачный вариант.

По первой формуле получится такая цифра:

Мощность = 0,6 * (1,225 * 125/2) *3,14 * 16 = 2307,9 Вт.

По второй формуле:

Мощность = 0,6 * 3,14 * 16 * 125 = 3768 Вт.

Вторая цифра ближе к реальности, и именно такую формулу стоит использовать в ваших подсчётах. Однако, давайте посчитаем потери на винт от второго результата.

Мощность = 3768 * 0,6 = 2260.8 Вт.

Уже намного ближе к первому результату. Однако, от этой цифры нам нужно отнять ещё потери генератора и проводов.

Мощность = 2260.8 * 0,8 * 0,8 = 1446,9 Вт.

Именно на такую величину вы можете рассчитывать при использовании ветрогенератора с винтами 4 метра. 3- Скорость ветра в кубе м/с

Дополнительно формула расчета площади круга S=πr2 , где

R- радиус окружности в квадрате

К примеру если взять площадь винта 3кв.м. и посчитать мощность на ветре 10 м/с, то получится 0,6*3*10*10*10=1800ватт. Но это мощность ветрового потока, а винт заберет часть мощности, которая в теории может достигать 57%, но на практике для горизонтальных трехлопастных ветрогенераторов этот параметр 35-45%. А для вертикальных типа Савониус 15-25%.

Тогда в среднем для горизонтального трехлопастного винта коэффициент использования энергии ветра поставим 40% и посчитаем, 1800*0,4= 720 ватт. Винт заберет 720 ватт у ветра, но еще есть КПД генератора, который у генераторов на постоянных магнитах примерно 0,8 , а с электровозбуждением 0,6. Тогда 720*0,8=576 ватт.

Но на практике все может быть гораздо хуже, так-как генератор не во всех режимах работы имеет высокий КПД, так-же eсть потери в проводах, на диодном мосту, в контроллере, и в аккумуляторе. Поэтому можно скинуть смело еще 20% мощности и останется примерно 576-20%=640,8 ватт.

У вертикального ветрогенератора это параметр будет еще меньше так-как во-первых КИЭВ всего 20%, а так-же мультипликатор, КПД которого 70-90%. Тогда изначальные из 1800 ватт мощности ветра лопасти отнимут 1800*0,2=360ватт. Минус КПД генератора 0,8 и мультипликатора 0,8 равно 360*0,8*0,8=230,4ватт. И еще минус 20% на потери в проводах, диодном мосту, контроллере и АКБ., и останется 230,4-20%=183,6ватт.

Из реальной жизни практический расчет мощности ветрогенератора.

Эту формулу можно встретить на многих форумах и сайтах по ветрогенераторам. Для проверки формулы я хочу сравнить реальные данные двух ветрогенераторов небольшой мощности с почти одинаковыми по площади винтами, но один горизонтальный, а второй вертикальный.

На фото два реальных самодельных ветрогенератора, первый горизотальный трехлопастной с диаметром винта 1,5м., второй вертикальный шириной 1м высотой 1,8м. Не считая данные сразу напишу что мощность горизонтального на ветру 10м/с около 90 ватт, и вертикального 60ватт. КИЭВ первого так-как лопасти сделаны на глазок наверно 0,3 , а второго вертикального вроде хорошо сделанного 0,2.

Теперь вычислим площадь винта ометаемую ветром, для первого это 1,76м, для второго вертикального 1,8м.

Значит для горизонтального 0,6*1,76*10*10*10=1056*0,3*0,8-20%=202ватт.

Значит для вертикального 0,6*1,8*10*10*10=1080*0,2*0,8-20%=138ватт.

Получились вот такие теоретические данные, но зная реальные становится становится понятно что КИЭВ обоих ветрогенераторов и КПД их генераторов далек от хороших показателей. В таком случае для большинства самодельных генераторов, которые делаются на глазок без расчетов можно смело скидывать еще 50% и получить в итоге реальную ожидаемую мощность от ветроустановки с ветроколесом определенной площади.

Реальная мощность самодельного ветрогенератора.

Горизонтальный ветрогенератор мощностью 202ватт.-50%=101ватт, а реальных 90ватт.

Вертикальный ветрогенератор мощностью 138ватт.-50%=69ватт,а реальных 60ватт.

Уже продолжительное время интересуясь ветрогенераторами я сделал (может и ошибочный) вывод что большинство самодельных ветроустановок далеки от заводских аналогов. Только лишь с применением точных расчетов можно добиться высокого КПД всей ветроустановки и это удается не многим.

А с большинства самодельных ветрогенераторов можно при расчете мощности смело скидывать половину ожидаемой мощности и сразу делать ветрогенератор в два раза мощнее чем нужен, чтобы компенсировать все недочеты домашней сборки и применяемых материалов.

Калькулятор ветряных турбин — WindCycle

Перейти к содержимому

 

Калькулятор ветряных турбин  

 

Этот калькулятор ветряных турбин представляет собой комплексный инструмент для определения выходной мощности, дохода и крутящего момента турбины с горизонтальной осью (HAWT) или турбины с вертикальной осью (VAWT). Вам нужно только ввести несколько основных параметров, чтобы проверить эффективность вашей турбины и сколько она может вам заработать.

Вы можете использовать наш инструмент как калькулятор HAWT или VAWT — чтобы изменить тип турбины, просто выберите нужную турбину из раскрывающегося списка в верхней части калькулятора.

Если вас интересуют возобновляемые источники энергии в целом, вам могут пригодиться наш калькулятор гидроэлектроэнергии и инструмент для работы с солнечными панелями.

В чем разница между HAWT и VAWT?

В ветряных турбинах с горизонтальной осью, или сокращенно HAWT , лопасти вращаются вокруг горизонтальной оси. Это наиболее распространенные наземные ветряные турбины, обычно размещаемые на холмах и в других местах, подверженных сильному ветру, но также широко используемые на море. Ветряные турбины с вертикальной осью ( VAWT ), с другой стороны, вращаются вокруг вертикальной оси.

Эффективность турбин с горизонтальной осью (отношение мощности ветра к выходной мощности), как правило, выше, но у них есть некоторые недостатки. Поскольку на лопасти действует сила инерции, которая меняет свое направление, они получают знакопеременную нагрузку, часто нарушающую целостность лопастей. Кроме того, генератор расположен высоко над землей, что делает его ремонт и обслуживание дорогостоящим.

Как рассчитать мощность, вырабатываемую ветряной турбиной?

Чтобы рассчитать мощность ветровой турбины, необходимо оценить два значения: доступную мощность ветра и эффективность ветровой турбины . Умножение этих двух значений дает оценку выходной мощности ветровой турбины. Ниже вы можете найти всю процедуру:

1. Охватываемая площадь турбины

   Прежде чем найти мощность ветра, вам необходимо определить охватываемую площадь турбины по следующим уравнениям:

   Для HAWT: A = π * L²

   Для VAWT: A = D * H

   где:

2. Определение КПД турбины

   Вы можете найти общий КПД турбина следующим образом:

   μ = (1 - kₘ) * (1 - kₑ) * (1 - k e,t ) *(1 - k t ) * (1 - k w ) * Cₚ

   где:

   • Cₚ  является КПД турбины. Оно должно быть ниже Предел Беца (59,3%) , обычно составляет 30-40%
   • k w  являются потерями в спутном следе из-за соседних турбин и рельефа местности, обычно 3-10%
   • kₘ 9005 2  являются механические потери лопаток и редуктора, обычно 0–0,3 %
   • kₑ  – электрические потери турбины, обычно 1–1,5 %
   • k e,t  – электрические потери при передаче в сеть, обычно 3-10%
   • k t — процент времени простоя из-за отказа или технического обслуживания, обычно 2-3%
   • μ — реальная эффективность возраст, но вы вводите в формулу в виде дроби (например, 30 % = 0,3).

   • Рассчитайте доступную мощность ветра

     Зная площадь охвата, вы можете найти доступную мощность ветра по следующей формуле:

     P ветер  = 0,5 * ρ * v³ * A

     где:

     • A  – площадь охвата

     • ρ  – плотность воздуха, принятая равной 1,225 кг/м³. по умолчанию (вы можете изменить его в расширенном режиме )

     • v  это скорость ветра – типичный используемый диапазон составляет примерно 3-25 м/с

     • P ветер  является доступным сила ветра

   • Расчет выходной мощности

     Чтобы найти мощность ветряной турбины, просто умножьте эффективность на доступную мощность ветра:

     P мощность  = μ * P ветер

Доход от ветряной турбины

Предположим, вы также хотите знать доход, который вы можете ожидать от своей ветряной турбины. В большей степени это зависит от тарифа на электроэнергию — то есть сколько вы заработаете за один киловатт-час, выработанный турбиной. Как только вы узнаете это значение, расчет будет простым:

доход = тариф * P выход

Какой крутящий момент у турбины HAWT или VAWT?

Крутящий момент (или сила, вызывающая вращение лопастей) рассчитывается на основе коэффициента скорости вращения (TSR) турбины.