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

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 т] . 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.

Методика расчета мощности ветроколеса ветрогенератора относительно точная и довольно простая.

Ниже формула расчета мощности энергии ветра P=0.6*S*V^3 , где

P- мощность Ватт

S- площадь ометания кв.м.

V^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.

Популярные статьи:

Ветрогенератор в автономной системе очень нужен. По большей части тем, что его выработка не имеет ярко выраженной зависимости от сезонов. Солнечные батареи, в наших широтах, хорошо работают летом и плохо зимой, тогда как ветрогенераторы сохраняют свою эффективность в зимний период. Немало важно то, что сильные ветра, как правило, наблюдаются в пасмурную погоду, поэтому совместное применение ветрогенераторов и солнечных панелей достаточно обоснованно. В этой статье мы рассматриваем малые ветроэнергетические установки (ВЭУ) т.е. установки мощностью от 40 Вт до 20 кВт.

Ветрогенераторы достаточно эффективны в прибрежных районах, либо на возвышенностях, где скорости ветра выше и ветра чаще. На большей части территории России средняя скорость ветра составляет 4-5 метров в секунду, что создает неблагоприятные условия для применения ветрогенераторов (и это на высоте 10 м от поверхности земли, стандартная высота расположения анемометра на метеостанциях). Но данные усреднены, поэтому следует изучить энергопотенциал конкретной местности, если существует подозрение, что ветрогенератор может быть эффективен.

Основная проблема ветровых станций заключается в том, что их эффективность мала при низких скоростях ветра. Если внимательно посмотреть на кривую зависимости мощности от скорости ветра, то можно обнаружить следующее: стартовая скорость большинства современных ВЭУ располагаться в пределах 3 - 4 м/с. Но необходимо, чтоб ветровой поток продержался на этом уровне не наименее 10 мин, лишь тогда автоматика даст позволение на запуск ВЭУ. При этом более-менее ощутимая, выработка энергии начнется только при 7 метрах в секунду, а ВЭУ, трудящаяся при средней скорости 6 м/с, генерирует емкость на 44 % большую, чем при скорости 5 м/с…

Многие хотят уменьшить начальную скорость ветра при котором начинается вращаться турбина до 1-2 м/с - мол слабый ветер бывает всегда и пусть в аккумуляторы всегда что-то "капает". Однако, при такой скорости ветер имеет ОЧЕНЬ мало энергии. Если ветрогенератор и вся система рассчитаны на 3-5кВт, то 5-10 Вт не решат никаких проблем.

Перейдем теперь к методам расчета систем с ветряными электростанциями. Покупая устройство, вы будете знать его заявленную номинальную мощность, а также найдете в инструкции график зависимости мощности вырабатываемой "ветряком" от скорости ветра.

Из формулы P=(η*КИЭВ* ρ*V 3 *π*D 2)/8 видно, что мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра и квадрату диаметра колеса турбины. Это означает, что при увеличении скорости ветра вдвое, мощность потока возрастет в 8 раз, а при увеличении длины лопастей вдвое, мощность ветрогенератора возрастет в 4 раза.

В таблице приведены величины мощности ветровой турбины, в зависимости от скорости ветра и диаметра колеса турбины. Коэффициент эффективности турбины k = 0,25.

V м/с	3	4	5	6	7	8	9	10	11
P Вт d = 1м	3	8	15	27	42	63	90	122	143
P Вт d = 2м	13	31	61	107	168	250	357	490	650
P Вт d = 3м	30	71	137	236	376	564	804	1102	1467
P Вт d = 4м	53	128	245	423	672	1000	1423	1960	2600
P Вт d = 5м	83	196	383	662	1050	1570	2233	3063	4076
P Вт d = 6м	120	283	551	953	1513	2258	3215	4410	5866
P Вт d = 7м	162	384	750	1300	2060	3070	4310	6000	8000
P Вт d = 8м	212	502	980	1693	2689	4014	5715	7840	10435
P Вт d = 9м	268	635	1240	2140	3403	5080	7230	9923	13207
P Вт d = 10м	331	784	1531	2646	4200	6270	8930	12250	16300

Вы видите, как сильно возрастает величина мощности ветрового потока при увеличении скорости ветра только на 1 м/с.

Прежде чем звонить в компанию занимающуюся продажей ветрогенераторных установок надо узнать две цифры:

1) Потребление электроэнергии в месяц в киловатт-часах - все платят за электричество в квартирах или домах ежемесячно и эта цифра поможет оценить Ваши потребности.

1. Лампочка (сразу лучше меняйте на энергосберегающие или LED) - 20Вт - эквивалент 100Вт обычной (1кВт - это 1000Вт, то есть 20Вт - это 0,02кВт) горит 5 часов в день, поэтому мощность в кВт умножаем на часы работы в месяц - 0,02 * 5 * 30(дней в месяце) = 3кВт*часа в месяц.

2. Холодильник 300Вт, работает примерно 30% времени, то есть 8 часов в сутки - 0,3 * 8 * 30 = 72кВт*часа в месяц.

3. Электрочайник 1,5 кВт, работает 0,5 часа в день - 1,5 * 0,5 *30 = 22,5кВт*часа в месяц

Потом всё суммируете - 3 + 72 + 22,5 = 97,5кВт*час в месяц.

Это и есть месячное потребление - примерно 100кВт*час в месяц в данном примере.

2) Среднегодовая скорость ветра в предполагаемом месте установки - её можно приблизительно узнать в ближайшей метеостанции.

Для выбора инвертора надо знать максимальную (пиковую) мощность потребления электроприборов с небольшим запасом - по ней выбирается его мощность. При наличии этих показателей можно быстро и грамотно подобрать необходимое оборудование, обратившись к продающей его организации.

При выборе оборудования не стоит опираться на мощность ветрогенератора - она сильно зависит от скорости ветра. Это только в бензогенераторе она соответствует указанной в паспорте. 5кВт ветрогенератор при слабом ветре (3-4м/с) выдаёт всего 0,1-0,2 кВт.

Очень часто покупатель ориентируется на максимальную (пиковую) мощность своего потребления и просит постоянно эту мощность - например 5кВт, как в бензогенераторе, например - начинаем разбираться, считать - и оказывается, что для лампочек, холодильника, телевизора и насоса вполне хватает 0,5кВт постоянной мощности - а это две большие разницы. Оценивать своё электропотребление нужно только по киловатт - часам в месяц.

Но и не стоит определять среднюю выдаваемую ветрогенератором мощность по среднегодовой скорости ветра - это будет намного заниженная цифра.

Существует атлас ветров России, в котором есть данные по ветру в 332 метеостанциях. "Роза ветров" так часто употребляемая обывателем в данной теме к ней относится "поскольку-постольку" - это статистика по направлениям ветра, а ветрогенератору всё равно - как часто с какой стороны дует. А вот при определении места установки ветрогенератора "Розу ветров" лучше учитывать, чтобы на направлении основных ветров не оказались высокие строения, деревья и прочие препятствия.

Выбор мачты

Какую мачту выбрать - с растяжками или без?

Если место позволяет, то лучше ставить мачту с растяжками - она будет стоить в 3-5 раз дешевле мачты без растяжек. В настоящее время накоплен уже довольно богатый опыт установки мачт для ветрогенераторов на территории РФ и он позволяет утверждать об этом однозначно.

Иногда предлагают телескопические мачты - они удобны при частых подъёмах и опусканиях, в чём нет особой необходимости при использовании с ветрогенератором. Мощный ветряк на неё не поставишь - не более 1-2кВт, зато стоить она будет намного дороже.

Какой высоты должна быть мачта?

При выборе высоты мачты учитывается рельеф, растительность (близость леса и отдельно стоящие деревья) и застроенность местности. Обычно это от 10 до 20 метров.

Для ветрогенераторов 1-4кВт мы предлагаем 8 и 12м мачты, поскольку более высокие стоят достаточно дорого для данного класса оборудования.

Конечно, чем выше мачта, тем лучше (чем больше высота - тем сильнее ветер, прямая зависимость), но не всегда более высокая мачта технически или экономически оправдывает себя. Посоветуйтесь со специалистом - обычно простого описания по телефону будет достаточно для определения оптимальной высоты мачты. При выборе высоты мачты учитывается рельеф, растительность (близость леса и отдельно стоящие деревья) и застроенность местности. Обычно это от 10 до 20 метров.

• Если местность открытая - практически на поле, например, то вполне хватит мачты высотой и 10м.
• Если местность застроена одноэтажными домиками и имеет небольшие деревья - больше подойдёт 15м мачта.
• Если же рядом двухэтажные дома и высокие деревья или лес - то лучше ставить мачту высотой 20м.

Высота мачты практически не зависит от мощности ветрогенератора (от 1 до 10кВт). Для ветрогенераторов 1-4кВт мы предлагаем 8 и 12м мачты, поскольку более высокие стоят достаточно дорого для данного класса оборудования.

Все вышесказанное относится к мачтам для ветровых генераторов с горизонтальной осью вращения. Для ветровых генераторов с вертикальной осью вращения при выборе мачты существуют свои резоны, в данной статье не рассматриваемые.

1. Расчет выработки энергии ветрогенераторной станцией

В связи с ростом цен на энергоносители, все больше владельцев частных домов обращаются к возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (ВНИЭ), таких как ветровая, солнечная, гидроэнергия и геотермальная. Здесь расскажем, как рядовому гражданину нашей страны рационально и доступно, с финансовой точки зрения, можно воспользоваться энергией ветра.

Перед тем как будет продемонстрирован пример выбора ветроэлектростанции (ВЭС), следует узнать, каким образом поток воздуха трансформируется в электрическую энергию и сколько такой энергии можно будет получить на своем участке. По приведенной формуле можно рассчитать энергию, которая «гуляет» вашим участком:

P = V 3 ρ S

Например, на площадь, равной 3 кв.м дует воздушный поток обычной плотности со скоростью 5 м/с. При таких условиях получим:

P = V 3 ρ S = 5 3 1,25 12,5 = 1953,125

Где,
V - скорость ветра, единица измерения - м/с

S - площадь, на которую дует (пожимает) воздушный поток, единица измерения - м2

Почти 2 кВт, в идеале, если не учитывать ту часть потока, которая пойдет на завихрения, обтекание объекта и т.д. В реальных условиях максимально мы можем получить 30-40% от потенциальной энергии воздушного потока. Это ограничение связано с технологическим и физическим выполнением ветрогенератора. Более точный расчет можно сделать по следующей формуле:

P = ξ π R 2 0,5 V 3 ρ ηред ηген

Где,
ξ - коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум ξmax = 0,4 ÷ 0,5), безмерная величина
R - радиус ротора, единица измерения - м
V - скорость воздушного потока, единица измерения - м / с
ρ - плотность воздуха, единица измерения - кг/м3
ηред - КПД редуктора, единица измерения - проценты
ηген - КПД генератора, единица измерения - проценты

Для следующих данных:
ξ = 0,45
R = 2 м
V = 5 м / с
ρ = 1,25 кг/м3
ηред = 0,9
ηген = 0,85

Рассчитываем:

P = ξ π R 2 0,5 V 3 ρ ηред ηген = 0,45 π 2 2 0,5 5 3 1,25 0,9 0,85

Ветроэнергетика на практике

Рассматриваемые модель имеет номинальную мощность 5кВт и следующие важные для нас технические параметры:

Технические характеристики ветроэлектростанции WE3000
Номинальная мощность генератора, кВт	3
Максимальная мощность генератора, кВт	5,1
Диаметр ротора, м	4,5
Стартовая скорость ветра, м/с	2,0
Номинальная скорость ветра, м/с	10
Высота мачты не менее, м	12

По данным инженерного центра компании WindElectric модель WE3000 имеет следующую характеристику (мощность в зависимости от скорости ветра): При скорости ветра 10 метров в секунду такая установка будет генерировать более 3кВт ч, такого количества энергии полностью хватит для маленького коттеджа, но стоит помнить, что в нашей стране далеко не всегда ветренно.

Пришло время выяснить важнейший вопрос, сколько же это будет стоить и через какое время окупится? Стоимость электроэнергии приближенно можно определить по следующей схеме:

Где,
В - полная стоимость ВЭС, единица измерения - грн, рубли, $ и т.д.
ЕВ - эксплуатационные расходы за год, единица измерения - (грн / год, рубли / год, $ / год)
Р - количество произведенной энергии за год, единица измерения - кВт время
Т - срок службы ветрогенератора в годах (считается Т = 20 лет)

Среднегодовая скорость ветра, м/с	Выработка энергии за год, КВт.год	Срок окупаемости, лет
	ВЭС WE3000
3	1445
4	3048
5	5913
6	8935
7	12864

Ориентирование в потребностях

Совершая покупку, мы не всегда точно знаем, что с ней делать и насколько она нам необходима. В случае с ветроэлектростанцией это следует непременно выяснить.Вариант первый: Я хочу частично обеспечить свою квартиру независимым источником энергии (мой дом подключен к внешней сети. В таком случае мощность установки будет зависеть от количества энергии, которую вы хотите получать не из сети, а генерировать самостоятельно.Вариант второй: Я хочу обеспечить свою квартиру независимым источником энергии, поэтому выбираю вариант ВЭС (мой дом не подключен к внешней сети. В этом случае нужно точно знать свои потребности в электроэнергии.В чем отличие этих двух вариантов? В обоих случаях требуется ВЭС, но необходимо знать, в какой мере она будет использоваться, следовательно, какой мощности установка будет нам нужна.Подготовка к выбору ВЭС... правильнее будет написать подготовка к разговору с компанией-специалистом, кто же еще сможет предоставить услуги по установке, настройке и гарантийного обслуживания? Прежде чем сделать вам предложения, компания должна иметь некоторые сведения. Попробуем узнать о них. Это заинтересует и вас. Для двух приведенных выше вариантов подготовка имеет несколько общих пунктов:1. Потребности. Если вы решили купить сок, то сначала оцениваете силу жажды, которую чувствуете. После этого покупаете бутылку сока соответствующего объема. Для установки ВЭС нужно знать свои «аппетиты». Под «аппетитами» в нашем случае следует иметь в виду количество потребляемой электроэнергии за сутки, месяц, время года. Необходимо также установить границу верхней нагрузки (к примеру, в праздничные дни в вашем доме работают одновременно два телевизора, музыкальный центр, компьютер, освещение в нескольких комнатах, микроволновая печь и т.д.), т.е. верхний предел нагрузки - это максимальное энергопотребление вашего жилища. Необходимо также знать продолжительность этой максимальной нагрузки. Установить общее энергопотребление очень просто, однако это потребует от вас изрядной тщательности. Ваша задача - выяснить мощность каждого электроприбора в помещении и время его работы, а после внести сведения в таблицу.2. Размещение. Следующим подготовительным этапом будет ориентировочный (!) выбор места расположения ВЭС. Ориентировочный, поскольку только специалисты смогут определить наилучший вариант для Вашего индивидуального случая. Однако есть несколько пунктов, которые позволяют лучше представить возможное расположение ВЭС. Следует помнить 3 золотых правила:
* Турбулентность. Ветротурбина должна размещаться на 10 метров выше наивысшиего объекта в радиусе 100 метров (включая ЛЭП).
* По возможностью, ВЭС должны размещаться на открытых участках (берегах рек, морей, озер).
* Орография местности. Следует учитывать, что в природных ущельях, каньонах поток воздуха имеет свойство сжиматься и, как следствие, увеличивается его скорость. Подобную ситуацию можно наблюдать на пригорках.3. В случае, если ваш загородный дом не планируется подключать к общей сети, то следует рассмотреть вариант комбинированных систем:
* ВЭС + Солнечные батареи
* ВЭС + ДизельКомбинированные варианты помогут решить проблемы в регионах, где ветер переменчивый или зависит от времени года, а также данный вариант является актуальным для солнечных батарей.

Самодельный вертикальный ветрогенератор

Для расчета есть простая формула:

P — мощность Ватт

S — площадь ометания лопастей кв.м.

V^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

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.

Расчет вертикальных ветрогенераторов
Расчет вертикального ветрогенератора в общих чертах. От чего отталкиваться при расчете, статья ориентирована на начинающих

Секция: Технические науки

XL Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Расчет мощности ветрогенератора

Расчет мощности ветрогенератора. Распределение продолжительности градаций скорости ветра, оценка превалирующего направления ветра, построение розы ветров для данной местности. Выбор ВРТБ – ветроэлектростанции с вертикально расположенным валом генератора (VAWT)

Распределение скорости ветра по градациям позволяет рассчитать выработку ветроэлектростанции по каждому месяцу. Для этого следует процент повторяемости интервала скорости ветра преобразовать в соответствующий временной интервал. Тогда мощность ветрогенератора, соответствующая данной ветровой градации, и время работы ВЭС в данном режиме позволяют определить количество электроэнергии за рассматриваемый месяц при соответствующей скорости ветра. Повторяемость скорости ветра по градациям представляет собой временную характеристику скорости ветра. Эта характеристика важна для ветроэнергетических расчетов, связанных с оценкой интервалов времени работы ветроэлектростанции при различных скоростях ветра. Интервал наблюдений ветрогенерации выбрали один месяц. Среднее значение распределения месячного ветрового потенциала определяется обработкой данных ежедневных наблюдений на ближайшей метеостанции. В качестве примера распределения ветрового потенциала в течение года по градациям в таблице 1 приведены данные метеостанции города Костаная.

Таблица 1.

Повторяемость различных градаций скорости ветра (%)

Суммарная энергия, которую может произвести ветроэлектростанция конкретного типа за рассматриваемый временной интервал, определяется как сумма энергий, соответствующих каждой градации ветра:

где: Pi –мощность ВЭС при средней скорости ветра i – градации, Ti – продолжительность i – градации скорости ветра в течении месяца, n –количество градаций скорости ветра.

Расчет распределения продолжительности градаций скорости ветра за два месяца наблюдения на метеостанции приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. График распределения продолжительности градаций скорости ветра

При расчете выработки электроэнергии следует учитывать увеличение скорости ветра на высоте оси ветродвигателя по сравнению с данными наблюдений на высоте флюгера. Обычно башня для ветроэлектростанции входит в состав её комплектации с указанием конструктивных параметров. Для автономных ВЭС на мощности до 100–200 кВт высота башни обычно не превышает 50 м. Соответственно, учет вертикального профиля ветра на высотах 20, 30, 40, 50 м позволит более точно оценить ветроэнергетический потенциал местности.

Для оценки превалирующего направления ветров строится роза ветров (рис. 2), представляющая собой векторную диаграмму, у которой длина лучей, расходящихся от центра диаграммы в разных направлениях (румбах горизонта), пропорциональна повторяемости ветров этих направлений.

Рисунок 2. Роза ветров

Превалирующее направление ветра на выбранной площадке следует учитывать при строительстве ветропарка, а также соотносить его с ландшафтом (за исключением равнинного характера местности).

Таким образом, результатами исследования ветроэнергетического потенциала в предполагаемом месте размещения ветроэлектростанции являются следующие характеристики:

1) Определение среднедневной, среднемесячной и среднегодовой скорости ветра по данным метеонаблюдений за 5-10 лет.

2) Пересчет средней скорости ветра каждого месяца на предполагаемую высоту башни ветрогенератора.

3) Распределение скорости ветра на высоте оси ветрогенгератора по градациям для каждого месяца года.

4) Построение розы ветров для города Костаная.

Полученные ветроэнергетические характеристики позволяют оптимизировать выбор ветроэнергетического оборудования и, далее, интегрировать его в систему электроснабжения города.

Гибридная автономная система – солнце-ветер (инверторно-аккумуляторная).

Возможно подключение солнечных фотомодулей к ветрогенераторной системе через контроллеры для солнечных систем + ДГУ.

В данных условиях следует принять возможность обеспечить объект установкой дополнительного оборудования:

1. Инверторно-аккумуляторной системой + АВР (для накапливания энергии при отсутствии нагрузки, и для питания от аккумуляторов при отсутствии ветра), при полном разряде АКБ, АВР переключит питание от аккумуляторов на ДГУ.

2. Установленная мощность ВЭС и требования к размещению ветро-парка.

ВРТБ – ветроэлектростанция с вертикально расположенным валом генератора(VAWT). Основным преимуществом конструкции ветростанции является ее независимое «наведение на ветер». Ветросиловая часть принимает ветер с любой стороны автоматически без каких-либо настроечных операций и не требует разворота станции при изменении направления ветра.

Комплексная энергетическая система ВРТБ включает следующие функциональные элементы:

· модули ВРТБ для преобразования энергии ветра,

· солнечную фотоэлектрическую установку для генерация электрической энергии,

· аккумуляторные батареи для хранения выработанной энергии и обеспечения потребителя электроэнергией,

· ШУЗ ВРТБ – устройство обеспечения корректного функционирования станции, контроля заряда, автоматики,

· генератор (преобразование механического вращения модулей в электроэнергию),

· инвертор – прибор преобразования постоянного тока, вырабатываемого КЭС, в переменный, требуемый потребителю, с возможностью выдачи электроэнергии в сеть.

· при одинаковых размерах с винтовыми роторные имеют большую площадь «ометаемой» поверхности и, следовательно, большую мощность (в 2–3 раза),

· не боятся резких кратковременных порывов ветра (шквалов),

· ротор не стоит на месте (в одной плоскости, как воздушный винт), а постоянно уходит от ветра, поэтому установки не боятся штормовых ветров и легко, без дополнительных мер безопасности, в том числе конструктивных, используются в более широком диапазоне ветров (от 2 до 50 м/сек). С повышением скорости ветра только увеличивается устойчивость (эффект волчка или гироскопа),

· эффективная работа при малых скоростях ветра (3–4 м/сек),

· возможность монтажа установки на различных площадях (крыши зданий, платформы, вышки, мобильные сооружения (бытовки, вагончики и пр.),

· полная бесшумность при всех режимах работы (30 B на расстоянии 5 м при ветре 15 м/с),

· отсутствие необходимости флюгерной системы, ориентирующей винт на ветер, что позволяет установке работать при неустойчивых по направлению ветрах, при резкой смене направления ветра,

· сравнительно малая скорость вращения ротора (до 200 об/мин) увеличивает ресурс работы подшипников, интервал между смазкой движущихся поверхностей, общий ресурс работы,

· возможность использования приземного низового ветра,

· уникальный генератор с контрвращением,

· простота монтажа и технического обслуживания,

Расчет мощности ветрогенератора
Марченко Е.А. Расчет мощности ветрогенератора // XL Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

РАСЧЕТ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА,

Практическое занятие № 4

Цель: ознакомиться с основными параметрами ВЭУ и методикой расчета ветрогенераторов.

Продолжительность занятия – 2 часа

Ход работы:

1. На основании теоретической части работы ознакомится и законспектировать классификацию и особенности строения ветрогенераторов и их технические характеристики.

2. В соответствии с индивидуальным заданием произвести расчет ветрогенератора.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ветрогенераторами называют двигатели, преобразующие энергию ветра в механическую работу. По устройству ветряка и положению его в потоке ветра системы ветродвигателей разделяются на три класса:

1. Крыльчатые ветрогенераторы имеют ветроколесо с тем или иным числом крыльев. Плоскость вращения ветроколеса у крыльчатых ветродвигателей перпендикулярна направлению ветра, следовательно, ось вращения параллельна ветру (рис. 1, а). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей достигает ξ= 0,42.

2. Карусельные и роторные ветрогенераторы имеют ветроколесо (ротор) с лопастями, движущимися в направлении ветра, ось вращения ветроколеса занимает вертикальное положение (рис. 1, б). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей равен от 10 до 18%.

3. Барабанные ветрогенераторы имеют такую же схему ветроколеса, как и роторные, и отличаются от них лишь горизонтальным положением ротора, т. е. ось вращения ветроколеса горизонтальна и расположена перпендикулярно потоку ветра (рис. 1, г). Коэффициент использования энергии ветра этих ветряков от 6 до 8%.

Рис. 1. Системы ветродвигателей: а - крыльчатые ветродвигатели, б) - роторные ветрогенераторы, в - карусельные ветрогенераторы, г - барабанные ветрогенераторы.

Рис. 2 – Ветродвигатель и его основные элементы

Крыльчатый ветродвигатель состоит из следующих элементов (рис. 2):

1. Ветряк может иметь от 2 до 24 лопастей. Ветряки с числом лопастей от 2 до 4 называются малолопастными, если у ветроколеса более 4 лопастей, то оно называется многолопастным.

2. Головка ветродвигателя представляет опору, на которой монтируется вал ветроколеса и верхняя передача (редуктор).

3. Хвост крепится к головке и поворачивает ее около вертикальной оси, устанавливая ветроколесо на ветер.

4. Башня ветродвигателя служит для выноса ветроколеса выше препятствий, нарушающих течение воздушного потока. Маломощные ветродвигатели, работающие на генератор, обычно монтируются на столбе или трубе с растяжками.

5. У основания башни вертикальный вал приключается к нижней передаче (редуктору), которая передает движение рабочим машинам.

6. Регулирование оборотов ветроколеса представляет приспособление или механизм, с ограничивающий обороты ветроколеса с увеличением скорости ветра.

Параметры ветроустановки связаны между собой несложными однозначными физическими зависимостями.

Основные параметры ВЭУ:

Номинальная мощность P ном [Вт, кВт] — мощность, развиваемая ветроустановкой при расчетной скорости ветра,

Расчетная скорость ветра V P [м/с] — скорость, которую принимают для расчета ветровой нагрузки на сооружения при проектировании. В зависимости от класса сооружения в расчет принимается скорость с заданной повторяемостью - 1 раз в год, в 5, 10, 15, 20, 50 и 100 лет,

Диаметр ветротурбины D [м] – отрезок, соединяющий пару наиболее удаленных друг от друга точек ветротурбины, проходящий через ее центр.

Выработка энергии W М [кВт Ч] – количество энергии, вырабатываемое ветротурбиной за определенный промежуток времени (месяц, год), величина, зависящая от средней скорости ветра,

Средняя мощность P СР [кВт] — мощность, при непрерывном поддержании которой, выработка энергии за месяц будет равна реальной.

РАСЧЕТ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
РАСЧЕТ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА, Практическое занятие № 4 Цель: ознакомиться с основными параметрами ВЭУ и методикой расчета ветрогенераторов. Продолжительность занятия – 2 часа Ход

Сейчас довольно широкую популярность приобретают ветряные генераторы. На рынке присутствует великое множество самых разнообразных моделей. Возникает вопрос: как рассчитать мощность ветрогенератора?

Расчет мощности ветрогенератора

В большинстве случаев, процесс целесообразности монтирования ветряных станций будет зависеть от средних скоростей ветра в определенной местности. Монтирование ветряных установок является оправданной при минимальной силе ветра четыре метра в секунду. При скорости ветра девять-двенадцать метров в секунду, ветряная установка будет работать на максимальных оборотах.

Кроме того, мощность таких устройств также зависит от поверхностей используемых лопастей и от диаметрального размера роторного устройства. При известных средних скоростях ветра по данному региону, можно подобрать необходимый генератор, используя определенную величину размера винта.

Расчет производится по формуле: Р=2D*3V/7000 кВт, в которой P является мощностью, D является диаметральным размером винтового устройства, а такой параметр, как V, обозначает силу ветра в метрах в секунду. Но такая формула подходит только для ветрогенераторов горизонтального назначения.

Ветрогенераторы большой мощности: обзор, плюсы и минусы, нюансы

На сегодняшний день могут производиться ветряные устройства, у которых мощность ветрогенератора является достаточно большой. Ветряные установки больших мощностей используются, в основном, для промышленных нужд.

У данных генераторов имеются несомненные преимущества:

• способность обеспечить необходимым количеством энергии даже средние по своей величине поселки,
• использование энергетических ресурсов природного характера, которые просто неограниченны по своим запасам.

Недостатками данных генераторов, да и вообще всех генераторных устройств с применением силы ветра, являются:

• неподконтрольность природных сил,
• слишком быстрое изнашивание аккумуляторных устройств,
• создание довольно большого шума при работе,
• создание разнообразного рода помех для различной аппаратуры.

На данный момент существует великое множество производителей ветровых устройств по производству энергии. Приведем основные:

1. Российский дочерний филиал предприятия «Algatec Solar» (Германия),
2. Отечественная фирма по производству ветряков и других типов оборудования «ЭнерджиВинд»,
3. Московская компания с хорошим по своим качественным характеристикам оборудованием - «Сапсан-Энергия».

Конечно же, существуют и другие компании данного направления, но их перечисление займет слишком много времени.

Ветрогенераторы малой мощности

Для обеспечения дополнительных нужд электропитания в частном хозяйстве и на малых предприятиях, могут применяться ветрогенераторы малых мощностей.

Ветрогенераторы малой мощности

Генератор с малой мощностью не сможет в полной мере обеспечить частный дом необходимой энергией, но вот в качестве дополнительного источника питания (в случаях с постоянными отключениями электричества) помочь могут. На малых предприятиях, также в качестве дополнительных источников, могут монтироваться несколько генераторов с маленькой мощностью.

На данный момент существуют даже модели переносных ветрогенераторов небольшой производительности. Мощностей таких переносных устройств вполне хватает для процесса освещения: можно использовать один-два электроприбора. Такие переносные модели имеют небольшой вес и просты в монтаже.

Промышленные ветрогенераторы большой мощности

Для промышленных масштабов потребления электричества применяются ветряные станции с большой мощностью. В большинстве случаев, такие генераторы просто огромны.

Промышленные ветрогенераторы - когда требуются большие результаты

Кроме того, обычно применяется расположение данных установок в обширных долинах, могут устанавливаться в достаточно пустынных местностях, есть даже варианты морских плантаций с ветряками.

Особенно большое распространение такие огромные долины с ветряками получили в европейских странах и на американском континенте.

В США существует огромное количество мест с расположенными ветряными станциями промышленных масштабов.

Ветрогенераторы разных типов мощности и их особенности
Сейчас довольно широкую популярность приобретают ветряные генераторы. Возникает вопрос: как рассчитать мощность ветрогенератора без ошибок?