Hogyan számítsa ki a szélgenerátort: képletek + gyakorlati számítási pél

A szélenergiából nyert alternatív energía iránti társadalmi érdeklődés magas. Ennek a gakorlati használat szintjén számos bizonyíték van.

A vidéki ingatlanok tulajdonosai saját kézzel építenek szélmalmokat, és elégedettek az eredménnyel, bár a hatás néha rövid életű. Ennek oka – az összeszerelés során a szélgenerátort nem megfelelően számították ki.

Egyetért, hogy nem szeretne időt és pénzt áldozni a projekt megvalósítására, majd alacsony hatékonyságú berendezést kapni. Ezért fontos megérteni, hogyan kell kiszámítani a szélgenerátort, és milyen paraméterek alapján válassza ki a szélerőmű fő működő egységeit.

E cikk e kérdések megoldását szolgálja. Az elméleti részt szemléletes példák és gyakorlati ajánlások egészítik ki a szélgenerátor-berendezés összeszereléséhez.

A szélgenerátor-berendezés kiszámítása

Hol kezdje el a szélenergia-termelés rendszerének kiszámítását? Tekintve, hogy szélgenerátorról van szó, logikusnak tűnik az adott terület szélrózsájának előzetes elemzése.

Az olyan számítási paraméterek, mint a szélsebesség és az adott területre jellemző szélirány, fontos számítási paraméterek. Ezek bizonyos mértékben meghatározzák a szélgenerátor valóban elérhető teljesítményszintjét.

Az ilyen teljesítményű szélgenerátorokat még elképzelni is nehéz. De ilyen konstrukciók léteznek és hatékonyan működnek. Az ilyen szerkezetek számításai azonban viszonylag kis teljesítményt mutatnak a hagyományos energiaforrásokhoz képest.

Figyelemre méltó, hogy ez a folyamat hosszú távú (legalább 1 hónap), ami teljesen nyilvánvaló. A szélsebesség maximálisan valószínű értékeit és a leggyakoribb irányát egy vagy két méréssel lehetetlen meghatározni.

Több tucat mérést kell végezni. Mindazonáltal ez a művelet valóban szükséges, ha hatékony, termelékeny rendszert akarunk építeni.

Hogyan számítsa ki a szélmalom teljesítményét

A háztartási célú szélgenerátorok, különösen a saját kezűleg készítettek, még nem lepték meg az embereket nagy teljesítménnyel. Érthető. Csak képzeljünk el egy 8-10 m magas masszív árbócot, amely egy 3 m-nél nagyobb rotorátmérőjű generátorral van felszerelve. És ez nem is a legerősebb berendezés. Mindössze körülbelül 2 kW.

Az ilyen teljesítményű szélkerekek karbantartásához helikoptereket és akár tízfős szakemberbrigádokat is bevetnek. Egy ilyen energiaberendezés kiszámításához még több szakembert vesznek igénybe.

Általában, ha a szélgenerátor teljesítménye és a szükséges lapátfesztávolság közötti összefüggést mutató szabványos táblázatra támaszkodunk, van min meglepődni. A táblázat szerint egy 10 W-os szélkerékhez kétméteres propellerre van szükség.

Az 500 W-os kivitelhez már 14 m átmérőjű propellerre van szükség. A lapátfesztávolság paraméter pedig a lapátok számától függ. Minél több lapát van, annál kisebb a fesztávolság.

De ez mindössze elmélet, amit a 4 m/s-ot meg nem haladó szélsebességgel határoznak meg. A gyakorlatban minden kissé másként alakul, és a ténylegesen hosszú ideig működő háztartási berendezések teljesítménye még soha nem lépte át az 500 W-ot.

Ezért a teljesítmény választása itt általában 250-500 W közötti tartományra korlátozódik, 6-8 m/s átlagos szélsebességnél.

A szélenergia-rendszer teljesítményének a munkapropeller átmérőjétől és a lapátok számától való függését bemutató táblázat. Ez a táblázat használható számításokhoz, de figyelembe kell venni, hogy legfeljebb 4 m/s szélsebességi paraméterre készült (+).

Elméleti szempontból a szélenergia-erőmű teljesítményét a következő képlettel számítják:

N=p*S*V³/2,

ahol:

• p – a légtömegek sűrűsége;
• S – a légcsavar lapátjainak teljes légáramlási felülete;
• V – a légáramlás sebessége;
• N – a légáramlás teljesítménye.

Mivel az N olyan paraméter, amely alapvetően befolyásolja a szélturbina teljesítményét, a berendezés tényleges teljesítménye közel lesz az N számított értékéhez.

A szélberendezések légcsavarjának kiszámítása

A szélturbina tervezésekor általában kétféle légcsavart alkalmaznak:

• lapátos – forgás vízszintes síkban;
• Savonius-rotor, Darrieus-rotor – forgás függőleges síkban.

A bármelyik síkban forgó légcsavarok kialakítása kiszámítható a következő képlettel:

Z= L*W/60/V

ahol:

• Z – a légcsavar gyorsjárási (lassújárási) foka;
• L – a lapátok által leírt kör hossza;
• W – a légcsavar forgási sebessége (frekvenciája);
• V – a légáramlás sebessége.

Ebből a képletből kiindulva könnyen kiszámítható a W fordulatszám – a forgási sebesség.

Ilyen a „Darrieus-rotor” nevű légcsavar szerkezete. Ez a légcsavarváltozat hatékonynak tekinthető kis teljesítményű és méretű szélturbinák gyártásánál. A légcsavar számításának vannak bizonyos sajátosságai.

A fordulatszám és a szélsebesség közötti munkakapcsolat megtalálható az interneten elérhető táblázatokban. Például egy kétlapátos légcsavar esetén, ahol Z=5, a következő összefüggés érvényes:

A szélturbina légcsavarának egyik fontos jellemzője a menetemelkedés.

Ezt a paramétert a következő képlet segítségével lehet meghatározni:

H=2πR* tg α,

ahol:

• 2π – állandó (2*3.14);
• R – a lapát által leírt sugár;
• tg α – a metszet szöge.

További információk a lapátok alakjának és számának kiválasztásáról, valamint a gyártásukra vonatkozó utasítások ebben a cikkben találhatók.

Generátorok kiválasztása szélmalmokhoz

A légcsavar fordulatszámának (W) a fenti módszerrel kapott számított értékének birtokában már kiválasztható (elkészíthető) a megfelelő generátor.

Például Z=5 gyorsjárási fok, 2 lapát, 330 ford/perc fordulatszám és 8 m/s szélsebesség esetén a generátor teljesítményének kb. 300 W-nak kell lennie.

A szélerőmű-generátor „metszetben”. Szemléltető példány az egyik lehetséges generátorkonstrukcióból egy házi szélenergia-rendszerhez, amelyet önállóan szereltek össze.

Ilyen paraméterek mellett a háztartási szélerőmű generátoraként megfelelő választás lehet a modern elektromos kerékpárokban használt motor. A hagyományos elnevezés: kerékpármotor (Kínai Népköztársaság gyártása).

Így néz ki az elektromos kerékpármotor, amely alapján háztartási szélgenerátort lehet építeni. A kerékpármotor szerkezete szinte számítások és átalakítások nélkül ideális a beépítésre. A teljesítményük azonban nem nagy.

Az elektromos kerékpármotor jellemzői körülbelül a következők:

A kerékpármotorok pozitív tulajdonsága, hogy szinte semmilyen átalakítást nem igényelnek. Szerkezetileg alacsony fordulatszámú villanymotorként tervezték őket, és sikeresen alkalmazhatók szélgenerátorokhoz.

A szélturbina elkészítéséhez használható autó generátor, vagy összeállítható mosógépből készült egység.

A töltésvezérlő kiszámítása és kiválasztása

Az akkumulátor töltésvezérlője minden típusú szélenergia-rendszerhez szükséges, beleértve a háztartási kiviteleket is.

Ennek az eszköznek a számítása a készülék olyan elektromos sémájának kiválasztására szorítkozik, amely megfelel a szélrendszer számított paramétereinek.

Ezek közül a legfontosabb paraméterek:

• a generátor névleges és maximális feszültsége;
• a generátor lehetséges maximális teljesítménye;
• az akkumulátor lehetséges maximális töltőárama;
• az akkumulátor feszültsége;
• a környező levegő hőmérséklete;
• a környező páratartalom szintje.

A megadott paraméterek alapján történik a töltésvezérlő összeszerelése saját kézzel, vagy kész eszköz kiválasztása.

A szélenergia-rendszer részeként használt akkumulátorok töltésvezérlője. Ipari gyártású készülék, amelynek kiválasztásakor csak gondosan tanulmányozni kell a műszaki jellemzőket a meglévő rendszerrel való pontos összehangolás érdekében.

Természetesen ajánlatos olyan eszközt választani (vagy összeállítani), amelynek áramköre biztosítja a könnyü indítás funkcióját gyenge légáramlatok esetén. A különbözö feszültségu (12, 24, 48 voltos) akkumulátorokkal való használatra tervezett vezerlö is kifejezetten ajánlott.

Végül, a vezerlö áramkörének kiszámításaka (kiválasztásaka) ajánlott nem megfeledkezni az olyan funkciók jelenlétéröl, mint az inveter vezerlése.

Az akkumulátor kiválasztása a rendszerhez

A gyakorlatban különbözö típusú akkumulátorokat használnak, és szinte mindegyik alkalmas a szélenergia-rendszerben való használatra. De a konkrét választást mindenképpen meg kell hozni. A szélturbina rendzer paramétereitöl függöen az akkumulátor kiválasztása feszültség, kapacitás és töltési feltételek alapján történik.

A háztartási szélturbinák hagyományos alkatrészei a klasszikus ólom-savas akkumulátorok. Gyakorlati szempontból jó eredményeket mutattak. Ráadásul az ilyen típusú akkumulátorok ára kedvezöbb más típusokhoz képest.

Az ólom-savas akkumulátorok különösen igénytelenek a töltési/kisütési körülményekre, de elfogadhatatlan, hogy vezérlő nélkül illesszék be a rendszerbe.

Ha a szélgenerátor-berendezésben professzionálisan elkészített töltésvezérlő található, teljes automatizálási rendszerrel, akkor ésszerűnek tűnik az AGM vagy gél típusú akkumulátorok használata.

A háztartási szélgenerátor akkumulátorblokkja. Nem a legjobb üzemeltetési változat, tekintettel a kábelek káoszára és a tárolási követelményekre. Az energiatárolók ilyen állapota mellett nem számíthatunk hosszú távú működésükre.

Mindkét energiatároló típust nagyobb hatékonyság és hosszú élettartam jellemzi, de magas követelményeket támasztanak a töltési körülményekkel szemben.

Ugyanez vonatkozik az úgynevezett páncélozott gél típusú akkumulátorokra. De ezeknek az akkumulátoroknak a kiválasztását a háztartási szélturbinához jelentősen korlátozza az ár. Azonban ezeknek a drága akkumulátoroknak az élettartama a leghosszabb az összes többi típushoz képest.

Ezek az akkumulátorok kiemelkednek a jelentősebb töltési/kisütési ciklussal is, de csak akkor, ha minőségi töltőberendezést használnak hozzájuk.

Az inverter kiszámítása házi szélmalomhoz

Először is tisztázni kell: ha a házi szélenergia-berendezés konstrukciója egyetlen 12 voltos akkumulátort tartalmaz, akkor az inverter ilyen rendszerbe való beépítésének semmi értelme.

Átlagosan egy háztartás energiafogyasztása csúcsterheléskor legalább 4 kW. Ebből az a következtetés vonható le, hogy az akkumulátorok számának ilyen teljesítmény mellett legalább 10 darabnak kell lennie, és lehetőleg 24 voltos feszültségűek legyenek. Ilyen mennyiségű akkumulátor esetén már van értelme invertert telepíteni.

Ahhoz azonban, hogy 10 darab, egyenként 24 voltos akkumulátort teljes mértékben ellássunk energiával és stabilan fenntartsuk a töltésüket, legalább 2-3 kW teljesítményű szélgenerátorra van szükség. Nyilvánvaló, hogy az egyszerű háztartási konstrukciók nem bírnak el ekkora teljesítményt.

Egy kis teljesítményű (600 W) inverter, amely házi kis energiatermelő berendezéshez használható. Ilyen eszközről 220 voltos feszültséggel televíziót vagy kisméretű hűtőszekrényt lehet táplálni. A csillár lámpáira már nem jut elég áram.

Ennek ellenére az inverter teljesítménye a következőképpen számítható ki:

1. Összegezni kell az összes fogyasztó teljesítményét.
2. Meg kell határozni a fogyasztás időtartamát.
3. Meg kell határozni a csúcsterhelést.

Egy konkrét példán keresztül ez így néz ki.

Tegyük fel, hogy a terhelés háztartási elektromos készülékekből áll: világítási lámpák – 3 darab, egyenként 40 W, televíziókészülék – 120 W, kompakt hűtőszekrény 200 W. Összegezzük a teljesítményt: 3*40+120+200, így 440 W-ot kapunk.

Határozzuk meg a fogyasztók teljesítményét 4 órás átlagos időtartamra: 440*4=1760 W. A kapott időbeli fogyasztási teljesítmény alapján logikusnak tűnik olyan inverter választása, amelynek kimeneti teljesítménye legalább 2 kW.

Erre az értékre támaszkodva számítjuk ki a kívánt készülék volt-amper karakterisztikáját: 2000*0,6=1200 V/A.

A klasszikus séma a háztartási típusú szélgenerátorból nyert energia előállítására és elosztására. Ahhoz azonban, hogy ilyen menyiségű készülékét hosszú táon energiával lássuk el, egy elég erős telepí­tésre van szükség (+).

Valójában egy háromfős család háztartásának terhelése, ahol teljes körű háztartási gépekekel való felszerteltség van, magasabb lesz, mint a példában szamí­tott. Általában a terhelés csatlakoztatásának idő­tartamát te­kintve a paraméter is meghaladja a felvett 4 órát. Ennek megfelelően a szélenergía-re­nd­szer inverterének erősebbnek kell lennie.

A szélkerék előzetes számítása nem cska az önálló összeszer­eléséhez hasz­nos. Az optimálís paraméterek meghatározása szükséges a kész szélgenerátor kiválasztásánál is.

Következtetések és hasznos vidéó a témából

Hogyan történik a kiinduló adatok elemzése, és hogyan alkalmazzák a képleteket, a videón látható:

A számított adatok használata mindenképpen szükséges. Legyen szó ipari energiarendszerről vagy háztartási körülményekre készített berendezésről, az egyes elemek számítása mindig magában hordozza a készülék maximális hatékonyságát és ami a legfrontosabb – az üzemeltetés biztonságát.

Az előzőleg elvégzett számítások meghatározzák a projekt megvalósításának célszerűségét, segítenek megállapítani, mennyire költséges vagy gazdaságos a projekt.

Van tapasztalata hasonló feladatok megoldásában? Vagy maradtak kérdései a témával kapcsolatban? Kérjük, ossza meg a szélgenerátor számításával és tervezésével kapcsolatos készségeit. A hozzászólásokat az alábbi űrlapon hagyhatja, és kérdéseket tehet fel.