Kako izvršiti proračun vjetrogeneratora: formule + praktični primjer proračuna

Alternativna energija dobivena iz vjetroelektrana izaziva veliko zanimanje u društvu. To potvrđuju brojni primjeri iz stvarne kućne prakse.

Vlasnici prigradskih nekretnina grade vjetrenjače vlastitim rukama i zadovoljni su postignutim rezultatom, premda učinak može biti i kratkotrajan. Razlog – pri sastavljanju nije pravilno izvršen proračun vjetrogeneratora.

Složit ćete se, ne biste željeli, utrošivši vrijeme i sredstva na realizaciju projekta, dobiti nisko učinkovitu instalaciju. Stoga je važno razumjeti kako izvršiti proračun vjetrogeneratora i prema kojim parametrima odabrati glavne radne dijelove vjetrenjače.

Rješavanju tih pitanja posvećen je ovaj članak. Teorijski dio materijala dopunjen je zornim primjerima i praktičnim preporukama za sastavljanje vjetrogeneratorske instalacije.

Proračun vjetrogeneratorske instalacije

Odakle započeti s izračunom sustava za proizvodnju električne energije iz energije vjetra? S obzirom na to da je riječ o vjetrogeneratoru, logično je prvo analizirati ružu vjetrova u konkretnom području.

Takvi proračunski parametri kao što su brzina vjetra i njegov karakteristični smjer za dato područje – to su važni proračunski parametri. Oni u određenoj mjeri određuju razinu snage vjetrogeneratora koja će biti stvarno dostižna.

Vjetrogeneratore takve snage teško je i zamisliti. No takve konstrukcije postoje i učinkovito rade. Međutim, proračuni takvih konstrukcija pokazuju relativno malu snagu u usporedbi s tradicionalnim izvorima energije.

Karakteristično je da je ovaj proces dugotrajan (ne manje od 1 mjeseca), što je sasvim očito. Izračunati maksimalno vjerojatne parametre brzine vjetra i njegov najčešći smjer nije moguće jednim ili dva mjerenja.

Bit će potrebno obaviti desetke mjerenja. Ipak, taj je postupak doista nužan ako postoji želja za izgradnjom učinkovitog proizvodnog sustava.

Kako izračunati snagu vjetrenjače

Kućanskim vjetrogeneratorima, posebno onima izrađenim vlastitim rukama, još nije pošlo za rukom iznenaditi ljude visokim snagama. To je i razumljivo. Dovoljno je zamisliti masivni jarbol visok 8-10 m, oprjemljen generatorom s rasponom lopatica propelera većim od 3 m. A to nije najsnažnija instalacija. Svega oko 2 kW.

Za održavanje vjetrogeneratora takve snage koriste se helikopteri i timovi stručnjaka koji broje i do deset ljudi. Za izračun takvog energetskog postrojenja angažira se još veći broj izvršitelja.

Inače, ako se oslonimo na standardnu tablicu koja prikazuje odnos snage vjetrogeneratora i potrebnog raspona lopatica propelera, ima se čemu začuditi. Prema tablici, za vjetrogenerator snage 10 W potreban je propeler od dva metra.

Za konstrukciju od 500 W potreban je već rotor promera 14 m. Pritom parametar raspona lopatica ovisi o njihovu broju. Što je više lopatica, to je manji raspon.

No to je samo teorija koja vrijedi za brzinu vjetra koja ne prelazi 4 m/s. U praksi je sve nešto drugačije, a snaga kućanskih instalacija, koje stvarno rade dulje vrijeme, nikad nije prelazila 500 W.

Stoga je izbor snage ovdje obično ograničen na raspon od 250-500 W pri prosječnoj brzini vjetra od 6-8 m/s.

Tablica ovisnosti snage vjetroenergetskog sustava o promjeru radnog rotora i broju lopatica. Ova se tablica može primijeniti za proračune, ali uzimajući u obzir da je sastavljena uz parametar brzine vjetra do 4 m/s (+).

S teoretskog stajališta, snaga vjetroelektrane izračunava se prema formuli:

N=p*S*V³/2,

gdje:

• p – gustoća zračnih masa;
• S – ukupna obuhvaćena površina lopatica propelera;
• V – brzina zračne struje;
• N – snaga zračne struje.

Budući da je N parametar koji ključno utječe na snagu vjetrogeneratora, stvarna snaga uređaja bit će blizu izračunate vrijednosti N.

Proračun propelera vjetroelektrana

Pri konstruiranju vjetroturbine obično se koriste dvije vrste propelera:

• lopatični – rotacija u horizontalnoj ravnini;
• Savoniusov rotor, Darrieusov rotor – rotacija u vertikalnoj ravnini.

Konstrukcije propelera s rotacijom u bilo kojoj ravnini mogu se izračunati pomoću formule:

Z= L*W/60/V

gdje:

• Z – stupanj brzohodnosti (sporohodnosti) propelera;
• L – duljina kružnice koju opisuju lopatice;
• W – brzina (frekvencija) rotacije propelera;
• V – brzina zračne struje.

Polazeći od ove formule, lako se može izračunati broj okretaja W – brzina rotacije.

Ovako izgleda konstrukcija propelera pod nazivom 'Darrieusov rotor'. Ova se varijanta propelera smatra učinkovitom za izradu vjetrogeneratora male snage i veličine. Proračun propelera ima neke posebnosti.

Radni omjer okretaja i brzine vjetra može se pronaći u tablicama koje su dostupne na internetu. Na primjer, za propeler s dvije lopatice i Z=5 vrijedi sljedeći omjer:

Također, jedan od važnih pokazatelja propelera vjetroturbine je korak.

Ovaj se parametar može odrediti pomoću formule:

H=2πR* tg α,

gdje:

• 2π – konstanta (2*3.14);
• R – polumjer koji opisuje lopatica;
• tg α – kut presjeka.

Dodatne informacije o odabiru oblika i broja lopatica, kao i upute za njihovu izradu, dane su u ovom članku.

Odabir generatora za vjetrenjače

Imajući izračunatu vrijednost broja okretaja propelera (W) dobivenu gore opisanom metodom, možete odabrati (izraditi) odgovarajući generator.

Na primjer, pri stupnju brzohodnosti Z=5, broju lopatica 2 i frekvenciji okretaja 330 okr/min. Pri brzini vjetra 8 m/s. snaga generatora trebala bi biti približno 300 W.

Generator vjetroenergetske instalacije 'u presjeku'. Ilustrativan primjer jedne od mogućih konstrukcija generatora za kućni vjetroenergetski sustav, sastavljen samostalno.

Uz takve parametre, prikladan izbor kao generator za kućnu vjetroelektranu može biti motor koji se koristi u konstrukcijama modernih električnih bicikala. Tradicionalni naziv dijela je velomotor (proizvodnja NR Kine).

Ovako izgleda električni biciklistički motor na temelju kojeg se predlaže izrada generatora za kućni vjetrenjač. Konstrukcija biciklističkog motora idealno je prikladna za ugradnju gotovo bez proračuna i dorada. Međutim, njihova snaga nije velika.

Karakteristike električnog biciklističkog motora otprilike su sljedeće:

Pozitivna značajka biciklističkih motora je da ih praktički nije potrebno preinačavati. Konstrukcijski su razvijeni kao elektromotori s malim brojem okretaja i uspješno se mogu primijeniti za vjetrogeneratore.

Za izradu vjetrenjača može se koristiti automobilski generator ili sastaviti agregat iz perilice rublja.

Proračun i odabir kontrolera punjenja

Kontroler punjenja akumulatora potreban je za vjetroelektranu bilo koje vrste, uključujući kućnu konstrukciju.

Proračun ovog uređaja svodi se na odabir električne sheme uređaja koja bi odgovarala proračunskim parametrima vjetrovnog sustava.

Od ovih parametara glavni su:

• nazivni i maksimalni napon generatora;
• maksimalno moguća snaga generatora;
• maksimalno moguća struja punjenja akumulatora;
• napon na akumulatoru;
• temperatura okolnog zraka;
• razina vlažnosti okoline.

Na temelju prikazanih parametara, provodi se sastavljanje kontrolera punjenja vlastitim rukama ili odabir gotovog uređaja.

Kontroler punjenja akumulatora koji se koriste u sastavu vjetroelektrane. Uređaj industrijske proizvodnje, pri čijem odabiru je potrebno samo pažljivo proučiti tehničke karakteristike radi točnog usklađivanja s postojećim sustavom.

Naravno, poželjno je odabrati (ili sastaviti) uređaj čija bi shema osiguravala funkciju lakog pokretanja u uvjetima slabog strujanja zraka. Kontroler, predviđen za rad s baterijama različitog napona (12, 24, 48 volti) također je samo poželjan.

Konačno, pri proračunu (odabiru) sheme kontrolera, preporučuje se ne zaboraviti na postojanje funkcije poput upravljanja inverterom.

Odabir akumulatorske baterije za sustav

U praksi se koriste akumulatori različitih tipova i gotovo svi su sasvim prikladni za korištenje u sastavu vjetroenergetskog sustava. No konkretan izbor ipak će se morati napraviti. Ovisno o parametrima sustava vjetroturbine, odabir akumulatora vrši se prema naponu, kapacitetu i uvjetima punjenja.

Tradicionalnim komponentama za kućne vjetroturbine smatraju se klasične olovno-kiselinske baterije. One su pokazale dobre rezultate u praktičnom smislu. Osim toga, cijena ove vrste baterija prihvatljivija je u usporedbi s drugim vrstama.

Olovno-kiselinske baterije posebno su nezahtjevne prema uvjetima punjenja/pražnjenja, ali ih je nedopustivo uključiti u sustav bez kontrolera.

Uz prisutnost profesionalno izrađenog kontrolera punjenja u sastavu vjetrogeneratorne instalacije, koji ima cjelovit sustav automatike, racionalnim se čini primjena akumulatora tipa AGM ili gel baterija.

Blok akumulatora kućnog vjetrogeneratora. Nije najbolja opcija rada, s obzirom na kaos od žica i zahtjeve za skladištenje. U takvom stanju spremnika energije ne može se računati na njihovo dugoročno djelovanje.

Obje vrste spremnika energije karakterizira veća učinkovitost i dug vijek trajanja, ali postavljaju visoke zahtjeve prema uvjetima punjenja.

Isto se odnosi i na takozvane oklopne gel baterije. No izbor ovih akumulatora za kućnu vjetroturbinu znatno je ograničen cijenom. Međutim, vijek trajanja ovih skupih baterija najduži je u odnosu na sve druge vrste.

Ovi akumulatori ističu se također većim ciklusom punjenja/pražnjenja, ali pod uvjetom korištenja kvalitetnog uređaja za punjenje.

Proračun pretvarača za kućnu vjetrenjaču

Odmah treba naglasiti: ako konstrukcija kućne energetske vjetroelektrane sadrži jedan akumulator od 12 volti, smisao postavljanja invertera u takav sustav potpuno je isključen.

U prosjeku potrošena snaga kućanstva iznosi najmanje 4 kW pri vršnim opterećenjima. Otuda zaključak: količina akumulatorskih baterija za takvu snagu mora biti najmanje 10 komada i po mogućnosti za napon od 24 volta. Za toliki broj akumulatora već ima smisla instalirati inverter.

Međutim, kako bi se u potpunosti opskrbilo energijom 10 akumulatora s naponom od 24 W svaki i stabilno održavalo njihovo punjenje, potrebna je vjetrenjača snage najmanje 2-3 kW. Očito, za jednostavne kućne konstrukcije tolika snaga nije dostižna.

Inverter male snage (600 W) koji se može koristiti za malu kućnu energetsku instalaciju. Od takvog uređaja naponom od 220 volti moguće je napajati televizor ili mali hladnjak. Za žarulje u lusteru struja više neće biti dovoljna.

Ipak, snagu invertera moguće je izračunati na sljedeći način:

1. Zbrojiti snagu svih potrošača.
2. Odrediti vrijeme potrošnje.
3. Odrediti vršno opterećenje.

Na konkretnom primjeru to će izgledati ovako.

Neka su kao opterećenje prisutni kućanski električni uređaji: žarulje za rasvjetu – 3 kom. po 40 W, televizijski prijamnik – 120 W, kompaktni hladnjak 200 W. Zbrajamo snagu: 3*40+120+200 i dobivamo 440 W.

Odredimo snagu potrošača za prosječno vremensko razdoblje od 4 sata: 440*4=1760 W. Na temelju dobivene vrijednosti snage prema vremenu potrošnje, logičnim se čini odabir invertera između takvih uređaja s izlaznom snagom od 2 kW.

Oslanjajući se na tu vrijednost, izračunava se volt-amperska karakteristika potrebnog uređaja: 2000*0,6=1200 V/A.

Klasična shema proizvodnje i distribucije energije dobivene iz vjetrogeneratora kućanskog tipa. Međutim, kako bi se dugotrajno opskrbilo energijom toliki broj uređaja, potrebna je dovoljno snažna instalacija (+)

Stvarno opterećenje kućanstva za obitelj od tri osobe, koja ima potpunu opremu kućanskih aparata, bit će veće od izračunatog u primjeru. Obično i po vremenu priključenja opterećenja parametar prelazi uzeta 4 sata. Sukladno tome, bit će potreban snažniji pretvarač vjetroenergetskog sustava.

Prethodni proračun vjetroturbine koristan je ne samo za njezinu samostalnu montažu. Odrediti se za optimalne parametre potrebno je i pri odabiru gotovog vjetrogeneratora.

Zaključci i koristan video na temu

Kako se provodi analiza polaznih podataka i kako se primjenjuju formule, prikazano je na videu:

Korištenje proračunskih podataka potrebno je u svakom slučaju. Bilo da se radi o industrijskom energetskom postrojenju ili izrađenom za kućanske uvjete, proračun svakog sklopa uvijek donosi maksimalnu učinkovitost uređaja i, što je najvažnije, sigurnost rada.

Prethodno izvedeni proračuni određuju svrhovitost provedbe projekta, pomažu utvrditi koliko je projekt skup ili ekonomičan.

Imate li iskustva u rješavanju sličnih zadataka? Ili imate pitanja o temi? Molimo podijelite svoje vještine proračuna i projektiranja vjetrogeneratora. Komentare i pitanja možete ostaviti u obrascu koji se nalazi ispod.