Расчет генератора для ветряка - ELSTROIKOMPLEKT.RU

Расчет генератора для ветряка

Точные расчеты для катушек ветрогенератора: намотка генератора для устройства

Обновлено: 13 января 2021

  • Изготовление ветряка
  • Уточняем тип конструкции
  • Как производится расчет генератора?
  • Расчеты для катушек
  • Намотка генератора
  • Рекомендуемые товары

Изготовление ветряка

Изготовление ветрогенератора своими руками состоит из двух этапов. Первый — создание вращающейся турбины (крыльчатки), работа слесарная, с материалами и инструментами. Вторым этапом становится создание генератора, процедура не менее ответственная и требующая тщательности и наличия определенного опыта и знаний. При этом, изготовление генератора «на глазок» никаких полезных результатов не принесет.

Необходим расчет, позволяющий совместить характеристики крыльчатки и генератора, дающий возможность получить представление о характеристиках создаваемого устройства. Рассмотрим порядок расчета и величины, которые необходимы для его выполнения.

Уточняем тип конструкции

Прежде, чем начать расчет, следует определиться с количеством фаз генератора. Однофазные устройства выдают неравномерное напряжение, имеющее скачки амплитуды.

Если ветряк планируется использовать для питания несложных и нетребовательных механизмов или освещения, то можно обойтись однофазным генератором, но для полного комплекса оборудования — аккумуляторные батареи, инвертор — понадобится трехфазное устройство. Иначе оборудование будет получать неравномерное напряжение, что скажется на его работе и состоянии весьма отрицательно.

Кроме того, однофазные генераторы имеют одинаковое количество катушек и магнитов, из-за чего при работе постоянно гудят. При набегании магнита катушка начинает активно сопротивляться, что вызывает заметную вибрацию, опасную для конструкции генератора и всего ветряка. Затем надо уточнить особенности конструкции.

Наиболее эффективным и достаточно простым типом является генератор на неодимовых магнитах. Они обладают значительной магнитной индукцией, имеют удобные размеры. Генераторы на неодимовых магнитах достаточно просты в изготовлении и хорошо показывают себя в работе.

Заодно надо решить, как будет создан генератор — путем модернизации готового устройства (например, автомобильного генератора), или создан дисковый генератор «с нуля». Преимуществом готовых устройств является наличие качественного корпуса, ротора и всех необходимых элементов. Но понадобится переточить ротор под магниты, для чего понадобится обращаться к токарю.

Кроме того, размер обмоток, способных поместиться в пазы корпуса, ограничен, поэтому каких-то глобальных изменений в конструкцию внести не удастся. Дисковые самодельные генераторы могут иметь любые размеры, что позволяет изготовить наиболее приспособленный для имеющихся замыслов образец.

Как производится расчет генератора?

Основная формула расчета ЭДС генератора выглядит следующим образом:

V — Линейная скорость движения магнитов (М/с).

B — Магнитная индукция магнитов (Тл).

L — Активная длина проводника (м)

Используя формулу можно получить значение ЭДС генератора для определенной скорости движения (вращения) ротора. Некоторую сложность представляет собой определение величины магнитной индукции. Точного значения найти вряд ли удастся, поэтому обычно принимают значение, равное 0,8 Тл. Или, как вариант, измеряют величину зазора между магнитами и катушками статора. Считается, что зазор размером в толщину магнита обеспечивает магнитную индукцию в 1 Тл. Если зазор увеличивается, то величина индукции падает.

Активная длина проводника — это длина провода обмоток, накрытая магнитами. То есть, та часть обмоток, которая попадает в магнитное поле. Поэтому изготовление слишком больших катушек нецелесообразно, их размер должен максимально коррелировать с величинами магнитов. Для круглых магнитов на немагнитном основании активная длина принимается равной диаметру магнита, а при использовании железного статора активная длина принимается равной ширине статора, так как он весь становится сплошным магнитом.

Следует учитывать, что на аксиальных генераторах общая длина провода, использованного при намотке катушек, примерно в 2 раза больше активной длины проводника, используемой при расчетах. В этом кроется распространенная ошибка, когда при расчетах в формулу подставляется полная длина провода, что дает неверный, увеличенный результат.

Исходя из приведенной формулы можно сделать вывод — при прочих равных условиях можно увеличить ЭДС, изготавливая дисковые генераторы с большим диаметром диска. Линейная скорость магнитов увеличится, и устройство даже на низких скоростях будет вырабатывать неплохое напряжение. Однако, генератор с высоким напряжением — не самоцель, устройство должно вырабатывать именно то количество тока, какое подойдет для качественной зарядки аккумуляторов.

Нерационально создавать ветряк, если большая часть выработанного тока будет сбрасываться на балластную нагрузку. Кроме того, необходимо заранее выяснить преобладающую скорость ветра в регионе и вычислить оптимальную скорость вращения крыльчатки. В противном случае можно получить генератор, дающий слишком высокое напряжение, чреватое закипанием аккумуляторов.

Расчеты для катушек

Количество катушек должно быть кратным количеству фаз и соответствовать периодичности изменения полюсности магнитов. Для однофазных генераторов оно должно быть кратно 2 или 4, для трехфазных — кратно 3. Обычно трехфазные генераторы оборудуются 18, 24, 30 и т.д. катушками. Обычно используют соотношение числа полюсов и катушек 2:3, т.е. при 12 полюсах делают 18 катушек. Также используется обратное соотношение 4:3, когда размер магнитов невелик и их больше, чем катушек.

Для генераторов, переделанных из автомобильных устройств, можно обойтись и без расчета, поскольку пазы, созданные для укладки обмоток, имеют ограниченный размер. Обычно удаляют старые обмотки и наматывают новые, более тонким проводом для увеличения числа витков, причем, имеющиеся пазы заполняют проводом полностью. в таких условиях расчет не имеет принципиального смысла, так как в существующие гнезда войдет только определенное количество витков.

Для дисковых (аксиальных) генераторов, которые имеют широкое распространение в самодельных комплектах из-за своей простоты и надежности, количество витков катушек ограничивается только целесообразностью и необходимостью. Следует учесть, что количество витков можно уменьшить, увеличивая площадь витка.

Результат будет примерно одинаковым, но количество провода уменьшится. При этом, чем больше площадь, тем меньше полезная (активная) длина проводника, поэтому следует искать оптимальное соотношение между размерами, числом витков и толщиной провода в катушках. Обычно делается около 80-100 витков, более точное соотношение следует рассчитать исходя из собственных параметров и данных.

Намотка генератора

По классической схеме намотка катушек генератора производится в одну сторону. Это необходимо для того, чтобы ток протекал в одну сторону, иначе получится короткое замыкание и перегрев генератора. При этом, на аксиальных генераторах используется чередование направления намотки катушек, когда одна мотается по часовой стрелке, другая — против, затем снова по часовой стрелке и т.д.

Размер катушек должен соответствовать размеру магнитов — центральное отверстие примерно соответствует величине магнита. Оптимальная форма катушки слегка вытянута по направлению к центру диска, хотя многие используют круглые формы. Намотка трехфазных катушек ведется по принципу «одна через две», т.е. каждая катушка одной фазы имеет по две катушки других фаз по соседству. Производится соединение «звездой», позволяющее стабилизировать отдачу и получить более ровные показатели тока по амплитуде.

Расчет генератора для ветряка

Сам генератор для ветрогенератора можно рассчитать по формуле: Е = 2fnmNBS.
Обозначения:
f — число оборотов в секунду ротора с магнитами [ об/с ]
n — число магнитов
m — число катушек на одной фазе,
если генератор однофазный, то просто число катушек
N — число витков на катушке
B — магнитная индукция в зазоре[ Тл ]
S — площадь магнита с которой магнитный поток снимается в катушку, если
магнит больше полюсного наконечника, то площадь наконечника.[ м2 ]

Соотношение магнит/катушка для трехфазного генератора должно быть 4/3 или 2/3.
Для однофазного 1/1.

Пример расчета аксиального генератора.
К примеру возьмем генератор состоящий из 12 полюсов на прямоугольных магнитах размером 40*15*10мм. Имеющий 9 катушек намотанных проводом сечением 1мм по100 витков в каждой катушке, и 12 полюсов ротора. Исходя из этих параметров нам нужно получить напряжение холостого хода.

Для этого 2 умножаем на обороты генератора в секунду, пусть будет 5 об/с (300 об/м), Далее полученную сумму умножаем на количество полюсов генератора 12, и умножаем на количество катушек в одной фазе 3.

Полученную сумму умножаем на количество витков в одной катушке 100, и умножаем на магнитную индукцию в зазоре 0,5Тл, и умножаем на площадь поверхности магнита 0,0006м2, в итоге всех умножений должно получится напряжение генератора на заданных оборотах.

Читайте также  Поиск повреждения кабеля 10 кв

На 300 об/м получается почти 11 вольт. Если соединять фазы треугольником то напряжение будет 10,800вольт. Для звезды нужно напряжение фазы умножить на 1,7 получается 18вольт.

Сопротивление фазы
Теперь у нас есть напряжение на заданных оборотах, чтобы вычислить мощность генератора для ветряка нам нужно высчитать сопротивление обмотки генератора. Это делается по формуле R= pL/S,

Переменные значения формулы R= p*L:S,
p — удельное сопротивление, в данном случае удельное сопротивление меди 0,0175Омм2/м

L — длинна провода

S — площадь сечения провода мм2.

Теперь попробуем посчитать, и так у нас 9 катушек по 100 витков проводом 1 мм, в общем получается 900витков, значит количество витков в фазе 300. Теперь нужно найти длину этих 300 витков.

Если не знаем длину провода, то будем считать примерно, и так катушки по высоте у нас к примеру 68мм треугольной формы, а ширина в верхней части 45 мм, в нижней 30мм, ширина витков 14мм, значит можно взять среднюю длину одного витка. Расчет такой 68-7+68-7+30-7+45-7= 181мм, получается средняя длинна витка в катушке 181*300 и получается 54 метра провода в фазе, 7 мм это ширина витков в катушке поделенная на 2.

Теперь удельное сопротивление меди по формуле выше умножаем на длину провода и делим на площадь сечение проводника, площадь сечения определяется так, S=pd2,

переменные формулы S=pd2 .
р — равно 3,14

d- диаметр провода мм

У нас провод диаметром 1 мм, площадь его сечения получается 3,14*1*1=0,785мм2., округлим до 0,8 мм2.

Округлим и получим сопротивление фазы 1,1 Ом.

Теперь вернемся к нашему генератору, и так мы получили на 300 об/м 11 вольт с фазы. При соединении звездой напряжение составит 11*1,7=18,7 вольт.

Теперь высчитаем мощность этого генератора при 300 об/м, 18 вольт генератора минус 12 вольт аккумулятора разделить на сопротивление генератора. Сопротивление фазы 1,1 Ом умножим для звезды на 1,7 и получим 1,8 Ом.

Получается 18-12:1,8= 3,3 Ампера на зарядку аккумулятора.

Наш теоретический аксиальный генератор с магнитами 40*15*10 по 12 на каждый диск ротора, и 9 катушек намотанных проводом 1 мм по 100 витков, должен выдавать на аккумулятор при 300об/м 3,3А. Чтобы узнать мощность отдаваемую генератором в аккумулятор достаточно напряжение аккумулятора умножить на силу тока поступающую в него. В данном случае умножаем 12 вольт на 3,3 Ампера, получается что на практике генератор на 300об/м будет выдавать 40 ватт/ч.

Так как напряжение правильно собранного генератора для ветрогенератора растет пропорционально оборотам, то можно посчитать отдачу генератора на более высоких оборотах.

300об/м 18-12:1.8= 3,3 Ампер на аккумулятор 12*3,3= 39,6 Ватт.

450об/м 27-12:1,8= 8,3 Ампер на аккумулятор 12*8,3= 99,6 Ватт

600об/м 36-12:1.8= 13,3 Ампер на аккумулятор 12*13,3= 159,6 Ватт

750об/м 45-12:1,8= 38,3 Ампер на аккумулятор 12*38,3= 459,6 Ватт

Есть ещё и другая формула E=BLV, где
В — индукция в зазоре
L — длинна проводника на который действует магнитное поле
V — скорость движения магнитного поля относительно проводника.

Несколько моментов о правильности сборки аксиального генератора для ветряка
Диски под магниты должны быть равны толщине магнитов, можно толще, но тоньше нет, так-как магнитное поле магнитов замыкается через железо, подпитывая магниты, тем самым усиливая передачу магнитного потока к магнитам стоящим на дисках напротив друг друга. Если сделать диски тоньше, то часть магнитного потока будет рассеиваться. Если к обратной стороне диска ничего не магнитится, можно проверить иголкой, то значит все хорошо.

Расстояние на дисках между магнитами должно быть равно половине ширины магнита, можно больше, но если меньше, то часть магнитного поля будет замыкаться на соседние магниты и не пойдет к противоположным магнитам через катушки.

Толщина статора с катушками должна быть не толще магнитов, если толще то из-за большого расстояния между магнитами магнитное поле сильно рассеивается и не все идет к магнитам, которые на дисках на против друг друга. Магниты нужно на дисках наклеивать с чередованием полюсов, а диски должны притягиваться, то-есть магниты стоящие друг на против друга должны притягиваться.
Лента под катушки нужна 20 мм по высоте, а по ширине она равна диаметру магнита, или чуть больше, 2-3 мм.
Для однофазного генератора количество катушек должно быть равно количеству магнитных полюсов ротора, то-есть если у вас по 12 магнитов на каждом диске, то и катушек должно быть 12. Катушки соединяются последовательно, конец первой с концом второй,а начало второй с началом третьей, конец третьей с концом четвертой и так далее. Но однофазный генератор я не рекомендую вам делать, во-первых вибрация под нагрузкой, которая предается по мачте и слышно гудение при работе особенно на сильном ветре, и другие неприятные мелочи, о которых долго рассказывать.

Трехфазный генератор для ветряка делают с соотношением 2/3 или 4/3 где число магнитов/число катушек. К примеру если делать 12 полюсов ( магнитов на дисках), то можно делать как 9 катушек, по три на фазу, так и 18 катушек по 6 на фазу. Катушки фаз соединяются последовательно, или если 20 полюсов, то 15 катушек, по 5 на фазу.

Расчет мощности ветрогенератора для дома или дачи

Для расчета номинальной мощности ветрогенератора для организации электроснабжения частного дома или загородной недвижимости предлагаем воспользоваться следующими принципами

Для выбора ветрогенерирующей электроустановки требуется как можно более точно определить наиболее постоянное направление и среднюю скорость ветра в месте предполагаемого монтажа оборудования. При этом необходимо понимать, что лопасти ветрогенератора начинают вращение при скорости ветра от 2 м/с. Наиболее максимальный коэффициент полезного действия (КПД) установки достигается при скорости ветра 9 – 12 м/с.

Для обеспечения электроэнергией небольшого загородного дома необходим генератор с номинальной мощностью не менее 1 кВт час, вырабатываемых при скорости ветра порядка 8 м/c.

Мощность ветрогенерирующей электроустановки во многом зависит от скорости ветра и диаметра рабочего винта.

Для расчета эксплуатационных характеристик ветряка для небольшого загородного дома можно воспользоваться следующими формулами:

1.Рассчет ветрогенератора по площади вращения

P = 0,6*S*V 3 ,

S — Площадь (м 2 ), перпендикулярная относительно направления ветра;

V — Скорость ветра (метров в секунду).

P – Мощность генератора, кВт

2.Рассчет ветрогенератора по диаметру винта

Р = D 2 *V 3 /7000,

D — Диаметр винта (метров);

V – Скорость ветра (метров в секунду).

P – Мощность генератора, кВт

3.Более сложный расчет с учетом плотности воздушного потока

Более точный расчет можно сделать по следующей формуле:

P = ξ • π • R2 • 0,5 • V3 • ρ • ηред • ηген

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

Общие рекомендации

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

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

Читайте также  Как самому установить сплит систему в квартире?

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

  • ВЭС + Солнечные батареи
  • ВЭС + Дизель

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

Ветрогенератор своими руками: расчет винта и генератора переменного тока

Продолжая тему, посвященную ветроэнергетике в домашнем хозяйстве, считаем своим долгом рассказать о конструкции ветрогенератора – ключевого элемента системы. Статья ориентирована на тех, кто планирует собирать «сердце» ветроэнергетической установки своими руками.

Судя по опыту пользователей FORUMHOUSE, которые не привыкли искать легких путей, сборка ветрогенератора своими силами – задача, вполне осуществимая. И первое, что необходимо выполнить для ее успешной реализации – это правильно рассчитать основные элементы установки.

Для того чтобы основные моменты, представленные в настоящей статье, были вам понятны, рекомендуем ознакомиться с материалами, изложенными в ее первой и второй частях.

Из статьи вы узнаете:

  • Как правильно рассчитывать рабочий винт ветрогенератора.
  • Какие типы генераторов больше всего подходят для сборки в домашних условиях.
  • Как рассчитывать рабочие характеристики генератора переменного тока.

Расчет рабочего винта (ветроколеса)

Преобразование механической энергии воздушного потока в энергию электрическую начинается с рабочего винта. Поэтому методику расчета ветроколеса мы рассмотрим в первую очередь. Сделаем это на примере наиболее распространенного трехлопастного винта с горизонтальной осью вращения.

Ключевое правило, которого следует придерживаться, осуществляя расчет ветряка, заключается в следующем: мощность ветрового потока, которую можно снять с рабочих лопастей устройства, должна соответствовать электрической мощности самого генератора. Объясним почему: если мощность винта будет слишком малой, то даже при сильном ветре винт не сможет стронуть с места ротор генератора, находящегося под нагрузкой. Если же, наоборот, винт окажется слишком мощным для генератора, то при сильном ветре он раскрутит ротор до очень высоких оборотов, что неизбежно приведет к разрушению всей установки.

Учитывая этот момент, рассмотрим порядок расчета трехлопастного винта в соответствии с заданными характеристиками генератора. Предположим, что у вас уже есть генератор, с номинальной мощностью 300 Вт*ч (к примеру). Также представим, что свои номинальные характеристики устройство будет демонстрировать при оборотах ротора – 150 об/мин. Если средняя скорость ветра в вашей местности составляет 6 м/сек, то на нее и следует ориентироваться, осуществляя дальнейшие расчеты.

Далее: генератор переменного тока, на который ветроколесо передает вращательный момент, имеет свой собственный КПД (0,6…0,8). При различных условиях эксплуатации данный показатель может опускаться до более низких значений, поэтому в качестве примера возьмем КПД, равный 50%.

Для того чтобы устройство, обладающее подобным КПД, выдало необходимые 300 Вт*ч электрической мощности, на его ротор необходимо подать мощность, в два раза превышающую ту, которую требуется с него снять. То есть, механическая мощность, передаваемая на генератор с ветроколеса, должна быть равна 600 Вт.

Средний КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) у трехлопастных винтов равен 0,4 (это и будет КПД ветроколеса). Следовательно, мощность ветра (Х), которая должна воздействовать на рабочие лопасти ветряка (чтобы снять с них 600 Вт), можно вычислить, решив уравнение:

Х = 600:0,4 = 1500 Ватт.

Итак, количество необходимой энергии нам известно, теперь рассчитаем площадь, ометаемую рабочими лопастями ветроколеса (S).

Вот нашел формулу: P = 0,5 *Q * S * V³ * Cp * Ng

  • P – мощность (Вт);
  • Q – плотность воздуха (1,23 кг/м³);
  • S – площадь ометания ветроколеса (м²);
  • V – скорость ветра (м/с);
  • CP – коэффициент использования энергии ветра (0,35…0,45);
  • Ng – КПД генератора;

Плотность воздуха – неизменна, площадь ометания ротора – тоже.

Эта формула обозначает мощность на выходных клеммах генератора. Учитывая, что значение мощности (1500 Вт) мы изначально взяли с учетом КИЭВ ветроколеса и КПД генератора, последние два значения из формулы убираем.

Мощность ветра, которую воздушный поток передает на ветроколесо, будет равна:

P = 0,5 *Q * S * V³

Все значения, входящие в формулу, нам известны (кроме площади – S). Решив простейшее уравнение, получим:

S = 1500/0,5*1,23*6³ = 11,292 м²

Площадь круга вычисляется по формуле:

S = πr²

где π – математическая константа (3,14), а r² – квадрат радиуса окружности ветроколеса.

В нашем случае r² = 11,292/3,14 = 3,596.

Следовательно, радиус ветроколеса будет равен 1,89 м, а его диаметр – 3,78 м.

Теперь необходимо удостовериться в том, что такое ветроколесо сможет при ветре – 6 м/с развить достаточное количество оборотов. В этом нам поможет коэффициент быстроходности ветряка – Z (у трехлопастных устройств Z=5).

Окружная (концевая) скорость лопастей ветряка с коэффициентом быстроходности Z5 будет равна произведению коэффициента (Z) на скорость ветра (6*5=30 м/с). Периметр ветроколеса диаметром 3,78 метра равен 11,87 м (L=2πr). Это длина его окружности по внешнему диаметру лопастей, то есть, расстояние, которое конец каждой лопасти проходит за один оборот. Следовательно, за секунду каждая лопасть сделает 2,53 оборота (30 м/с делим на 11,87 м) или 151 оборот за минуту. Что нам и требовалось.

Для того чтобы увеличить обороты, мы можем уменьшить диаметр ветроколеса, но мощность винта в этом случае снизится.

Уменьшение диаметра ветроколеса должно давать увеличение оборотов. Его можно уменьшать до тех пор, пока мощности винта будет хватать для прокручивания генератора под нагрузкой. Это и будут оптимальные параметры.

Мы представили вашему вниманию методику «грубого» расчета ветроколеса, основанную на характеристиках генератора и существующих потребностях в альтернативной электроэнергии.

Учитывая, что большой ветряк и построить сложно, и обслуживать – непросто, конструкцию рабочего винта можно рассчитать под конкретные условия эксплуатации (добавляя или уменьшая количество лопастей, а также меняя при этом их длину). Это поможет изменить коэффициент быстроходности, а, следовательно, и количество оборотов. Также при недостаточном количестве оборотов мощные ветрогенераторы (особенно многолопастные – тихоходные) оснащаются дополнительным редуктором-мультипликатором.

При малых скоростях вращения ротора выработки электроэнергии нет вообще. Мультипликатор решает эту проблему даже при малых оборотах.

Как бы мастер ни старался, самодельный ветрогенератор всегда будет далек от совершенства: самодельные лопасти, самодельные катушки – при изготовлении всего этого трудно соблюсти рекомендуемые аэродинамические и электротехнические параметры. И если в теории мы рассчитали, что ветроколесо диаметром 3,78 метра (при ветре 6 м/с) позволит получить нам 300 Вт*ч электроэнергии, на практике этот показатель можно смело уменьшить на 30%. Этим самым мы на стадии расчетов учтем недостатки кустарной сборки и возможные потери мощности.

Расчет генератора

Рассмотрим последовательность расчета трехфазного генератора переменного тока на постоянных магнитах. Трехфазные генераторы получили значительно более широкое распространение (нежели однофазные) за счет своих характеристик: отсутствие сильных вибраций и гула во время работы, улучшенные характеристики по мощности, току и т. д.

Мощность генератора зависит от целого ряда факторов: скорость вращения, величина магнитной индукции, количество витков на обмотках статора и т. д. Также она напрямую зависит от величины ЭДС генератора, которая определяется по формуле:

E=B•V•L

  • E – ЭДС (В);
  • B – величина магнитной индукции (Тс);
  • V – линейная скорость движения магнитов (м/с) – произведение длины окружности ротора на количество оборотов;
  • L – активная длина проводника (м), которую перекрывают магниты генератора.

Среднее значение индукции постоянных магнитов, используемых в составе генераторов переменного тока, равно 0.8 Тл. Его можно смело применять во время осуществления предварительных расчетов.

Читайте также  Как подключить фонарь уличного освещения?

Рассмотрим последовательность предварительного расчета трехфазного аксиального генератора, пользуясь примером, который предложил один из пользователей FORUMHOUSE.

Вот, что я имею: 24 магнита (неодимовые) толщиной – 5 мм, шириной – 9.5 мм, длиной – 20 мм. Имею среднегодовую скорость ветра – 5 м/сек. Планирую сделать два ротора – по 12 магнитов на роторе (то есть – 12 полюсов). Соотношение полюсов и катушек – 2/3 (на каждые 2 полюса идет 3 катушки). Получаем 12 полюсов и 18 катушек (по 12 магнитов на каждом диске ротора). Ветроколесо выбрал диаметром 2 метра (двухлопастное). Его быстроходность – Z7. При ветре 5 м/с ветряк должен развивать 334 об/мин (334/60= 5,6 об/сек).

Пользователя интересовал расчет дискового генератора аксиального типа.

Преимущества аксиальных генераторов заключаются в отсутствии магнитного залипания, что позволяет им стартовать при сравнительно небольшой скорости ветра (около 2-х м/с). Основной их недостаток, в сравнении с классическими самодельными моделями, заключается в том, что для получения одинаковой мощности на сборку аксиального генератора необходимо потратить, как минимум, в 2 раза больше магнитов.

Под классическими моделями подразумеваются устройства, изготовленные из асинхронного двигателя или из стандартного автомобильного генератора.

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

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

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

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

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

Расчёт ветрогенераторной установки

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

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

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

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

Как вычислить мощность ветряка

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

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

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

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

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

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

N=p*S*V 3 /2,

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

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

Расчёт винтов ветряных установок

При конструировании ветряка обычно применяются два вида винтов:

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

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

Z= L*W/60/V

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

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

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

Число лопастей Степень быстроходности Скорость ветра м/с
2 5 330

Также одним из важных показателей винта ветряка является шаг.

Этот параметр можно определить, если воспользоваться формулой:

H=2πR* tg α,

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

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

Подбор генераторов для ветряков

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

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

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

Характеристики электрического веломотора примерно следующие:

Параметр Значения
Напряжение, В 24
Мощность, Вт 250-300
Частота вращения, об/мин. 200-250
Крутящий момент, Нм 25

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

Расчёт и выбор контроллера заряда

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

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

Из тих параметров основными являются:

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

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

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

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

Подбор аккумуляторной батареи для системы

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

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

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: