Come calcolare un generatore eolico: formule + esempio pratico di calcolo

L'energia alternativa ottenuta dagli impianti eolici è di grande interesse per la società.Ci sono molte prove di ciò a livello della pratica quotidiana reale.

I proprietari di case rurali costruiscono mulini a vento con le proprie mani e sono soddisfatti del risultato, anche se l'effetto può essere di breve durata. Il motivo è che il generatore eolico non è stato calcolato correttamente durante il montaggio.

D'accordo, non vorrei spendere tempo e denaro per implementare il progetto e ritrovarmi con un'installazione inefficace. Pertanto, è importante capire come calcolare un generatore eolico e in base a quali parametri selezionare i principali componenti operativi di una turbina eolica.

L'articolo è dedicato alla risoluzione di queste domande. La parte teorica del materiale è integrata con esempi illustrativi e consigli pratici per l'assemblaggio di un generatore eolico.

Calcolo delle turbine eoliche

Da dove iniziare a calcolare un sistema per generare elettricità dall'energia eolica? Considerando che si tratta di un generatore eolico, sembra logica un'analisi preliminare della rosa dei venti in una zona specifica.

Parametri di calcolo come la velocità del vento e la sua direzione caratteristica per un dato territorio sono parametri di progettazione importanti. In una certa misura, determinano il livello di potenza delle turbine eoliche che sarà effettivamente ottenibile.

È difficile persino immaginare generatori eolici di tale potenza. Ma tali progetti esistono e funzionano in modo efficace.Tuttavia, i calcoli di tali strutture mostrano una potenza relativamente bassa rispetto alle fonti energetiche tradizionali

Ciò che è degno di nota è che questo processo è di natura a lungo termine (almeno 1 mese), il che è abbastanza ovvio. È impossibile calcolare i parametri massimi probabili della velocità del vento e della sua direzione più frequente con una o due misurazioni.

Saranno necessarie decine di misurazioni. Ma questa operazione è davvero necessaria se si vuole costruire un sistema produttivo efficace.

Come calcolare la potenza di un mulino a vento

I generatori eolici per uso domestico, soprattutto quelli realizzati a mano, non hanno mai sorpreso le persone con una potenza elevata. Questo è comprensibile. Basta immaginare un massiccio albero alto 8-10 m, dotato di un generatore con un'apertura delle pale dell'elica di oltre 3 m, e questa non è l'installazione più potente. Quasi 2 kW.

Per la manutenzione delle turbine eoliche di questa potenza vengono utilizzati elicotteri e squadre di specialisti che possono contare fino a una dozzina di persone. Per calcolare una tale centrale elettrica, è coinvolto un numero ancora maggiore di artisti

In generale, se ci si basa su una tabella standard che mostra la relazione tra la potenza di un generatore eolico e l'apertura richiesta delle pale dell'elica, c'è di che stupirsi. Secondo la tabella, un mulino a vento da 10 W richiede un'elica di due metri.

Una struttura da 500 watt richiederà un'elica con un diametro di 14 m, inoltre il parametro dell'apertura delle pale dipende dal loro numero. Maggiore è il numero delle pale, minore è la campata.

Ma questa è solo una teoria, condizionata dalla velocità del vento non superiore a 4 m/sec.In pratica, tutto è un po' diverso e la potenza degli impianti domestici che funzionano effettivamente a lungo non ha mai superato i 500 W.

Pertanto, la scelta della potenza qui è solitamente limitata all'intervallo di 250-500 W con una velocità media del vento di 6-8 m/sec.

Tabella della dipendenza della potenza di un impianto eolico dal diametro del rotore e dal numero di pale. Questa tabella può essere utilizzata per i calcoli, ma tenendo conto della sua compilazione per parametri di velocità del vento fino a 4 m/sec (+)

Da una posizione teorica, la potenza di una centrale eolica viene calcolata utilizzando la formula:

N=p*S*V³/2,

Dove:

• P – densità delle masse d'aria;
• S – area soffiata totale delle pale dell’elica;
• V — velocità del flusso d'aria;
• N – potenza del flusso d'aria.

Poiché N è un parametro che influenza radicalmente la potenza di un generatore eolico, la potenza effettiva dell’impianto sarà vicina al valore calcolato di N.

Calcolo delle eliche delle turbine eoliche

Quando si costruisce un mulino a vento, vengono solitamente utilizzati due tipi di eliche:

• alato — rotazione sul piano orizzontale;
• Rotore Savonius, rotore Darrieus — rotazione su un piano verticale.

I progetti di viti con rotazione su qualsiasi piano possono essere calcolati utilizzando la formula:

Z=L*L/60/V

Dove:

• Z – grado di velocità (bassa velocità) dell'elica;
• l – la dimensione della lunghezza del cerchio descritto dalle lame;
• W – velocità (frequenza) di rotazione dell'elica;
• V – velocità del flusso d'aria.

Sulla base di questa formula, puoi facilmente calcolare il numero di giri W - velocità di rotazione.

Questo è l'aspetto del design della vite chiamata "Darieu Rotor". Questa versione dell'elica è considerata efficace nella produzione di generatori eolici di piccola potenza e dimensione.Il calcolo della vite ha alcune caratteristiche

E il rapporto tra rivoluzioni e velocità del vento può essere trovato nelle tabelle disponibili su Internet. Ad esempio, per un'elica a due pale e Z=5 vale la seguente relazione:

Inoltre, uno degli indicatori importanti dell'elica di un mulino a vento è il passo.

Questo parametro può essere determinato utilizzando la formula:

H=2πR* tan α,

Dove:

• 2π – costante (2*3.14);
• R – raggio descritto dalla lama;
• marrone chiaro α – angolo di sezione.

Ulteriori informazioni sulla scelta della forma e del numero delle lame, nonché le istruzioni per la loro fabbricazione, sono fornite in Questo articolo.

Selezione di generatori per turbine eoliche

Avendo il valore calcolato del numero di giri della vite (W), ottenuto utilizzando il metodo sopra descritto, è già possibile selezionare (produrre) il generatore appropriato.

Ad esempio con un grado di velocità Z=5, il numero di pale pari a 2 e una velocità di 330 giri/min. Con una velocità del vento di 8 m/s. La potenza del generatore dovrebbe essere di circa 300 W.

Vista in sezione trasversale di un generatore di una centrale eolica. Esempio dimostrativo di una delle possibili realizzazioni di un generatore eolico domestico, assemblato in modo indipendente

Considerati questi parametri, una scelta adatta come generatore per un impianto eolico domestico potrebbe essere il motore utilizzato nella progettazione delle moderne biciclette elettriche. Il nome tradizionale del componente è motore per bicicletta (prodotto in Cina).

Ecco come appare il motore di una bicicletta elettrica, sulla base del quale si propone di realizzare un generatore per un mulino a vento domestico. Il design del motore della bicicletta è ideale per l'implementazione praticamente senza calcoli o modifiche. Tuttavia, il loro potere è basso

Le caratteristiche di un motore per bicicletta elettrica sono approssimativamente le seguenti:

Una caratteristica positiva dei motori delle biciclette è che praticamente non hanno bisogno di essere modificati. Sono stati progettati strutturalmente come motori elettrici a bassa velocità e possono essere utilizzati con successo per i generatori eolici.

Per costruire un mulino a vento puoi utilizzare il generatore dell'auto o raccogliere unità lavatrice.

Calcolo e scelta del regolatore di carica

Un regolatore di carica della batteria è necessario per qualsiasi tipo di impianto eolico, compreso quello domestico.

Il calcolo di questo dispositivo si riduce alla scelta del circuito elettrico del dispositivo, che corrisponderebbe ai parametri di progettazione del sistema eolico.

Di questi parametri i principali sono:

• tensione nominale e massima del generatore;
• massima potenza possibile del generatore;
• massima corrente di carica della batteria possibile;
• voltaggio batteria;
• temperatura ambiente;
• livello di umidità ambientale.

In base ai parametri presentati, gruppo regolatore di carica fallo da solo o seleziona un dispositivo già pronto.

Regolatore di carica per batterie utilizzate come parte di un impianto eolico. Un apparecchio di produzione industriale, per sceglierlo basta studiare attentamente le caratteristiche tecniche per un preciso coordinamento con l'impianto esistente

Naturalmente, è consigliabile selezionare (o assemblare) un dispositivo il cui circuito fornisca una funzione di avvio facile in condizioni di flussi d'aria deboli. È gradito anche un controller progettato per funzionare con batterie di diverse tensioni (12, 24, 48 volt).

Infine, quando si calcola (seleziona) il circuito del controller, si consiglia di non dimenticare la presenza di una funzione come il controllo dell'inverter.

Selezione di una batteria per il sistema

In pratica vengono utilizzati diversi tipi di batterie e quasi tutte sono abbastanza adatte per l'uso come parte di un sistema di energia eolica. Ma in ogni caso bisognerà fare una scelta precisa. A seconda dei parametri del sistema del mulino a vento, la batteria viene selezionata in base alla tensione, alla capacità e alle condizioni di carica.

I componenti tradizionali per i mulini a vento domestici sono le classiche batterie al piombo. Hanno mostrato buoni risultati in senso pratico.Inoltre, il costo di questo tipo di batteria è più ragionevole rispetto ad altri tipi.

Le batterie al piombo sono particolarmente modeste per le condizioni di carica/scarica, ma è inaccettabile includerle in un sistema senza controller.

Se l'installazione della turbina eolica contiene un regolatore di carica progettato professionalmente con un sistema di automazione completo, sembra razionale utilizzare batterie AGM o all'elio.

Pacco batterie per generatore eolico domestico. Non è la migliore opzione d'uso, dato il caos di cavi e requisiti di archiviazione. In questo stato di dispositivi di accumulo dell'energia, non si può contare sul loro funzionamento a lungo termine.

Entrambi i tipi di accumulatori di energia sono caratterizzati da una maggiore efficienza e da una lunga durata, ma pongono requisiti elevati in termini di condizioni di ricarica.

Lo stesso vale per le cosiddette batterie corazzate del tipo all'elio. Ma la scelta di queste batterie per un mulino a vento domestico è significativamente limitata dal prezzo. Tuttavia, la durata di queste costose batterie è più lunga rispetto a quella di tutti gli altri tipi.

Queste batterie hanno anche un ciclo di carica/scarica più lungo, ma solo se viene utilizzato un caricabatterie di alta qualità.

Calcolo di un inverter per un mulino a vento domestico

Va notato subito: se il progetto di una turbina eolica domestica contiene una batteria da 12 volt, non ha senso installare un inverter su tale sistema.

In media, il consumo energetico domestico è di almeno 4 kW nei picchi di carico.Da qui la conclusione: il numero di batterie ricaricabili per tale alimentazione dovrebbe essere di almeno 10 pezzi e preferibilmente con una tensione di 24 volt. Per un tale numero di batterie è opportuno installare un inverter.

Tuttavia, per fornire completamente energia a 10 batterie con una tensione di 24 W ciascuna e mantenerne stabilmente la carica, sarà necessario un mulino a vento con una potenza di almeno 2-3 kW. Ovviamente, le strutture domestiche semplici non possono gestire tale potere.

Inverter a bassa potenza (600 W), che può essere utilizzato per installazioni domestiche di piccola potenza. È possibile alimentare una TV o un piccolo frigorifero da tali apparecchiature con una tensione di 220 volt. Non c'è più abbastanza corrente per le lampade del lampadario

Tuttavia, è possibile calcolare la potenza dell'inverter come segue:

1. Riassumi il potere di tutti i consumatori.
2. Determinare il momento del consumo.
3. Determinare il carico di picco.

In un esempio specifico apparirà così.

Lascia che ci siano elettrodomestici come carico: lampade di illuminazione - 3 pezzi. 40 W ciascuno, ricevitore televisivo - 120 W, frigorifero compatto 200 W. Sommiamo la potenza: 3*40+120+200 e otteniamo 440 W in uscita.

Determiniamo la potenza dei consumatori per un periodo medio di 4 ore: 440*4=1760 W. In base al valore di potenza ottenuto nel tempo di consumo, sembra logico selezionare un inverter tra tali dispositivi con una potenza di uscita di 2 kW o più.

In base a questo valore viene calcolata la caratteristica corrente-tensione del dispositivo richiesto: 2000*0,6=1200 V/A.

Uno schema classico per la riproduzione e distribuzione dell'energia ottenuta da un generatore eolico domestico. Tuttavia, per fornire energia a lungo termine a un tale numero di dispositivi, è necessaria un'installazione sufficientemente potente (+)

In realtà, il carico domestico di una famiglia di tre persone, dotata di tutti gli elettrodomestici, sarà maggiore di quello calcolato nell'esempio. In genere, anche il tempo di connessione del carico supera le 4 ore richieste. Di conseguenza, l'inverter del sistema eolico avrà bisogno di uno più potente.

Il calcolo preliminare di un mulino a vento è utile non solo per il suo autoassemblaggio. È anche necessario determinare i parametri ottimali quando scegliendo un generatore eolico già pronto.

Conclusioni e video utile sull'argomento

Nel video viene presentato il modo in cui vengono analizzati i dati di origine e come vengono applicate le formule:

È comunque necessario utilizzare i dati calcolati. Che si tratti di una centrale elettrica industriale o di una fabbricata per uso domestico, il calcolo di ciascuna unità garantisce sempre la massima efficienza del dispositivo e, soprattutto, la sicurezza operativa.

I calcoli preliminari determinano la fattibilità dell'implementazione del progetto e aiutano a determinare quanto sia costoso o economico il progetto.

Hai esperienza nella risoluzione di problemi simili? Oppure hai ancora domande sull'argomento? Per favore condividi le tue capacità di calcolo e progettazione di turbine eoliche. Puoi lasciare commenti e porre domande nel modulo sottostante.