Расчет ветрогенератора. Расчет мощности ветрогенератора. Расчет ветряка.

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 = V³ • ρ • S

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

P = V³ • ρ • S = 5³ • 1,25 • 12,5 = 1953,125

Где,
V — скорость ветра, единица измерения — м/с
ρ — плотность воздуха, единица измерения — кг/м3

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 • R² • 0,5 • V³ • 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

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 • R² • 0,5 • V³ • ρ • ηред • ηген = 0,45 • π • 2² • 0,5 • 5³ • 1,25 • 0,9 • 0,85

Не так много выходит… почему тогда использование ВЭС выгодно? Лучшим подтверждением в данном случае послужит «живой» пример. Для этого, как пример, приведем характеристики установки одной из украинских компаний, которая вежливо согласилась предоставить расчетные данные из собственных продуктов.

Ветроэнергетика на практике

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

Расчет выработки энергии ветрогенератором

Немало статей размещено в интернете, в том числе и на нашем сайте, о том, как рассчитать систему с солнечными батареями для конкретного дома, дачи, офиса или производственного здания. Нельзя не затронуть тему расчета системы содержащей ветрогенератор.

Тонкости расчета вырабатываемой энергии ветрогенератором

Ветрогенератор в автономной системе крайне полезен. По большей части тем, что его выработка не имеет ярко выраженной зависимости от сезонов. Солнечные батареи 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. 

Основная проблема ветровых турбин 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: турбина только начнет вращаться при скорости ветра около 3метров в секунду и, более-менее ощутимая, выработка энергии начнется только при 7метрах в секунду.

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 4-5метров в секунду, что создает неблагоприятные условия для применения ветрогенераторов. Но данные усреднены, поэтому следует изучить энерго-потенциал конкретной местности, если существует подозрение, что ветрогенератор  может быть эффективен.

Для повышения эффективности работы ветровых электростанций применяют различные технические решения:

• ветрогенератор размещают на высокой мачте. Приведем пример: если увеличить высоту мачты с 5 до 20метров, выработка увеличится в 2 раза;
• применяют ветрогенераторы с вертикальным расположением лопастей. Вертикальные турбины более эффективны при слабых ветрах, а также менее шумные, тем не менее, их стоимость значительно выше горизонтальных;
• применяют специальные контроллеры заряда, которые, при низкой скорости, ветра сначала дают лопастям раскрутиться, и только потом подключают нагрузку. В таком режиме ветрогенератор вырабатывает некоторое количество энергии, хоть и небольшое, при слабом ветре.

On-line калькулятор для расчета энергии «ветряка»

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. Имея эти данные довольно сложно оценить количество вырабатываемой энергии, поэтому для дальнейших рассуждений нужно воспользоваться одной из специальных программ, учитывающих метеорологические данные в вашей местности. Мы предлагаем вам воспользоваться удобным сервисом — on-line калькулятор на нашем сайте. Программа учитывает местоположение установки, высоту мачты, а также рельеф местности. Если в электростанции имеются солнечные батареи, в калькуляторе можно произвести расчет для всей системы и получить данные и графики как суммарной, так и раздельной выработки энергии. 

Рис.1. Расчет суточного потребления (нагрузки).

Рис.2. Подбор солнечных батарей и ветряка. Индивидуальные графики среднесуточной выработки.

Рис.3. Выгрузка графика среднесуточной выработки всех источников энергии.

Не стоит забывать о том, что программа никак не может брать в расчет влияние местных особенностей (предметов, деревьев, заграждающих зданий и т.п.), затеняющих солнечные батареи или вносящих турбулентности в поток воздуха, данные факторы следует учитывать отдельно. 

Читать еще статьи…

Расчёт ветрогенератора | Альтернативные энергии

Прежде чем приобретать для дома ветрогенератор, необходимо понимать, откуда берутся параметры его мощности, действительно ли он будет выдавать те параметры, что записаны в его паспорте, и на что вы можете рассчитывать.

Скорость ветра

Независимо от того, планируете ли вы купить готовый генератор, либо будете делать его сами, скорость ветра будет одним из важнейших параметров при определении мощности установки.

Во-первых, у каждого типа ветрогенераторов есть своя начальная скорость работы. Для большинства установок это 2-3 м/с. Если скорость ветра ниже этого порога, работать генератор не будет вообще, и, соответственно, электричество вырабатывать тоже.

Помимо начальной скорости, существует и номинальная, при которой ветрогенератор выходит на свою номинальную мощность. Для каждой модели производитель указывает эту цифру отдельно.

Однако, если скорость выше начальной, но ниже номинальной, то и выработка электричества будет существенно снижена. А для того, чтобы не остаться без электричества, вам нужно всегда прежде всего ориентироваться на среднюю скорость ветра в вашем регионе и непосредственно на вашем участке. Первый показатель вы можете узнать, взглянув на карту ветров, либо посмотрев прогноз погоды в своём городе, где обычно указывается скорость ветра.

Вторая же цифра в идеале должна измеряться специальными приборами непосредственно в том месте, где будет стоять ветроустановка. Ведь ваш дом может быть как на возвышении, где скорость ветра будет выше, так и в низине, в которой ветра практически не будет.

В данной ситуации те, кто постоянно страдает от ураганных порывов ветра, находятся в более выгодном положении, и могут рассчитывать на большую производительность ветрогенератора.

Диаметр винта

Если вы думаете, что ветрогенератор – это небольшая установка, которая буквально может стоять у вас на крыше и питать электричеством ваш дом на 100 кв.м., вы заблуждаетесь. Если установка используется как самостоятельный источник энергии, который должен обеспечить все ваши потребности, а не малую их часть, то винты могут быть на самом деле огромными. Для небольшого дома необходим радиус хотя бы 3-4 метра. Соответственно, диаметр – 6-8 метров.

Потери

Не достаточно просто рассчитать по формуле мощность вашей установки. Всегда существуют потери, которые заберут до 70% мощности. Первые потери, с которыми вы столкнётесь – это коэффициент использования энергии ветра. Он равен примерно 0,6.

Далее потери будут на винте, который берёт от 40 до 50% мощности. Потери генератора составляют около 20%, а потери проводов – ещё 20%.

Все эти параметры нужно учесть при планировании ветроустановки. Здесь приведены примерные потери. Реальные величины вы можете узнать в описании тех элементов, которые будете использовать. Они обычно указаны производителем.

Простая и сложная формулы

Существует две формулы, по которым вы можете определить мощность ветрогенератора, зная скорость ветра и радиус либо диаметр лопастей.

Первая формула немного сложнее, и реже используется.

Мощность = коэффициент использования энергии ветра * ((плотность возд. потока * скорость ветра в кубе)/2 * п * радиус в квадрате)

Вторая формула несколько упрощена.

Мощность = 0,6 * п * радиус в квадрате * скорость ветра в кубе

Скорость ветра для расчёта стоит брать ниже среднегодовой, чтобы реально понимать, на какие цифры вам стоит рассчитывать.

Расчёт

Примеры расчётов для дачи и дома с учётом использования определённых электроприборов, мы рассмотрим в другой статье. Сейчас же выясним, какую реальную мощность нам может дать предлагаемый производителем ветрогенератор.

Для примера рассмотрим ветрогенератор с длиной лопасти 4м, при средней скорости ветра 5 м/с (эта цифра может доходить и до 10-15, однако, мы рассмотрим менее удачный вариант.

По первой формуле получится такая цифра:

Мощность = 0,6 * (1,225 * 125/2) *3,14 * 16 = 2307,9 Вт.

По второй формуле:

Мощность = 0,6 * 3,14 * 16 * 125 = 3768 Вт.

Вторая цифра ближе к реальности, и именно такую формулу стоит использовать в ваших подсчётах. Однако, давайте посчитаем потери на винт от второго результата.

Мощность = 3768 * 0,6 = 2260.8 Вт.

Уже намного ближе к первому результату. Однако, от этой цифры нам нужно отнять ещё потери генератора и проводов.

Мощность = 2260.8 * 0,8 * 0,8 = 1446,9 Вт.

Именно на такую величину вы можете рассчитывать при использовании ветрогенератора с винтами 4 метра. Конечно же, при более сильном ветре его мощность возрастёт, но этот параметр индивидуален для каждого дома.

Мощность и КПД ветрогенераторов различных типов: обзор технических характеристик

Описание и характеристики различных типов ветрогенераторов, их сильные и слабые стороны и применение в различных областях.

Введение

Забота об окружающей среде и о собственном кошельке побудила светлые умы человечества к изобретению и внедрению новых методов производства энергии, источником, для которой, служили бы неисчерпаемые ресурсы: солнце, вода и ветер. Использование каждого такого источника имеет свои преимущества и недостатки, но наиболее доступной и эффективной считается энергия ветра.

Конечно, природа накладывает определённые ограничения на использование ветрогенераторов, и материальные затраты на выработку 1 кВт электричества от энергии солнца и ветра примерно сопоставимы. Но в северных широтах, особенно в прибрежных регионах, использование ветрогенераторов вне конкуренции.

Вопрос целесообразности установки упирается в среднюю скорость ветра по региону. Начиная с 4 м/с установка ветрогенератора считается целесообразной, а при 9-12 м/с он работает с максимальным КПД. Но мощность ветрогенератора зависит не только от скорости ветрового потока (схема 1), но и от диаметра ротора и площади лопастей (схема 2).

Расчёт

Если известна средняя скорость ветра, то манипулируя величинами диаметра винта или его площади, можно вывести подходящую мощность установки, которая необходима.

Р = 2D*3V/7000, кВт, где
P — мощность;
D — диаметр винта в м;
V — скорость ветра в м/сек.

Данная формула расчёта эффективности ветрогенератора справедлива исключительно для крыльчатого — горизонтального типа.

Виды

На данный момент в серийном производстве существует 2 вида ветрогенераторов:

1. Карусельные — ось вращения располагается вертикально по отношении к направлению ветра. Имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими — горизонтальными:
2. Вырабатывают электроэнергию при небольшой силе ветра;
3. Не нуждаются в сложных, активных системах направления на поток ветра, как следствие, идеально подходят для местности с турбулентными воздушными потоками;.



4. Некоторые промышленные модели не нуждаются в высокой мачте, сама ось для лопастей является мачтой. Поэтому удобны в обслуживании;
5. Низкий уровень шумового загрязнения, до 30 дБ;
6. Отличный внешний вид.

Но они имеют серьёзный недостаток — тихоходность. Для его преодоления применяют повышающие редукторы, что несколько снижает КПД.

2. Крыльчатые — горизонтальные ветряки. Этот вид ветрогенератора наиболее распространён при использовании в промышленной выработке электроэнергии.

Преимущества:

• Большая скорость вращения, это позволяет соединяться с генератором, что увеличивает КПД;
• Простота изготовления;
• Большое разнообразие моделей.

Недостатки:

• Высокий уровень шумового и ультразвукового загрязнения. Это может быть опасно для здоровья людей. Поэтому генерирующие промышленные мощности располагают в безлюдных местах;
• Необходимость применять стабилизатор и устройства наведения на поток ветра;
• Скорость вращения находится в обратной пропорции к количеству лопастей, поэтому в промышленных моделях редко используют более трёх лопастей.

Работы по преодолению последнего недостатка ведутся уже довольно давно. Было разработано и выпущено несколько небольших моделей ветрогенераторов. Их КПД довольно высокий для своего класса мощности, из-за оригинального строения лопасти.

Площадь сопротивления ветру в такой модели минимальна, она может работать при силе ветра и 2 м/с и выдавать при этом 30 Вт. Но учитывая, что на трение и иные потери, в моделях такого класса, уходит до 40% энергии, оставшихся 18 Вт не хватит даже на освещение одной лампочкой. Для использования на даче или в частном доме нужно, что-то серьёзнее.

Выбор модели

Стоимость комплекта ветрогенератора, инвертора, мачты, ШАВРа — шкафа автоматического включения резерва, напрямую зависит от мощности и КПД.

Как видим для полного или частичного обеспечения усадьбы электричеством необходимы генераторы большой мощности, установить которые самостоятельно довольно проблематично. В любом случае высокие капитальные вложения и необходимость производства работ по монтажу мачты с помощью спецтехники существенно снижают популярность ветровых энергетических систем для частного использования.

Существуют переносные ветрогенераторы малой мощности, которые можно взять с собой в путешествие. Эти модели компактны быстро монтируются на местности, не требуют особого ухода, и дают достаточно энергии, для комфортного времяпрепровождения на природе.

И хоть максимальная мощность такой модели всего 450 Вт, этого достаточно для освещения всего кемпинга и даёт возможность использовать бытовые электроприборы вдали от цивилизации.

Для средних и малых предприятий установка нескольких генерирующих ветровых станций могла бы дать существенную экономию в энергозатратах. Множество европейских фирм занимаются производством продукции такого типа.

Это сложные инженерные системы, требующие профилактики и обслуживания, но их номинальная мощность такова, что может перекрыть нужды всего производства. Для примера в Техасе на самой большой ветроэлектростанции в США всего 420 таких генераторов вырабатывают за год 735 мегаватт.

Новейшие разработки

Прогресс не стоит на месте, и новые разработки поднимают эффективность ветрогенераторов на новую высоту, в буквальном смысле. Одной из самых трудозатратных частей при создании ветровой электростанции был монтаж наземных систем: мачты, генератора, ротора, лопастей. На малых высотах, возле земли ветровые потоки не постоянны, а подъём генерирующих мощностей на большую высоту, делает мачту слишком сложной и дорогой конструкцией.

Теперь этого можно избежать. Компания Makani Power разработала летающий ветрогенератор — крыло, запустив который на большую высоту 550 м, можно получить до 1 МВт электроэнергии в год.

Расчет ветрогенератора. Что нужно учитывать?

Источник: vetrodvig.ru