Sådan beregner du en vindgenerator: formler + praktisk eksempel

Alternativ energi fra vindenergianlæg vækker stor interesse i samfundet. Der er mange beviser for dette i den praktiske hverdag.

Ejere af landejendomme bygger selv deres vindmøller og er tilfredse med resultatet, selvom virkningen nogle gange er kortvarig. Årsagen er – at vindgeneratorens beregning ikke blev udført ordentligt.

Du vil helt sikkert være enig i, at det ville være ærgerligt at have brugt tid og penge på projektet for at ende med et ineffektivt anlæg. Derfor er det vigtigt at forstå, hvordan du beregner en vindgenerator, og hvilke parametre du skal vælge de vigtigste komponenter ud fra.

Denne artikel er dedikeret til at løse disse spørgsmål. Den teoretiske del af materialet suppleres af illustrerende eksempler og praktiske anbefalinger til samling af vindgeneratoranlægget.

Beregning af vindgeneratoranlæg

Hvor skal man begynde at beregne et system til produktion af elektricitet fra vindenergi? Når det drejer sig om en vindgenerator, virker det logisk at starte med en foreløbig analyse af vindrosen i det pågældende område.

Sådanne beregningsparametre som vindhastighed og den fremherskende vindretning for et givent område er vigtige beregningsparametre. De bestemmer i nogen grad det effektniveau, som vindmøllen realistisk kan opnå.

Vindgeneratorer med en sådan effekt er svære overhovedet at forestille sig. Men sådanne konstruktioner findes og fungerer effektivt. Beregninger af sådanne konstruktioner viser dog en relativt lav effekt sammenlignet med traditionelle energikilder.

Det bemærkelsesværdige er, at denne proces er langvarig (mindst 1 måned), hvilket er ret indlysende. Man kan ikke bestemme de mest sandsynlige vindhastighedsparametre og den hyppigste vindretning med blot en eller to målinger.

Det kræver dusinvis af målinger. Alligevel er denne procedure virkelig nødvendig, hvis man ønsker at bygge et effektivt og produktivt system.

Sådan beregner du vindmøllens effekt

Husholdningsvindgeneratorer, især hjemmelavede, har endnu ikke imponeret med høj effekt. Det er også forståeligt. Forestil dig blot en massiv mast på 8-10 meters højde, udstyret med en generator med et vingespænd på over 3 meter. Og det er ikke den kraftigste installation. Kun omkring 2 kW.

Til vedligeholdelse af vindmøller med en sådan effekt anvendes helikoptere og hold af specialister, som tæller op til en snes personer. For at udføre beregninger af et sådant energianlæg inddrages et endnu større antal personer.

Generelt set, hvis man støtter sig til en standardtabel, der viser forholdet mellem vindgeneratorens effekt og det nødvendige vingespænd, er der noget at blive overrasket over. Ifølge tabellen kræver en vindmølle på 10 W en propel på to meter.

Til en 500-watt-konstruktion vil der allerede kræves en propel med en diameter på 14 m. Samtidig afhænger vingespændets parameter af antallet af vinger. Jo flere vinger, desto mindre spændvidde.

Men dette er blot teori, baseret på en vindhastighed, der ikke overstiger 4 m/s. I praksis er det noget anderledes, og effekten for husholdningsanlæg, der reelt har fungeret i længere tid, har aldrig oversteget 500 W.

Derfor er valget af effekt normalt begrænset til intervallet 250-500 W ved en gennemsnitlig vindhastighed på 6-8 m/s.

Tabel over vindenergisystemets effekts afhængighed af propelens diameter og antal vinger. Denne tabel kan anvendes til beregninger, men med forbehold for at den er udarbejdet for vindhastigheder på op til 4 m/s (+)

Fra et teoretisk synspunkt beregnes vindkraftværkets effekt ved formlen:

N=p*S*V³/2,

hvor:

• p – luftmassernes tæthed;
• S – det samlede bestrøgne areal af skovlbladene;
• V – luftstrømmens hastighed;
• N – luftstrømmens effekt.

Da N er en parameter, der har afgørende indflydelse på vindmøllens effekt, vil den faktiske effekt af anlægget være tæt på den beregnede værdi af N.

Beregning af vinger til vindmøller

Ved konstruktion af en vindmølle anvendes normalt to typer rotorer:

• vingerotorer – rotation i vandret plan;
• Savonius-rotor, Darrieus-rotor – rotation i lodret plan;

Konstruktioner af rotorer med rotation i begge planer kan beregnes ved hjælp af formlen:

Z= L*W/60/V

hvor:

• Z – rotorens hastighedsforhold (langsomløbende);
• L – længden af den omkreds som skovlene beskriver;
• W – rotorens omdrejningshastighed (frekvens);
• V – luftstrømmens hastighed.

Med udgangspunkt i denne formel kan man nemt beregne omdrejningstallet W – rotationshastigheden.

Sådan ser konstruktionen af en rotor kaldet 'Darrieus-rotor' ud. Denne propelvariant anses for at være effektiv ved fremstilling af vindgeneratorer med lille effekt og størrelse. Beregning af rotoren har nogle særlige forhold.

Og arbejdsforholdet mellem omdrejninger og vindhastighed kan findes i tabeller, der er tilgængelige online. For eksempel, for en rotor med to blade og Z=5, gælder følgende forhold:

En anden vigtig parameter for vindmøllens rotor er stigningen.

Denne parameter kan bestemmes ved at bruge formlen:

H=2πR* tg α,

hvor:

• 2π – konstant (2*3.14);
• R – radius som skovlen beskriver;
• tg α – sektionsvinkel;

Yderligere information om valg af form og antal blade, samt vejledning til fremstilling af dem, findes i denne artikel.

Valg af generatorer til vindmøller

Med den beregnede værdi af rotorens omdrejningstal (W) opnået ved den ovenfor beskrevne metode, kan man allerede vælge (fremstille) en passende generator.

For eksempel, ved hastighedsforhold Z=5, antal blade lig med 2 og omdrejningsfrekvens 330 omdr./min. Ved vindhastighed 8 m/s. bør generatorens effekt være cirka 300 W.

Generator til vindenergianlæg 'i snit'. Illustrativt eksempel på en af de mulige konstruktioner af en generator til et hjemmevindenergisystem, samlet selv.

Ved disse parametre kan en motor, der anvendes i konstruktioner af moderne elcykler, blive et passende valg som generator til en husholdningsvindmølle. Den traditionelle betegnelse for delen er elcykelmotor (fremstillet i Kina).

Sådan ser en elektrisk cykelmotor ud, som foreslås brugt som generator til en hjemmevindmølle. Cykelmotorens konstruktion er ideel til implementering næsten uden beregning og tilpasning. Men deres effekt er lav.

Egenskaberne for en elektrisk cykelmotor er omtrent som følger:

En positiv egenskab ved cykelmotorer er, at de stort set ikke skal ombygges. De er konstruktivt udviklet som lavhastigheds-elektromotorer og kan med succes anvendes til vindgeneratorer.

Til fremstilling af en vindmølle kan man bruge en bilgenerator eller samle en enhed fra en vaskemaskine.

Beregning og valg af laderegulator

En ladekontroller til batteriet er nødvendig for en vindenergiinstallation af enhver type, herunder en husstandskonstruktion.

Beregningen af denne enhed handler om at vælge et elektrisk kredsløb til enheden, der svarer til de beregnede parametre for vindsystemet.

Af disse parametre er de vigtigste:

• generatorens nominelle og maksimale spænding;
• generatorens maksimalt mulige effekt;
• maksimalt mulig ladestrøm til batteriet;
• batteriets spænding;
• omgivende lufttemperatur;
• omgivende luftfugtighed.

Ud fra de præsenterede parametre foretages samling af ladekontrolleren selv eller valg af en færdig enhed.

Ladekontroller til batterier, der anvendes i en vindenergiinstallation. En industrifremstillet enhed, som man ved valg blot skal studere de tekniske specifikationer nøje for præcis tilpasning til det eksisterende system.

Ja, det er tilrådeligt at vælge (eller samle) en enhed, hvis kredsløb ville give en let startfunktion under svage luftstrømme. En controller, der er beregnet til drift med batterier med forskellige spændinger (12, 24, 48 volt), er også kun velkommen.

Endelig, ved beregning (valg) af controllerens kredsløb, anbefales det ikke at glemme tilstedeværelsen af en funktion som inverterstyring.

Valg af akkumulatorbatteri til systemet

I praksis anvendes batterier af forskellige typer, og næsten alle er velegnede til brug i et vindenergisystem. Men et konkret valg skal under alle omstændigheder træffes. Afhængigt af vindmøllesystemets parametre foretages valget af batteri ud fra spænding, kapacitet og opladningsforhold.

Traditionelle komponenter til husstandsvindmøller er klassiske bly-syre-batterier. De har vist gode resultater i praksis. Desuden er prisen på denne type batterier mere overkommelig sammenlignet med andre typer.

Bly-syre-batterier er særligt uprætentiøse over for opladnings-/afladningsforhold, men det er uacceptabelt at tilslutte dem til systemet uden en controller.

Hvis vindmølleanlægget indeholder en professionelt fremstillet ladecontroller med et fuldt automationssystem, synes det rationelt at anvende AGM- eller gelbatterier.

Batteribank til en husstandsvindmølle. Ikke den bedste driftsmulighed, i betragtning af kaosset af ledninger og opbevaringskrav. Med en sådan tilstand af energilagring kan man ikke forvente langtidsholdbar drift.

Begge typer energilagring er kendetegnet ved højere effektivitet og lang levetid, men stiller høje krav til opladningsforholdene.

Det samme gælder for såkaldte panserbatterier af geltypen. Men valget af disse batterier til en husstandsvindmølle er væsentligt begrænset af prisen. Dog er levetiden for disse dyre batterier den længste i forhold til alle andre typer.

Disse batterier udmærker sig også ved en længere opladnings-/afladningscyklus, men under forudsætning af brug af en kvalitetsoplader.

Beregning af inverteren til husstandens vindmølle

Først skal det bemærkes: Hvis konstruktionen af en hjemmeenergianlæg med vindmølle indeholder ét 12-volts batteri, giver det ingen mening at installere en inverter i systemet.

I gennemsnit er den forbrugte effekt i en husstand mindst 4 kW ved spidsbelastning. Deraf konklusionen: antallet af batterier til en sådan effekt bør være mindst 10 stykker og helst til 24 volt spænding. For et sådant antal batterier giver det mening at installere en inverter.

Men for at forsyne 10 batterier med en spænding på 24 W hver fuldt ud og stabilt opretholde deres opladning, kræves en vindmølle på mindst 2-3 kW. Det er klart, at sådanne simple husholdningskonstruktioner ikke kan klare denne effekt.

Inverter med lav effekt (600 W), som kan bruges til et lille hjemmeenergianlæg. Fra sådan en enhed med 220 volt spænding kan man forsyne et tv eller et lille køleskab. Til pærer i en lysekrone vil strømmen ikke være tilstrækkelig.

Imidlertid kan inverterens effekt beregnes på følgende måde:

1. Sumér effekten af alle forbrugere.
2. Bestem forbrugetiden.
3. Bestem spidsbelastningen.

På et konkret eksempel vil det se sådan ud.

Lad os som belastning have husholdningsapparater: 3 stk. lamper á 40 W, et tv-apparat på 120 W, et kompakt køleskab på 200 W. Vi summerer effekten: 3*40+120+200 og får 440 W.

Vi bestemmer forbrugernes effekt for en gennemsnitlig periode på 4 timer: 440*4=1760 W. Ud fra den opnåede effektværdi over forbrugetiden, virker det logisk at vælge en inverter blandt apparater med en udgangseffekt på mindst 2 kW.

Med udgangspunkt i denne værdi beregnes den nødvendige enheds volt-ampere karakteristik: 2000*0,6=1200 V/A.

Klassisk diagram over produktion og distribution af energi fra en husstandsvindgenerator. Men for at forsyne så mange apparater med langvarig energi kræves en tilstrækkelig kraftig installation (+)

I virkeligheden vil belastningen fra en husholdning for en familie på tre personer med fuldt udstyr af husholdningsapparater være højere end i eksemplet. Normalt overskrider parameteren for belastningstilslutningstiden de antagne 4 timer. Derfor vil der være behov for en kraftigere inverter til vindenergisystemet.

En foreløbig beregning af vindmøllen er nyttig ikke kun til dens egen samling. Det er også nødvendigt at bestemme de optimale parametre, når man vælger en færdig vindgenerator.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Hvordan analysen af indledende data foregår, og hvordan formlerne anvendes, vises i videoen:

Det er nødvendigt at bruge beregningsdata under alle omstændigheder. Uanset om det er en industriel energianlæg eller en fremstillet til husholdningsforhold, medfører beregningen af hver komponent altid maksimal effektivitet af enheden og, vigtigst af alt, driftssikkerhed.

Foreløbige beregninger bestemmer projektets gennemførlighed og hjælper med at fastslå, hvor omkostningsfuldt eller økonomisk projektet bliver.

Har du erfaring med at løse sådanne opgaver? Eller har du spørgsmål om emnet? Del venligst dine færdigheder inden for beregning og design af vindgeneratorer. Du kan efterlade kommentarer og stille spørgsmål i formularen nedenfor.