Kā veikt vēja ģeneratora aprēķinu: formulas + praktisks aprēķina piemērs

Alternatīvā enerģija, ko iegūst ar vēja enerģijas iekārtām, sabiedrībā izraisa lielu interesi. To apliecina daudzi reālas sadzīves prakses piemēri.

Lauku īpašumu īpašnieki būvē vējdzirnavas pašu rokām un apmierinās ar iegūto rezultātu, lai gan efekts mēdz būt arī īslaicīgs. Iemesls – montāžas laikā vēja ģeneratora aprēķins netika veikts pienācīgi.

Piekrītiet, ka negribētos, iztērējot laiku un līdzekļus projekta īstenošanai, iegūt mazefektīvu iekārtu. Tāpēc ir svarīgi saprast, kā veikt vēja ģeneratora aprēķinu un pēc kādiem parametriem izvēlēties vējdzirnavu galvenos darba mezglus.

Šo jautājumu risinājumam ir veltīts šis raksts. Materiāla teorētisko daļu papildina uzskatāmi piemēri un praktiski ieteikumi vēja ģeneratora iekārtas montāžai.

Vēja ģeneratora iekārtas aprēķins

Kur sākt aprēķināt vēja enerģijas elektroenerģijas ražošanas sistēmu? Ņemot vērā, ka runa ir par vēja ģeneratoru, loģiski būtu sākt ar iepriekšēju vēja rozes analīzi konkrētajā teritorijā.

Tādi aprēķina parametri kā vēja ātrums un raksturīgais virziens dotajai teritorijai ir svarīgi aprēķina parametri. Tie zināmā mērā nosaka to vēja ģeneratora jaudas līmeni, kas būs reāli sasniedzams.

Vēja ģeneratorus ar tādu jaudu ir pat grūti iedomāties. Bet līdzīgas konstrukcijas pastāv un darbojas efektīvi. Tomēr šādu konstrukciju aprēķini rāda salīdzinoši nelielu jaudu, salīdzinot ar tradicionālajiem enerģijas avotiem.

Ievērojami ir tas, ka process ir ilgtermiņa (vismaz 1 mēnesis), kas ir pilnīgi acīmredzami. Aprēķināt maksimāli iespējamos vēja ātruma parametrus un tā visbiežāko virzienu nav iespējams ar vienu vai diviem mērījumiem.

Būs jāveic desmitiem mērījumu. Tomēr šī operācija ir patiešām nepieciešama, ja ir vēlme izveidot efektīvu un ražīgu sistēmu.

Kā aprēķināt vējdzirnavu jaudu

Mājsaimniecības vēja ģeneratoriem, vēl jo vairāk paštaisītiem, vēl nav nācies pārsteigt ļaudis ar lielām jaudām. Tas ir saprotams. Pietiek tikai iedomāties masīvu mastu 8–10 m augstumā, aprīkotu ar ģeneratoru, kura propelleru lāpstiņu vēriens pārsniedz 3 m. Un tā nav visspēcīgākā iekārta. Tikai aptuveni 2 kW.

Lai apkalpotu šādas jaudas vēja ģeneratorus, izmanto helikopterus un speciālistu brigādes, kurās darbojas līdz desmit cilvēkiem. Lai veiktu šādas energoiekārtas aprēķinu, tiek piesaistīts vēl lielāks skaits izpildītāju.

Vispārīgi, ja paļaujas uz standarta tabulu, kas parāda vēja ģeneratora jaudas un nepieciešamā propelleru lāpstiņu vēriena attiecību, ir par ko brīnīties. Saskaņā ar tabulu, 10 W jaudas vēja ģeneratoram nepieciešams divu metru propelleris.

500 vatu konstrukcijai vajadzēs jau propelleri ar 14 m diametru. Tajā pašā laikā lāpstiņu vēriena parametrs ir atkarīgs no to skaita. Jo vairāk lāpstiņu, jo mazāks vēriens.

Bet tā ir tikai teorija, kas balstīta uz vēja ātrumu, kas nepārsniedz 4 m/s. Praksē viss ir nedaudz citādi, un mājsaimniecības iekārtu jauda, kas reāli darbojas ilgu laiku, vēl nekad nav pārsniegusi 500 W.

Tādēļ jaudas izvēle šeit parasti ir ierobežota diapazonā no 250 līdz 500 W pie vidējā vēja ātruma 6–8 m/s.

Tabula, kas parāda vēja energosistēmas jaudas atkarību no darba propelleru diametra un lāpstiņu skaita. Šo tabulu var izmantot aprēķiniem, taču jāņem vērā, ka tā sastādīta vēja ātruma parametram līdz 4 m/s (+).

No teorētiskā viedokļa vēja elektrostacijas jaudu aprēķina pēc formulas:

N=p*S*V³/2,

kur:

• p – gaisa masu blīvums;
• S – kopējā dzenskrūves lāpstiņu apūstā platība;
• V – gaisa plūsmas ātrums;
• N – gaisa plūsmas jauda.

Tā kā N ir parametrs, kas būtiski ietekmē vēja ģeneratora jaudu, tad iekārtas reālā jauda būs tuvu aprēķinātajai N vērtībai.

Vēja iekārtu propelleru aprēķins

Konstruējot vēja turbīnu, parasti izmanto divu veidu dzenskrūves:

• lāpstiņveida dzenskrūves – rotācija horizontālā plaknē;
• Savoniusa rotors, Darrieus rotors – rotācija vertikālā plaknē.

Dzenskrūvju konstrukcijas ar rotāciju jebkurā no plaknēm var aprēķināt, izmantojot formulu:

Z= L*W/60/V

kur:

• Z – dzenskrūves ātrgaitas (vai lēngaitas) pakāpe;
• L – lāpstiņu aprakstītā apļa garums;
• W – dzenskrūves rotācijas ātrums (biežums);
• V – gaisa plūsmas ātrums.

Pamatojoties uz šo formulu, var viegli aprēķināt apgriezienu skaitu W – rotācijas ātrumu.

Šādi izskatās rotora konstrukcija ar nosaukumu «Darrieus rotors». Šis propellera variants ir uzskatāms par efektīvu, izgatavojot mazjaudas un maza izmēra vēja ģeneratorus. Dzenskrūves aprēķinam ir dažas īpatnības.

Savukārt darba apgriezienu un vēja ātruma attiecību var atrast tabulās, kas ir pieejamas tīmeklī. Piemēram, dzenskrūvei ar divām lāpstiņām un Z=5, ir spēkā šāda attiecība:

Arī viena no svarīgākajām vēja turbīnas dzenskrūves īpašībām ir solis.

Šo parametru var noteikt, izmantojot formulu:

H=2πR* tg α,

kur:

• 2π – konstante (2*3.14);
• R – lāpstiņas aprakstītais rādiuss;
• tg α – šķērsgriezuma leņķis.

Papildu informācija par lāpstiņu formas un skaita izvēli, kā arī to izgatavošanas instrukcija ir sniegta šajā rakstā.

Ģeneratoru izvēle vējdzirnavām

Izmantojot aprēķināto dzenskrūves apgriezienu skaita vērtību (W), kas iegūta ar iepriekš aprakstīto metodi, jau var izvēlēties (izgatavot) atbilstošu ģeneratoru.

Piemēram, pie ātrgaitas pakāpes Z=5, lāpstiņu skaitam vienādam ar 2 un apgriezienu frekvencei 330 apgr./min. Pie vēja ātruma 8 m/s. ģeneratora jaudai aptuveni jābūt 300 W.

Vēja enerģētiskās iekārtas ģenerators «šķērsgriezumā». Piemērs vienai no iespējamām pašmāju vēja enerģētiskās sistēmas ģeneratora konstrukcijām, kas samontēta pašrocīgi.

Pie šādiem parametriem piemērota izvēle kā ģenerators mājas vēja elektrostacijai var būt motors, ko izmanto mūsdienu elektrovelosipēdu konstrukcijās. Tradicionālais detaļas nosaukums – velomotors (ražots Ķīnā).

Šādi izskatās elektriskais velomotors, uz kura bāzes tiek ieteikts izgatavot ģeneratoru mājas vēja turbīnai. Velomotora konstrukcija ir ideāli piemērota ieviešanai gandrīz bez aprēķiniem un uzlabojumiem. Tomēr to jauda ir neliela.

Elektriskā velomotora raksturlielumi aptuveni šādi:

Pozitīva velomotoru iezīme ir tā, ka tos praktiski nav nepieciešams pārveidot. Tie tika konstrukcijā izstrādāti kā zemgriežu elektromotori un ar panākumiem var tikt izmantoti vēja ģeneratoriem.

Vēja turbīnas izgatavošanai var izmantot automašīnas ģeneratoru vai samontēt iekārtu no veļasmašīnas.

Uzlādes kontroliera aprēķins un izvēle

Akumulatora lādēšanas kontrolieris ir nepieciešams jebkura veida vēja enerģijas iekārtai, ieskaitot mājsaimniecības konstrukciju.

Šīs ierīces aprēķins reducējas līdz tādas elektriskās shēmas izvēlei, kas atbilstu vēja sistēmas aprēķinātajiem parametriem.

No šiem parametriem pamata ir:

• ģeneratora nominālais un maksimālais spriegums;
• ģeneratora maksimāli iespējamā jauda;
• maksimāli iespējamā akumulatora lādēšanas strāva;
• spriegums uz akumulatora;
• apkārtējā gaisa temperatūra;
• apkārtējās vides mitruma līmenis.

Pamatojoties uz uzrādītajiem parametriem, tiek veikta lādēšanas kontroliera montāža paša spēkiem vai gatavas ierīces izvēle.

Akumulatoru lādēšanas kontrolieris, ko izmanto vēja enerģijas iekārtas sastāvā. Rūpnieciski ražota ierīce, kuru izvēloties ir tikai rūpīgi jāizpēta tehniskie parametri precīzai saskaņošanai ar esošo sistēmu.

Protams, vēlams izvēlēties (vai salikt) ierīci, kuras shēma nodrošinātu vieglas palaišanas funkciju vāju gaisa plūsmu apstākļos. Kontrolieris, kas paredzēts darbībai ar dažāda sprieguma baterijām (12, 24, 48 volti), arī ir tikai apsveicams.

Visbeidzot, aprēķinot (izvēloties) kontroliera shēmu, ieteicams neaizmirst par tādas funkcijas esamību kā invertora vadība.

Akumulatora baterijas izvēle sistēmai

Praksē tiek izmantoti dažāda veida akumulatori, un gandrīz visi ir pilnīgi piemēroti izmantošanai vēja enerģijas sistēmas sastāvā. Bet konkrētā izvēle būs jāizdara jebkurā gadījumā. Atkarībā no vēja ģeneratora sistēmas parametriem akumulatora izvēle tiek veikta pēc sprieguma, ietilpības, uzlādes apstākļiem.

Par tradicionālajiem komponentiem mājas vēja ģeneratoriem tiek uzskatīti klasiskie svina-skābes akumulatori. Tie ir parādījuši labus rezultātus praktiskā ziņā. Turklāt šāda veida bateriju izmaksas ir pieņemamākas salīdzinājumā ar citiem veidiem.

Svina-skābes akumulatori ir īpaši nepretenciozi attiecībā uz uzlādes/izlādes apstākļiem, bet tos iekļaut sistēmā bez kontroliera nav pieļaujams.

Ja vēja ģeneratora iekārtas sastāvā ir profesionāli izgatavots uzlādes kontrolieris ar pilnvērtīgu automātikas sistēmu, racionāli šķiet izmantot AGM vai gēla tipa akumulatorus.

Mājas vēja ģeneratora akumulatoru bloks. Ne pats labākais ekspluatācijas variants, ņemot vērā haosu no vadiem un prasības uzglabāšanai. Šādā enerģijas uzkrājēju stāvoklī nevar cerēt uz to ilgtermiņa darbību

Abi enerģijas uzkrājēju veidi raksturojas ar lielāku efektivitāti un ilgu kalpošanas laiku, bet izvirza augstas prasības uzlādes apstākļiem.

Tas pats attiecas uz tā sauktajām bruņu gēla tipa akumulatoru baterijām. Taču šo akumulatoru izvēli mājas vēja ģeneratoram būtiski ierobežo cena. Tomēr šo dārgo bateriju kalpošanas laiks ir visilgākais salīdzinājumā ar visiem citiem veidiem.

Šie akumulatori izceļas arī ar lielāku uzlādes/izlādes ciklu, bet ar nosacījumu, ka tiek izmantota kvalitatīva uzlādes ierīce.

Invertora aprēķins mājas vējdzirnavām

Uzreiz jāpiebilst: ja mājas enerģētiskās vēja iekārtas konstrukcijā ir viens 12 voltu akumulators, jēga uzstādīt invertoru šādai sistēmai pilnībā atkrīt.

Vidēji mājsaimniecības patērētā jauda ir vismaz 4 kW pie maksimālajām slodzēm. No tā izriet secinājums: akumulatoru bateriju skaitam šādai jaudai jābūt vismaz 10 gabaliem un vēlams ar spriegumu 24 volti. Šādam akumulatoru skaitam jau ir jēga uzstādīt invertoru.

Tomēr, lai pilnībā nodrošinātu ar enerģiju 10 akumulatorus ar spriegumu 24 V katram un stabili uzturētu to uzlādi, būs nepieciešams vēja ģenerators ar jaudu vismaz 2–3 kW. Acīmredzot, vienkāršām mājas konstrukcijām šādu jaudu nav iespējams sasniegt.

Mazjaudas invertors (600 W), ko var izmantot mājas mazajai enerģētiskajai iekārtai. No šādas tehnikas ar spriegumu 220 volti var barot televizoru vai nelielu ledusskapi. Gaismekļu lampām lustrā strāvas vairs nepietiks.

Tomēr invertora jaudu var aprēķināt šādi:

1. Summēt visu patērētāju jaudu.
2. Noteikt patēriņa laiku.
3. Noteikt maksimālo slodzi.

Konkrētā piemērā tas izskatīsies šādi.

Pieņemsim, ka slodzi veido mājsaimniecības elektroierīces: apgaismojuma lampas – 3 gab. pa 40 W, televīzijas uztvērējs – 120 W, kompakts ledusskapis 200 W. Summējam jaudu: 3*40+120+200 un iegūstam 440 W.

Noteiksim patērētāju jaudu vidējam laika periodam 4 stundas: 440*4=1760 W. Pamatojoties uz iegūto jaudas vērtību atbilstoši patēriņa laikam, loģiski ir izvēlēties invertoru ar izejas jaudu no 2 kW.

Pamatojoties uz šo vērtību, tiek aprēķināts vajadzīgās ierīces voltampēru raksturlielums: 2000*0,6=1200 V/A.

Klasiskā shēma enerģijas, kas iegūta no sadzīves tipa vēja ģeneratora, atjaunošanai un sadalei. Tomēr, lai nodrošinātu ar ilgtermiņa enerģiju tik daudz ierīču, ir nepieciešama pietiekami jaudīga iekārta (+)

Reāli slodze no mājsaimniecības trīs cilvēku ģimenei, kurā ir pilnvērtīgs sadzīves tehnikas aprīkojums, būs augstāka nekā piemērā aprēķināta. Parasti arī slodzes pieslēgšanas laika parametrs pārsniedz ņemtās 4 stundas. Attiecīgi būs nepieciešams jaudīgāks vēja enerģētiskās sistēmas invertors.

Iepriekšējs vēja ģeneratora aprēķins noderēs ne tikai tā pašrocīgai salikšanai. Noteikt optimālos parametrus ir nepieciešams arī, izvēloties gatavu vēja ģeneratoru.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Kā notiek izejas datu analīze un kā tiek piemērotas formulas, ir parādīts video:

Izmantot aprēķinu datus ir nepieciešams jebkurā gadījumā. Neatkarīgi no tā, vai tā ir rūpnieciskā enerģētiskā iekārta vai izgatavota sadzīves apstākļiem, katra mezgla aprēķins vienmēr nodrošina ierīces maksimālu efektivitāti un, galvenais, – ekspluatācijas drošību.

Iepriekš veiktie aprēķini nosaka projekta īstenošanas lietderību, palīdz noteikt, cik dārgs vai ekonomisks projekts izrādās.

Vai Jums ir pieredze šādu uzdevumu risināšanā? Vai ir palikuši jautājumi par tēmu? Lūdzu, dalieties ar savām prasmēm vēja ģeneratora aprēķināšanā un projektēšanā. Atstāt komentārus un uzdot jautājumus var zemāk esošajā formā.