Como calcular um gerador eólico: fórmulas + exemplo prático de cálculo

A energia alternativa recebida das turbinas eólicas é de grande interesse na sociedade. Há muitas confirmações para isso no nível das práticas domésticas reais.

Os proprietários de imóveis suburbanos constroem moinhos de vento com as próprias mãos e se contentam com o resultado, embora o efeito possa durar pouco. O motivo - durante a montagem, o gerador eólico não foi calculado corretamente.

Concordo, não gostaria de gastar tempo e dinheiro no projeto para obter uma instalação ineficiente. Portanto, é importante entender como calcular o gerador eólico e por quais parâmetros escolher as principais unidades de trabalho da turbina eólica.

O artigo é dedicado à solução dessas perguntas. A parte teórica do material é complementada por exemplos ilustrativos e recomendações práticas para a montagem de um gerador eólico.

Cálculo de um gerador eólico

Por onde começar a calcular o sistema de reprodução de eletricidade a partir da energia eólica? Considerando que estamos falando de um gerador eólico, uma análise preliminar da rosa dos ventos em uma área específica parece lógica.

Parâmetros de projeto, como velocidade do vento e sua direção característica para um determinado território, são parâmetros importantes de projeto. Em certa medida, eles determinam o nível de potência do moinho de vento, o que será possível.

É difícil imaginar geradores eólicos com tanta potência. Mas projetos semelhantes existem e funcionam efetivamente. No entanto, os cálculos dessas estruturas mostram uma potência relativamente pequena em comparação com as fontes de energia tradicionais.

O que é digno de nota, esse processo é de natureza de longo prazo (pelo menos 1 mês), o que é bastante óbvio. É impossível calcular os parâmetros mais prováveis ​​da velocidade do vento e sua direção mais frequente com uma ou duas medições.

Dezenas de medições serão necessárias. No entanto, essa operação é realmente necessária se houver um desejo de construir um sistema produtivo eficaz.

Como calcular a potência de um moinho de vento

Os geradores eólicos domésticos, especialmente aqueles feitos com as próprias mãos, ainda não tiveram que surpreender as pessoas com alta potência. É compreensível. Basta imaginar um mastro maciço de 8 a 10 m de altura, equipado com um gerador com uma extensão de pás de hélice superior a 3 m, e essa não é a instalação mais poderosa. Apenas cerca de 2 kW.

Para a manutenção de moinhos de vento dessa potência, são utilizados helicópteros e equipes de especialistas, com uma dúzia de pessoas. Para calcular essa usina, um número ainda maior de artistas está envolvido

Em geral, se você contar com uma tabela padrão que mostre a proporção da potência do gerador eólico e a amplitude necessária das pás do rotor, não há nada para se surpreender. De acordo com a tabela, é necessária uma hélice de 10 metros para um moinho de vento de 10 W.

Para um projeto de 500 watts, será necessário um parafuso com um diâmetro de 14 m. Além disso, o parâmetro de extensão da lâmina depende do seu número. Quanto mais lâminas, menor o escopo.

Mas isso é apenas uma teoria, devido à velocidade do vento não superior a 4 m / s. Na prática, tudo é um pouco diferente, e o poder das instalações domésticas que estão em vigor há muito tempo nunca excedeu 500 watts.

Portanto, a escolha de potência aqui geralmente é limitada à faixa de 250 a 500 W com uma velocidade média do vento de 6-8 m / s.

Tabela da dependência da potência do sistema de energia eólica no diâmetro do rotor e no número de pás. Esta tabela pode ser usada para cálculos, mas levando em consideração sua compilação para um parâmetro de velocidade do vento de até 4 m / s (+)

Do ponto de vista teórico, a potência de uma usina eólica é calculada pela fórmula:

N = p * S * V³/2,

onde:

• p - densidade das massas de ar;
• S - área total soprada das pás da hélice;
• V - vazão do ar;
• N - taxa de fluxo de ar.

Como N é um parâmetro que afeta drasticamente a potência do gerador eólico, a potência real da instalação estará próxima do valor calculado de N.

Cálculo dos parafusos das turbinas eólicas

Ao projetar um moinho de vento, geralmente são usados ​​dois tipos de parafusos:

• alado - rotação no plano horizontal;
• Rotor Savonius, rotor Daria - rotação no plano vertical.

O design dos parafusos com rotação em qualquer um dos planos pode ser calculado usando a fórmula:

Z = L * W / 60 / V

onde:

• Z - o grau de velocidade (baixa velocidade) do parafuso;
• L - o tamanho do comprimento descrito pelas lâminas do círculo;
• W - velocidade (frequência) de rotação do parafuso;
• V - taxa de fluxo de ar.

Com base nesta fórmula, pode-se calcular facilmente o número de rotações W - a velocidade de rotação.

Este é o design do parafuso chamado "Daria Rotor". Esta versão da hélice é considerada eficaz na fabricação de geradores eólicos de pequena potência e tamanho. O cálculo do parafuso possui alguns recursos

Uma relação de trabalho de rotações e velocidade do vento pode ser encontrada nas tabelas disponíveis na rede. Por exemplo, para um parafuso com duas lâminas e Z = 5, a seguinte relação é verdadeira:

Também um dos indicadores importantes de um suporte de turbina eólica é um passo.

Este parâmetro pode ser determinado usando a fórmula:

H = 2πR * tan α,

onde:

• 2π - constante (2 * 3,14);
• R - o raio descrito pela lâmina;
• tg α - ângulo de seção.

Informações adicionais sobre a escolha da forma e número de lâminas, bem como instruções para sua fabricação, são fornecidas em este artigo.

Seleção de geradores para moinhos de vento

Tendo o valor calculado da velocidade de rotação do parafuso (W) obtido pelo método acima, já é possível selecionar (fabricar) o gerador correspondente.

Por exemplo, quando o grau de velocidade Z = 5, o número de lâminas é igual a 2 e a velocidade de 330 rpm. A uma velocidade do vento de 8 m / s. a potência do gerador deve ser de aproximadamente 300 watts.

Gerador de uma instalação de energia eólica "na seção".Um exemplo representativo de um dos projetos possíveis de um gerador de um sistema de energia eólica doméstico, montado de forma independente

Com esses parâmetros, o motor usado na construção de bicicletas elétricas modernas pode ser uma escolha adequada como gerador para um parque eólico doméstico. O nome tradicional da peça é um motor de ciclo (produção da RPC).

Parece um motor de ciclo elétrico, com base no qual é proposto fazer um gerador para uma turbina eólica doméstica. O projeto do motor de ciclo é ideal para implementação praticamente sem cálculos e melhorias. No entanto, seu poder é pequeno

As características do motor do ciclo elétrico são aproximadamente as seguintes:

Uma característica positiva dos motores de ciclo é que eles praticamente não precisam ser refeitos. Eles foram construtivamente desenvolvidos como motores elétricos de baixa velocidade e podem ser usados ​​com sucesso em geradores eólicos.

Para fazer um moinho de vento, você pode use gerador de carro ou coletar unidade de máquina de lavar.

Cálculo e escolha do controlador de carregamento

É necessário um controlador de carga da bateria para qualquer tipo de instalação de energia eólica, incluindo uma construção doméstica.

O cálculo deste dispositivo é reduzido à seleção do circuito elétrico do dispositivo, o que corresponderia aos parâmetros calculados do sistema eólico.

Desses parâmetros, os principais são:

• tensão nominal e máxima do gerador;
• a potência máxima possível do gerador;
• corrente de carga máxima possível da bateria;
• voltagem da bateria;
• temperatura ambiente;
• nível de umidade ambiental.

Com base nos parâmetros apresentados, montagem do controlador de carga faça você mesmo ou a seleção de um dispositivo acabado.

Controlador de carga da bateria usado como parte de uma usina eólica. Um dispositivo de fabricação industrial, escolhendo o que você só precisa estudar cuidadosamente as especificações técnicas para uma coordenação exata com o sistema existente

Obviamente, é desejável selecionar (ou montar) um dispositivo cujo circuito forneceria uma função de partida fácil no fluxo de fluxos de ar fracos. Um controlador projetado para uso com baterias de diferentes tensões (12, 24, 48 volts) também é bem-vindo.

Finalmente, ao calcular (selecionar) o circuito do controlador, é recomendável não esquecer a presença de uma função como controle do inversor.

Seleção de bateria para o sistema

Na prática, diferentes tipos de baterias são usados ​​e quase todos são adequados para uso como parte de um sistema de energia eólica. Mas a escolha concreta terá que ser feita de qualquer maneira. Dependendo dos parâmetros do sistema de moinho de vento, a seleção da bateria é realizada de acordo com a tensão, capacidade e condições de carga.

Os componentes clássicos para moinhos de vento domésticos são considerados baterias de chumbo-ácido clássicas. Eles mostraram bons resultados em um sentido prático. Além disso, o custo desse tipo de bateria é mais aceitável em comparação com outros tipos.

As baterias de chumbo-ácido são especialmente despretensiosas às condições de carga / descarga, mas é inaceitável incluí-las no sistema sem um controlador.

Se houver um controlador de carga fabricado profissionalmente no grupo gerador eólico que possua um sistema de automação completo, parece racional o uso de baterias AGM ou hélio.

Gerador eólico doméstico de bateria. Não é a melhor opção, dado o caos dos fios e os requisitos de armazenamento. Com esse estado de armazenamento de energia, não se pode contar com o efeito a longo prazo.

Ambos os tipos de dispositivos de armazenamento de energia são caracterizados por uma maior eficiência e uma longa vida útil, mas possuem altos requisitos para condições de carregamento.

O mesmo se aplica às chamadas baterias blindadas do tipo hélio. Mas a escolha dessas baterias para um moinho de vento doméstico é significativamente limitada pelo preço. No entanto, a vida útil dessas baterias caras é a mais longa em relação a todos os outros tipos.

Essas baterias também se distinguem por um ciclo de carga / descarga mais significativo, mas estão sujeitas ao uso de um carregador de alta qualidade.

Cálculo do inversor para uma turbina eólica doméstica

Deve-se notar imediatamente: se o projeto de uma turbina eólica de energia doméstica contiver uma bateria de 12 volts, faz sentido colocar um inversor em tal sistema completamente.

Em média, o consumo de energia das famílias é de pelo menos 4 kW em picos de carga. Daí a conclusão: o número de baterias para essa energia deve ser de pelo menos 10 peças e, de preferência, sob tensão de 24 volts. Já faz sentido instalar um inversor para esse número de baterias.

No entanto, para fornecer energia total a 10 baterias com uma tensão de 24 W cada e para manter sua carga de maneira estável, será necessária uma turbina eólica com potência de pelo menos 2-3 kW. Obviamente, para projetos simples domésticos, esse poder não pode ser puxado.

Um pequeno inversor de energia (600 W) que pode ser usado para uma pequena instalação de energia doméstica. Você pode alimentar uma TV ou uma geladeira pequena com esse equipamento com uma voltagem de 220 volts. Não há corrente suficiente para as lâmpadas no candelabro

No entanto, a potência do inversor pode ser calculada da seguinte forma:

1. Resuma o poder de todos os consumidores.
2. Determine o tempo de consumo.
3. Determine o pico de carga.

Para um exemplo concreto, será assim.

Haja aparelhos domésticos como carga: lâmpadas de iluminação - 3 peças. 40 W cada, receptor de televisão - 120 W, refrigerador compacto de 200 W. Resumimos a potência: 3 * 40 + 120 + 200 e obtemos 440 watts de saída.

Determinamos o poder dos consumidores por um período médio de 4 horas: 440 * 4 = 1760 watts. Com base no valor de potência obtido de acordo com o tempo de consumo, parece lógico selecionar um inversor dentre esses dispositivos com uma potência de saída de 2 kW.

Com base nesse valor, é calculada a característica de tensão de corrente do dispositivo necessário: 2000 * 0,6 = 1200 V / A.

O esquema clássico de reprodução e distribuição de energia recebida de um gerador eólico do tipo doméstico. No entanto, para fornecer energia a longo prazo com um número tão grande de dispositivos, é necessária uma instalação suficientemente poderosa (+)

Na verdade, a carga da família para uma família de três pessoas, onde há equipamento completo para eletrodomésticos, será maior do que o calculado no exemplo. Geralmente, em termos de tempo de conexão da carga, o parâmetro excede 4 horas. Consequentemente, o inversor do sistema de energia eólica exigirá um mais potente.

O cálculo preliminar do moinho de vento é útil não apenas para sua montagem independente. É necessário determinar os parâmetros ideais quando escolhendo um gerador eólico acabado.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Como a análise dos dados de origem e como as fórmulas são aplicadas é apresentada no vídeo:

É necessário usar os dados calculados em qualquer caso. Seja uma usina industrial ou fabricada para condições de vida, o cálculo de cada nó sempre traz consigo a máxima eficiência do dispositivo e, mais importante, a segurança da operação.

Cálculos pré-feitos determinam a viabilidade do projeto, ajudam a estabelecer o quão caro ou econômico o projeto é.

Tem experiência na solução de tais problemas? Ou tem perguntas sobre o tópico? Por favor, compartilhe suas habilidades no cálculo e design de um gerador eólico. Você pode deixar comentários e fazer perguntas no formulário abaixo.