Jak provést výpočet větrného generátoru: vzorce + praktický příklad výpočtu

Alternativní energie získaná z větrných elektráren vzbuzuje ve společnosti velký zájem. Důkazů o tom na úrovni reálné domácí praxe je mnoho.

Majitelé venkovských nemovitostí staví větrníky vlastníma rukama a spokojí se s dosaženým výsledkem, i když účinek může být krátkodobý. Důvod – při montáži nebyl řádně proveden výpočet větrného generátoru.

Jistě souhlasíte, že byste nechtěli po vynaložení času a prostředků na realizaci projektu získat málo účinnou instalaci. Proto je důležité pochopit, jak provést výpočet větrného generátoru a podle jakých parametrů vybrat hlavní pracovní uzly větrníku.

Řešení těchto otázek je věnován tento článek. Teoretická část materiálu je doplněna názornými příklady a praktickými doporučeními pro montáž větrné elektrárny.

Výpočet větrné elektrárny

Kde začít s výpočtem systému pro výrobu elektřiny z větrné energie? Vzhledem k tomu, že se jedná o větrný generátor, je logické provést předběžnou analýzu větrné růžice v konkrétní lokalitě.

Výpočtové parametry, jako je rychlost větru a jeho převládající směr pro dané území, jsou důležité. Do určité míry určují úroveň výkonu větrné turbíny, kterou bude možné skutečně dosáhnout.

Větrné generátory takového výkonu je obtížné si vůbec představit. Takové konstrukce však existují a efektivně fungují. Výpočty takových konstrukcí však ukazují relativně malý výkon ve srovnání s tradičními zdroji energie.

Je pozoruhodné, že tento proces má dlouhodobý charakter (minimálně 1 měsíc), což je zcela zřejmé. Není možné určit nejpravděpodobnější parametry rychlosti větru a jeho nejčastější směr jedním nebo dvěma měřeními.

Bude potřeba provést desítky měření. Přesto je tato operace skutečně nezbytná, má-li být vybudován účinný a produktivní systém.

Jak vypočítat výkon větrníku

Větrné generátory pro domácí použití, zvláště ty vyrobené svépomocí, dosud neohromily lidi vysokými výkony. To je pochopitelné. Stačí si představit masivní stožár vysoký 8–10 m, osazený generátorem s rozpětím listů vrtule přes 3 m. A to není nejvýkonnější zařízení. Jen asi 2 kW.

Pro údržbu větrných turbín takového výkonu se používají vrtulníky a týmy specialistů čítající až desítky osob. K provedení výpočtu takového energetického zařízení je zapojeno ještě větší množství pracovníků.

Obecně, pokud se opřeme o standardní tabulku ukazující vztah mezi výkonem větrného generátoru a požadovaným rozpětím listů vrtule, je se čemu divit. Podle tabulky je pro větrnou turbínu o výkonu 10 W zapotřebí dvoumetrová vrtule.

Pro konstrukci o výkonu 500 W bude zapotřebí vrtule o průměru 14 m. Parametr rozpětí listů přitom závisí na jejich počtu. Čím více listů, tím menší rozpětí.

To je však pouze teorie, podmíněná rychlostí větru nepřesahující hodnotu 4 m/s. V praxi je vše poněkud jinak a výkon zařízení pro domácí použití, která skutečně fungují po delší dobu, ještě nikdy nepřesáhl 500 W.

Volba výkonu je zde proto obvykle omezena na rozsah 250–500 W při průměrné rychlosti větru 6–8 m/s.

Tabulka závislosti výkonu větrného energetického systému na průměru pracovní vrtule a počtu listů. Tuto tabulku lze použít pro výpočty, avšak s přihlédnutím k tomu, že byla sestavena pro parametr rychlosti větru do 4 m/s (+).

Z teoretického hlediska se výkon větrné elektrárny počítá podle vzorce:

N=p*S*V³/2,

kde:

• p – hustota vzdušných hmot;
• S – celková ovaná plocha lopatek vrtule;
• V – rychlost vzdušného proudu;
• N – výkon vzdušného proudu.

Jelikož N je parametr, který zásadně ovlivňuje výkon větrného generátoru, bude se reálný výkon zařízení nacházet blízko vypočtené hodnoty N.

Výpočet vrtulí větrných elektráren

Při konstrukci větrné turbíny se obvykle používají dva druhy vrtulí:

• vrtulové – rotace v horizontální rovině;
• Savoniův rotor, Darrieův rotor – rotace ve vertikální rovině.

Konstrukce vrtulí s rotací v kterékoli z rovin lze vypočítat pomocí vzorce:

Z= L*W/60/V

kde:

• Z – stupeň rychloběžnosti (pomaloběžnosti) vrtule;
• L – délka kružnice opisované lopatkami;
• W – rychlost (frekvence) otáčení vrtule;
• V – rychlost vzdušného proudu.

Vycházeje z tohoto vzorce lze snadno vypočítat počet otáček W – rychlost otáčení.

Takto vypadá konstrukce vrtule s názvem „Darrieův rotor“. Tato varianta vrtule je považována za účinnou při výrobě větrných generátorů malého výkonu a rozměrů. Výpočet vrtule má určité zvláštnosti

Pracovní poměr otáček a rychlosti větru lze najít v tabulkách, které jsou dostupné na internetu. Například pro vrtuli se dvěma lopatkami a Z=5 platí následující poměr:

Také jedním z důležitých ukazatelů vrtule větrné turbíny je stoupání.

Tento parametr lze určit pomocí vzorce:

H=2πR* tg α,

kde:

• 2π – konstanta (2*3.14);
• R – poloměr opisovaný lopatkou;
• tg α – úhel průřezu.

Další informace o volbě tvaru a počtu lopatek, stejně jako návod na jejich výrobu, jsou uvedeny v tomto článku.

Výběr generátorů pro větrníky

S vypočtenou hodnotou počtu otáček vrtule (W) získanou výše popsanou metodikou lze již vybírat (vyrábět) odpovídající generátor.

Například při stupni rychloběžnosti Z=5, počtu lopatek rovném 2 a frekvenci otáček 330 ot./min. Při rychlosti větru 8 m/s by výkon generátoru měl být přibližně 300 W.

Generátor větrné energetické instalace „v řezu“. Ukázkový exemplář jedné z možných konstrukcí generátoru domácí větrné energetické soustavy sestavené svépomocí

Při těchto parametrech může být vhodnou volbou jako generátor pro domácí větrnou elektrárnu motor, který se používá v konstrukcích moderních elektrokol. Tradiční název součásti – velomotor (výroba ČLR).

Takto vypadá elektrický motor z kola, na jehož základě se navrhuje vyrobit generátor pro domácí větrník. Konstrukce motoru z kola ideálně vyhovuje pro nasazení prakticky bez výpočtů a úprav. Jejich výkon je však malý.

Charakteristiky elektrického motoru z kola jsou přibližně následující:

Pozitivní vlastností motorů z kol je, že je prakticky není třeba přepracovávat. Byly konstrukčně vyvinuty jako elektromotory s nízkými otáčkami a mohou být úspěšně použity pro větrné generátory.

Pro výrobu větrníku lze použít automobilový generátor nebo sestavit agregát z pračky.

Výpočet a výběr regulátoru nabíjení

Regulátor nabíjení akumulátoru je nezbytný pro větrnou elektrárnu jakéhokoli typu, včetně domácí konstrukce.

Výpočet tohoto zařízení spočívá ve výběru elektrického schématu přístroje, které by odpovídalo vypočteným parametrům větrné soustavy.

Z těchto parametrů jsou hlavní:

• jmenovité a maximální napětí generátoru;
• maximální možný výkon generátoru;
• maximální možný nabíjecí proud akumulátoru;
• napětí na akumulátoru;
• teplota okolního vzduchu;
• úroveň vlhkosti okolního prostředí.

Na základě uvedených parametrů se provádí montáž regulátoru nabíjení vlastníma rukama nebo výběr hotového zařízení.

Regulátor nabíjení akumulátorů používaných v rámci větrné elektrárny. Přístroj průmyslové výroby, při jehož výběru stačí pečlivě prostudovat technické parametry pro přesné sladění se stávajícím systémem.

Samozřejmě je vhodné vybrat (nebo sestavit) zařízení, jehož schéma by zajistilo funkci snadného startu v podmínkách slabého proudění vzduchu. Rovněž je vítán regulátor určený pro provoz s bateriemi různého napětí (12, 24, 48 voltů).

Konečně při výpočtu (výběru) schématu regulátoru se doporučuje nezapomínat na přítomnost funkce, jako je řízení invertoru.

Výběr akumulátorové baterie pro systém

V praxi se používají akumulátory různých typů a téměř všechny jsou vhodné pro použití v rámci větrného energetického systému. Konkrétní výběr je však v každém případě nutné provést. V závislosti na parametrech systému větrné turbíny se výběr akumulátoru řídí podle napětí, kapacity a podmínek nabíjení.

Tradičními komponenty pro domácí větrné turbíny jsou klasické kyselino-olověné akumulátory. V praxi prokázaly dobré výsledky. Navíc cena tohoto typu baterií je přijatelnější ve srovnání s jinými druhy.

Olověné kyselé akumulátory jsou obzvláště nenáročné na podmínky nabíjení/vybíjení, ale jejich zařazení do systému bez regulátoru je nepřípustné.

Pokud je součástí větrné generátorové sestavy profesionálně provedený regulátor nabíjení s plnohodnotným automatickým systémem, zdá se racionální použití akumulátorů typu AGM nebo gelových.

Blok akumulátorů domácího větrného generátoru. Není to nejlepší varianta provozu, s ohledem na chaos z kabelů a požadavky na skladování. Při takovém stavu zásobníků energie nelze počítat s jejich dlouhodobým fungováním.

Oba typy zásobníků energie se vyznačují vyšší účinností a dlouhou životností, ale kladou vysoké nároky na podmínky nabíjení.

Totéž platí pro takzvané pancéřové gelové akumulátory. Výběr těchto akumulátorů pro domácí větrnou turbínu je však výrazně omezen cenou. Nicméně životnost těchto drahých baterií je nejdelší ve srovnání se všemi ostatními typy.

Tyto akumulátory se vyznačují také výraznějším cyklem nabíjení/vybíjení, ale za předpokladu použití kvalitní nabíječky.

Výpočet měniče pro domácí větrník

Hned je třeba poznamenat: pokud konstrukce domácí větrné elektrárny obsahuje jeden akumulátor na 12 voltů, smysl instalovat střídač do takového systému zcela odpadá.

Průměrný příkon domácnosti činí nejméně 4 kW při špičkovém zatížení. Z toho vyplývá: počet akumulátorových baterií pro takový výkon by měl být nejméně 10 kusů a ideálně s napětím 24 voltů. Pro takový počet AKU již má smysl instalovat střídač.

Avšak k úplnému zajištění energie pro 10 akumulátorů s napětím 24 W každý a stabilnímu udržení jejich nabití by byl zapotřebí větrný generátor o výkonu nejméně 2-3 kW. Je zřejmé, že pro jednoduché domácí konstrukce takový výkon není možný.

Střídač malého výkonu (600 W), který lze použít pro domácí malou energetickou jednotku. Z takového zařízení lze napájet televizi nebo malou ledničku napětím 220 voltů. Na žárovky v lustru již proud nestačí.

Nicméně výkon střídače lze vypočítat následujícím způsobem:

1. Sečíst výkon všech spotřebičů.
2. Určit dobu spotřeby.
3. Určit špičkové zatížení.

Na konkrétním příkladu to bude vypadat takto.

Předpokládáme, že jako zátěž máme domácí elektrické spotřebiče: osvětlovací lampy – 3 ks po 40 W, televizní přijímač – 120 W, kompaktní lednička 200 W. Sečteme výkon: 3*40+120+200 a dostaneme výstup 440 W.

Určíme výkon spotřebičů pro průměrnou dobu 4 hodiny: 440*4=1760 W. Na základě získané hodnoty výkonu podle doby spotřeby se jeví logickým výběr střídače z řady takových zařízení s výstupním výkonem od 2 kW.

Na základě této hodnoty se vypočítá voltampérová charakteristika požadovaného zařízení: 2000*0,6=1200 V/A.

Klasické schéma výroby a distribuce energie získané z větrného generátoru domácího typu. Aby však bylo možné takové množství spotřebičů dlouhodobě zásobovat energií, je potřeba dostatečně výkonné zařízení (+)

Reálné zatížení domácnosti tříčlenné rodiny s plným vybavením domácími spotřebiči bude vyšší, než je uvedeno v příkladu. Obvykle také doba připojení zátěže překračuje uvažované 4 hodiny. V důsledku toho bude vyžadován výkonnější měnič pro větrný energetický systém.

Předběžný výpočet větrné turbíny se hodí nejen pro její vlastní montáž. Stanovit optimální parametry je nutné také při výběru hotového větrného generátoru.

Závěry a užitečné video k tématu

Jak probíhá analýza výchozích dat a jak se používají vzorce, je uvedeno na videu:

Používat výpočtová data je nutné v každém případě. Ať už se jedná o průmyslové energetické zařízení nebo zařízení vyrobené pro domácí podmínky, výpočet každého uzlu vždy přináší maximální účinnost zařízení a hlavně – bezpečnost provozu.

Předběžně provedené výpočty určují vhodnost realizace projektu a pomáhají zjistit, jak nákladný nebo úsporný projekt je.

Máte zkušenosti s řešením takových úkolů? Nebo máte otázky k tématu? Podělte se prosím o své dovednosti v oblasti výpočtu a návrhu větrného generátoru. Komentáře a dotazy můžete zanechat ve formuláři níže.