Výpočet výkonu větrného generátoru, větrné turbíny. Výpočet vzhledem k rychlosti větru |

„Elektřina za nás může všechno. “ – tak se v polovině minulého století zpívalo studentům vysokých škol elektrotechnických. V této humorné „ódě“ na elektřinu je věnována spousta fantazie, ale dnes můžeme s jistotou říci, že moderní člověk by bez elektřiny prostě zmizel. Pokud by nám svíčky mohly nahradit „Iljičovu žárovku“, tak co všechno ostatní?

K dnešnímu dni lidé objevili různé způsoby výroby elektrického proudu:

• galvanické články, ve kterých se chemická energie přeměňuje na elektrickou energii;
• tepelné generátory, ve kterých se tepelná energie přeměňuje na elektřinu;
• solární panely, kde se sluneční energie přeměňuje na elektřinu.

Každý z těchto zdrojů má své výhody a nevýhody. Převládaly však generátory, ve kterých se mechanická energie přeměňuje na energii střídavého elektrického proudu. Jedná se o tzv. indukční generátory, jejichž činnost je založena na jevu elektromagnetické indukce.

Trocha historie a teorie

Připomeňme si malý školní kurz fyziky, ze kterého víme, že fenomén elektromagnetické indukce objevil v roce 1831 anglický fyzik Michael Faraday. A spočívá v následujícím: při jakékoli změně magnetického toku pronikajícího do uzavřeného vodivého obvodu vzniká v tomto obvodu elektrický proud.

To znamená, že ve své nejjednodušší podobě takový generátor vypadá jako rám umístěný v poli permanentního magnetu, který se otáčí pod vlivem mechanické síly. Tento typ generátoru střídavého proudu se stacionárním magnetickým systémem (induktor) a rotujícími cívkami vodiče (kotva) se však používá velmi zřídka. To je způsobeno skutečností, že pohyblivé kontakty jsou nutné k odstranění proudu z pohyblivé cívky a při vysokonapěťovém proudu v takových kontaktech dojde k silnému jiskření. Proto se u naprosté většiny indukčních generátorů střídavého proudu vinutí (kotva), ve kterém se indukuje proud, stane nehybným a nazývá se stator a magnetický systém (induktor), který se nazývá rotor, se otáčí. U výkonných generátorů se magnetické pole obvykle vytváří pomocí elektromagnetu napájeného ze zdroje stejnosměrného proudu – budiče.

Avšak s příchodem magnetů vyrobených ze slitiny neodym-železo-bor, které svými vlastnostmi výrazně převyšují jiné typy permanentních magnetů, bylo možné vyrobit rotor generátoru na bázi permanentních magnetů. Neodymové magnety vyvinuté v 70.–80. letech minulého století se vyznačují vysokými a stabilními magnetickými vlastnostmi při malých rozměrech.

Nyní pár slov o mechanické energii, kterou generátor přeměňuje na elektřinu. K otáčení rotoru generátoru se využívá vodní energie (vodíkové generátory) a páry (parní generátory). Existují generátory poháněné dieselovými a benzínovými spalovacími motory. Starost o životní prostředí a úspora vlastních peněz přiměly lidi, aby si vzpomněli na takového „neúnavného pracovníka“, jakým je vítr. Od nepaměti lidé využívali větrnou energii k pohonu lodí a přeměně obilí na mouku. Moderní větrné motory pro elektrické generátory mají svůj původ ve větrných mlýnech. Spojením větrné turbíny (větrného mlýna) s elektrickým generátorem vyrobeným pomocí moderních magnetů získáme větrný generátor s neodymovými magnety – ekologický a ekonomický zdroj elektrické energie.

Co je dobrého na větrném generátoru?

O výhodách tohoto typu zdrojů střídavého proudu dnes nebude polemizovat ani zarytý skeptik.

Hodnoty napětí, výkonu a proudu získané z generátoru pro větrný mlýn vyrobený sami vám samozřejmě neumožní napájet všechny elektrické spotřebiče v poměrně velkém venkovském domě. Ale zásobování malého venkovského domu elektřinou, zejména pokud se nachází daleko od elektrické sítě, je zcela racionální řešení. A i když získáte jen část elektřiny spotřebované pro váš domov z větrného mlýna, úspory v budoucnu budou patrné.

Výroba generátoru pro větrný mlýn je navíc zajímavá kreativní práce, po které na sebe můžete být právem hrdí.

Z čeho se vyrábějí větrné generátory a jaké jsou typy?

Požadované prvky takového magnetického větrného generátoru jsou:

1) Stožár, na kterém je instalováno větrné kolo a generátor. Jeho výška se volí na základě konkrétních přírodních podmínek a lidských potřeb.

2) Motor pro větrný mlýn je větrné kolo s lopatkami, které převádí pohyb větru na rotační pohyb hřídele rotoru generátoru.

3) Generátor, který vyrábí střídavý elektrický proud, jehož velikost závisí na parametrech statoru a rotoru generátoru a na rychlosti otáčení větrného kola, které dává rotoru pohyb.

Kromě toho může systém obsahovat řadu pomocných zařízení, která řídí provoz systému a zlepšují kvalitu přijímaného proudu: regulátor, baterie, měniče, stabilizátory.

V závislosti na směru osy otáčení existují dva typy větrných generátorů – vertikální a horizontální.

Horizontální (vrtulové) mají větší účinnost, ale jsou složitější v konstrukci, protože obsahují systém, který orientuje vrtuli ve větru. Výroba takových větrných generátorů je obtížnější a fungují pouze při dostatečně vysokých rychlostech větru. Větrné turbíny s horizontální osou otáčení navíc vyžadují poměrně velký prostor, zatímco modely s vertikální osou otáčení jsou mnohem kompaktnější.

Vertikální větrné turbíny jsou konstrukčně jednodušší, levnější, ale jejich účinnost je nižší.

Vraťme se ale k srdci každého větrného mlýna – elektrickému generátoru na střídavý proud, jehož rotor je vyroben z neodymových magnetů.

Jak sestavit generátor magnetů

Sestavení rotoru

Rotor takového magnetického větrného generátoru je konstrukčně sestavou dvou ocelových disků umístěných vzájemně rovnoběžně. Disky jsou k sobě pevně připevněny přes distanční pouzdro a nasazeny na hřídeli, jejíž rotaci zajišťuje větrná turbína. Rotor se doporučuje vyrobit z náboje automobilu doplněného o brzdové kotouče. Jedná se o spolehlivou a dobře vyváženou základnu rotoru. Bude levnější koupit použitý rozbočovač. V takovém případě je nutné jej rozebrat, důkladně vyčistit a zkontrolovat a promazat ložiska. Rotorové kotouče si můžete vyrobit sami z nízkouhlíkové oceli. Samozřejmě můžete použít i jiný materiál, ale je třeba si uvědomit, že při použití nemagnetického materiálu se účinnost generátoru výrazně snižuje.

Po obvodu každého disku jsou magnety. Jaké magnety jsou potřeba pro větrný generátor? Můžete si vzít kotoučové nebo obdélníkové magnety, ale nejlepšího efektu dosáhnou neodymové sektorové magnety. Jejich velikost a počet se může lišit v závislosti na vašem cíli a schopnostech. Počet párů magnetických pólů však musí být sudý a pro jednofázový generátor by jich mělo být tolik, kolik je cívek ve statoru, a pro třífázový generátor – čtyři nebo dva páry pro tři cívky . Magnety po obvodu disku jsou instalovány se střídavými póly: N–S–N–S…. Chcete-li to provést, musíte nejprve vytvořit šablonu, abyste přesně označili umístění každého magnetu.

Rozměry kotoučů rotoru se vypočítávají na základě velikosti magnetů a jejich počtu. Tloušťka kotouče pro rotor by měla být řádově tloušťka magnetu.

Magnety jsou k disku přilepeny superlepidlem a poté je disk naplněn epoxidovou pryskyřicí. Aby nedocházelo k jejímu stékání po vnitřním a vnějším obvodu disku, jsou strany vyrobeny z pásky, plastelíny nebo jiného dostupného materiálu. Před plněním kotouče epoxidem doporučujeme každý kotouč označit magnetem, jehož póly směřují opačně, aby nedošlo k pozdější záměně při montáži. Při montáži generátoru byste měli zajistit, aby magnety na kotoučích rotoru byly umístěny přesně proti sobě a měly opačné póly nasměrované k sobě. Schematický nákres rotoru větrného mlýna s rozložením magnetických siločar je na Obr. 1.

Výroba statorů větrných generátorů

Nyní je potřeba generované magnetické pole přeměnit na elektřinu. K tomuto účelu se používá stator – stacionární vinutí z měděného drátu, umístěné tak, že magnetické siločáry tvořené magnety rotoru protínají při otáčení dráty vinutí.

Stator generátoru je umístěn v mezeře mezi kotouči rotoru. Skládá se z pevných plochých cívek bez jader. V každé cívce, když siločáry magnetického pole protnou magnetické pole, se objeví indukované emf, proměnné ve velikosti a směru. Velikost napětí a tím i účinnost větrného generátoru závisí na rychlosti otáčení rotoru, na počtu závitů v každé cívce, na počtu cívek samotných a na průměru měděného drátu použitého pro jejich výroba.

Generátor může být jednofázový nebo třífázový. První je jednodušší, ale druhý je výhodnější ze dvou důvodů. Za prvé, ve větrném mlýně s obvodem třífázového generátoru nedochází k vibracím, které sužují jednofázový generátor při zatížení. Třífázový generátor je navíc více než 1,5krát účinnější než jednofázový.

Počet a parametry cívek pro rotor jsou vypočteny na základě počtu magnetů, jejich šířky, zvoleného poměru 4/3 nebo 2/3 a průměru drátu.

Pokud použijete pro vinutí tenký drát, pak lze cívky statoru navinout s větším počtem závitů, napětí na výstupu generátoru bude vyšší, ale jeho zatížitelnost je nižší. Použitím silnějšího drátu s nižším odporem se mezera statoru přizpůsobí vinutí s menším počtem závitů, což má za následek nižší výstupní napětí, ale vyšší zatížitelnost. Tvar cívek je určen tvarem magnetů a za optimální tloušťku statoru se považuje hodnota rovnající se tloušťce magnetů. Počet závitů každé cívky se získá vydělením celkového počtu závitů vinutí počtem cívek a celkový počet závitů statorového vinutí je určen na základě emf, velikosti magnetické indukce a průměrná rychlost rotoru.

Po navinutí cívek se rozloží na předem připravenou šablonu s vyznačenými sektory a vzájemně se spojí v závislosti na zvoleném schématu. V jednofázové verzi jsou všechny cívky navzájem zapojeny do série. Je třeba vzít v úvahu, že proudy v sousedních cívkách budou mít opačné směry, takže začátek je spojen se začátkem další cívky a konec s koncem další cívky. Dráty ze začátku první a konce poslední cívky jsou vyvedeny ven. U třífázové verze je každá třetí cívka vzájemně propojena. Vodiče každé fáze jsou vyvedeny a následně spojeny do hvězdy nebo trojúhelníku. Schémata zapojení vinutí generátoru jsou na obr. 2.

Pro pevnost je pod cívky a na ně umístěno sklolaminát a celá konstrukce je vyplněna epoxidovou pryskyřicí. Po vytvrzení se vyvrtají otvory pro montážní šrouby.

Oba rotorové disky jsou instalovány na hřídeli na obou stranách statoru ve vypočítané vzdálenosti k přednímu rotorovému disku.

Podívejme se do budoucnosti

Lidské myšlení nestojí na místě a dnes nejběžnější horizontální větrné generátory postupně ustupují vertikálním. Může za to nástup technologie magnetické levitace, neboli takzvaných větrných generátorů magnetické levitace. V tomto provedení listy křídel s malými rozměry maximálně využívají energii větru, to znamená, že účinnost zde bude mnohem vyšší.

Vedení v aplikaci této technologie patří Číňanům, ale nyní v mnoha zemích světa inženýři pracují na vytvoření výkonných větrných generátorů s magnetickou levitací, což umožňuje přechod na obnovitelné zdroje energie v průmyslovém měřítku.

Velké větrné elektrárny dnes konkurují jiným zdrojům elektřiny. Celková kapacita větrných elektráren instalovaných po celém světě se každé tři roky zdvojnásobí. Nehledě na to, že podíl el energie větrných turbín tvoří pouze 1 % světové spotřeby elektřiny, v některých zemích je to 5-20 %.
[adsense_id=”1″]
Pokud jde o malé větrné generátory pro poskytování elektřiny jednotlivým domácnostem nebo malým podnikům, jsou obvykle stále příliš drahé ve srovnání s energií, kterou produkují. A i když je vítr volný, Doba návratnosti malých větrných generátorů může být 5-15 letv závislosti na místě instalace, výkonu a technických vlastnostech větrného generátoru. Věž, baterie, střídač a některá další zařízení výrazně zvyšují náklady na větrné generátory. Kromě toho není vždy dostatek větrné energie pro provoz větrného generátoru a nabití baterie nemusí stačit k napájení elektrických spotřebičů. Proto ve většině případů větrný generátor se počítá a používá jako doplňkový zdroj elektřiny.

Účinnost větrných elektráren v našich podmínkách lze výrazně zvýšit a dobu návratnosti výrazně zkrátit, pokud je vyrobená elektřina v zimě využívána k ohřevu vody v topném systému a v létě pro potřeby domácnosti. V tomto případě odpadá nákup baterií a měniče, což výrazně snižuje náklady na instalaci. Stačí vyrobit elektrokotel a zapojit jej do systému.

Většina z těch, kteří již přišli na myšlenku instalace větrných turbín a pečlivě studovali nabídky na trhu, byla zklamána.

Cena větrných turbín se pohybuje od 1 000 do 3 000 USD za 1 kW výkonu. A s našimi větry turbína během roku tolik elektřiny nevyrobí. Doba návratnosti systému je minimálně 15 let. Nemá smysl to instalovat. Je to opravdu pravda? Pokusíme se na tuto otázku odpovědět a hledat cesty, jak problém vyřešit.
Nejdůležitější otázkou, kterou je třeba zodpovědět, je před výběrem větrného generátoru, to je: Kolik kWh elektřiny dokáže vyrobit větrný generátor za rok ve vaší oblasti?
K zodpovězení této otázky je nutné:
— Vypočítejte výkon elektrického generátoru, bude na něm záviset průměr větrného kola a minimální výška věže;
— Analyzujte údaje o rychlosti větru z nejbližší meteorologické stanice po celý rok.
Nejprve však analyzujme vzorec výkonu proudění vzduchu:
P = r V 3 S / 2, [B t]

d e r — hustota vzduchu (za normálních podmínek = 1,225 kg/m 3);
V — rychlost proudění vzduchu, m/s;
S = Π R 2 = Π D 2/4 — plocha proudění větru, m 2.

Protože žádná turbína nedokáže využít 100 % energie větru, je pro výpočet výkonu větrného generátoru nutné zadat do vzorce koeficient účinnosti turbíny k, který může mít hodnotu 0,2-0,5:

P * = k r V 3 S / 2, [B t]

Ze vzorce je zřejmé, že síla proudění větru je úměrná třetí mocnině rychlosti větru a druhé mocnině průměru turbínového kola. To znamená, že pokud se rychlost větru zdvojnásobí, výkon proudění se zvýší 8krát, a pokud se délka lopatek zdvojnásobí, výkon větrného generátoru se zvýší 4krát. Tabulka ukazuje hodnoty výkonu větrné turbíny v závislosti na rychlosti větru a průměru kola turbíny. Koeficient účinnosti turbíny k = 0,25.
[adsense_id=”1″]

V m/s	3	4	5	6	7	8	9	10	11
P W d = 1 m	3	8	15	27	42	63	90	122	143
PW d = 2 m	13	31	61	107	168	250	357	490	650
PW d = 3 m	30	71	137	236	376	564	804	1102	1467
PW d = 4 m	53	128	245	423	672	1000	1423	1960	2600
PW d = 5 m	83	196	383	662	1050	1570	2233	3063	4076
PW d = 6 m	120	283	551	953	1513	2258	3215	4410	5866
PW d = 7 m	162	384	750	1300	2060	3070	4310	6000	8000
PW d = 8 m	212	502	980	1693	2689	4014	5715	7840	10435
PW d = 9 m	268	635	1240	2140	3403	5080	7230	9923	13207
PW d = 10 m	331	784	1531	2646	4200	6270	8930	12250	16300

Můžete vidět, jak moc se zvětší velikost síly proudění větru se zvýšením rychlosti větru pouze o 1 m/s.
Technické údaje větrného generátoru vždy uvádějí jmenovitý výkon a rychlost větru, při které je dosahován. Jmenovitý výkon větrných generátorů je zpravidla dosahován při rychlosti větru 7 – 11 m/s. Nemá cenu instalovat větrný generátor, jehož jmenovitý výkon je dosahován při rychlosti větru 11 m/s, pokud se takový vítr vyskytuje velmi zřídka. Správně nastavit vibrační vitrogenerátor je možné pouze v případě, že máte údaje o rychlosti větru v místě instalace a provádíte výpočty. Při nákupu větrného generátoru byste samozřejmě měli věnovat pozornost také faktoru účinnosti turbíny k.

Chcete-li ukázat, co je třeba vzít v úvahu při rozhodování o instalaci a výpočtu větrného generátoru, zvažte následující příklad:

[adsense_id=”1″]
Farma potřebuje nainstalovat elektrický generátor, který může spotřebitelům elektřiny poskytnout maximální zatížení 2,7 kW a průměrnou denní spotřebu elektřiny 10 kW * hodina. Z toho vyplývá, že větrný generátor musí denně vyrobit průměrně 10 kWh elektřiny. Toto množství elektřiny dokáže vyrobit za den generátor o výkonu 0,5 kW, pokud je neustále v provozu. Vítr ale ne vždy fouká na plný výkon větrného generátoru a je často velmi slabý. Nyní je nutné zjistit, jaký je průměrný denní výkon větru v místě, kde je větrný generátor instalován. Z tabulky vidíme, že přibližně stejný výkon může mít větrný generátor s kolem d = 4m při rychlosti větru 8m/s, d = 5m při rychlosti větru 7m/s, d = 6m při rychlosti větru 6m/s, d = 8m při rychlosti větru 4m/s. Před instalací větrného generátoru je proto nutné znát přibližnou předpověď rychlosti větru podle měsíce a poté vybrat požadovaný větrný generátor. Přesné údaje lze získat měřením rychlosti větru za určitou dobu pomocí anemometru. Údaje o rychlosti větru lze také získat z nejbližší meteostanice, ale nebudou zohledňovat charakteristiky oblasti, kde se plánuje instalace větrného generátoru.