Popularni Postovi

Izbor Urednika - 2019

DIY generator vjetra: izračun vijaka i alternatora

Izračun vjetroagregata i alternatora za kućne vjetroturbine. Mogućnosti dizajna - iskustvo korisnika portala.

Nastavljajući na temu energije vjetra u kućanstvu, smatramo da je naša dužnost reći o dizajnu vjetrogeneratora - ključnog elementa sustava. Članak je namijenjen onima koji planiraju sastaviti "srce" vjetroelektrane vlastitim rukama.

Sudeći po iskustvima korisnika TheWicka, koji nisu navikli na jednostavne načine, izgradnja vjetrogeneratora samostalno je zadatak koji je sasvim izvodljiv. Prvo što treba učiniti za njegovu uspješnu implementaciju je ispravno izračunavanje glavnih elemenata instalacije.

Da bi vam glavne točke predstavljene u ovom članku bile jasne, preporučujemo da se upoznate s materijalima navedenim u prvom i drugom dijelu.

Iz članka ćete saznati:

  • Kako izračunati radni vijak vjetrogeneratora.
  • Koje vrste generatora su najprikladnije za montažu kod kuće.
  • Kako izračunati performanse alternatora.

Izračun radnog vijka

Pretvorba mehaničke energije struje zraka u električnu energiju započinje s radnim vijkom. Dakle, metoda izračunavanja vjetra kotača, prvo razmatramo. To radimo na primjeru najčešćeg tropologa vijka s horizontalnom osi rotacije.

Ključno pravilo koje treba slijediti pri izračunu vjetrenjače je sljedeće: snaga strujanja vjetra, koja se može ukloniti iz radnih noževa uređaja, mora odgovarati električnoj snazi ​​samog generatora. Objasnimo zašto: ako je snaga vijka preniska, onda čak i uz jak vjetar vijak neće moći pomaknuti rotor generatora pod opterećenjem. Ako se, naprotiv, vijak ispostavi da je prejak za generator, onda će s jakim vjetrom okretati rotor do vrlo visokih okretaja, što će neminovno dovesti do uništenja cijele instalacije.

S obzirom na ovaj trenutak, razmotrit ćemo postupak izračunavanja vijka s tri lopatice prema zadanim karakteristikama generatora. Pretpostavimo da već imate generator s nominalnom snagom od 300 Wh (na primjer). Također zamislite da će uređaj pokazati svoju nominalnu snagu pri brzinama rotora - 150 o / min. Ako je prosječna brzina vjetra na vašem području 6 m / s, onda se trebate rukovoditi njome i dalje izračunavati.

Nadalje: alternator, kojem vjetar kotač prenosi rotacijski moment, ima vlastitu učinkovitost (0,6 ... 0,8). Pod različitim uvjetima rada, ovaj indikator može pasti na niže vrijednosti, stoga kao primjer uzimamo učinkovitost jednaku 50%.

Da bi uređaj s takvom učinkovitošću mogao isporučiti potrebnu električnu energiju od 300 W * h, potrebno mu je napajati rotor koji je dvostruko veći od onog koji je potrebno ukloniti iz njega. To znači da bi mehanička snaga koja se prenosi na generator iz vjetrobrana trebala biti jednaka 600 vati.

Prosječni KIEV (faktor iskorištenosti energije vjetra) za vijke s tri oštrice je 0,4 (to će biti učinkovitost vjetrobrana). Prema tome, snaga vjetra (X), koja bi trebala utjecati na radne lopatice vjetrenjače (za uklanjanje 600 W od njih), može se izračunati rješavanjem jednadžbe:

X * 0.4 = 600 W.

U našem slučaju:

X = 600: 0,4 = 1500 W.

Dakle, znamo količinu potrebne energije, sada izračunamo površinu koju brišu radne lopatice kotača vjetra (S).

Ovo je formula: P = 0,5 * Q * S * V³ * Cp * Ng

  • P - snaga (W);
  • Q - gustoća zraka (1,23 kg / m³);
  • S je površina kotača vjetra (m²);
  • V - brzina vjetra (m / s);
  • CP je iskorištenje energije vjetra (0,35 ... 0,45);
  • Ng - učinkovitost generatora;

Gustoća zraka je nepromijenjena, također i područje rotora.

Ova formula označava snagu na izlaznim terminalima generatora. S obzirom da smo u početku uzeli vrijednost snage (1500 W), uzimajući u obzir KIEV vjetrenjače i učinkovitost generatora, posljednje dvije vrijednosti se uklanjaju iz formule.

Snaga vjetra, koju protok zraka prenosi na vjetroelektranu, bit će jednaka:

P = 0,5 * Q * S * V³

Sve vrijednosti uključene u formulu su nam poznate (osim za područje - S). Nakon što smo riješili najjednostavniju jednadžbu, dobili smo:

S = 1500 / 0,5 * 1,23 * 6³ = 11,292 m²

Površina kruga izračunava se pomoću formule:

S = πr²

gdje je π matematička konstanta (3.14), a r² je kvadrat radijusa kotača vjetra.

U našem slučaju, r2 = 11.292 / 3.14 = 3.596.

Zbog toga će radijus vjetrenjača biti jednak 1,89 m, a njegov promjer 3,78 m.

Sada morate biti sigurni da takav vjetar kotača može s vjetrom - 6 m / s razviti dovoljan broj okretaja. To će nam pomoći u brzinskom faktoru vjetrenjače - Z (za uređaje s tri oštrice Z = 5).

Obodna (krajnja) brzina lopatica vjetrenjače s koeficijentom brzine Z5 bit će jednaka proizvodu koeficijenta (Z) i brzine vjetra (6 * 5 = 30 m / s). Opseg kotača vjetra promjera 3,78 metara jednak je 11,87 m (L = 2πr). To je duljina njegovog opsega na vanjskom promjeru lopatica, tj. Udaljenost koju kraj svake oštrice prolazi u jednom okretaju. Dakle, u sekundi će svaka oštrica napraviti 2,53 okreta (podjela 30 m / s za 11,87 m) ili 151 okretaj u minuti. Ono što nam je trebalo.

Kako bi se povećala brzina, možemo smanjiti promjer vjetra, ali će se snaga vijka u ovom slučaju smanjiti.

Smanjenje promjera kotača vjetra trebalo bi povećati brzinu. Može se smanjiti sve dok je snaga vijka dovoljna za pomicanje generatora pod opterećenjem. To će biti optimalni parametri.

Predstavili smo Vašu pažnju metodu "grubog" proračuna vjetroelektrane, temeljenu na karakteristikama generatora i postojećim potrebama za alternativnom električnom energijom.

S obzirom da je teško izgraditi veliku vjetrenjaču i nije je lako održavati, dizajn radnog vijka može se izračunati za određene radne uvjete (dodavanjem ili smanjivanjem broja lopatica, kao i promjenom njihove duljine). To će pomoći da se promijeni omjer brzine i, prema tome, broj okretaja. Također, uz nedovoljan broj okretaja, snažne vjetroturbine (osobito multi-lopatice - niske brzine) opremljene su dodatnim množiteljem mjenjača.

Pri malim brzinama rotacije generiranje električne energije rotora uopće nije. Množitelj rješava ovaj problem čak i na niskim okretajima.

Bez obzira na to koliko se čarobnjak trudio, domaći vjetroagregat uvijek će biti daleko od savršenog: domaće oštrice, domaće zavojnice - u proizvodnji svega toga teško je zadržati preporučene aerodinamičke i električne parametre. A ako bismo teoretski izračunali da bi nam kotač vjetra promjera 3,78 metara (s vjetrom od 6 m / s) omogućio da dobijemo 300 Wh / h električne energije, u praksi se ovaj pokazatelj može sigurno smanjiti za 30%. Time ćemo u fazi izračuna uzeti u obzir nedostatke zanatske montaže i moguće gubitke energije.

Izračun generatora

Razmotrite slijed izračuna trofaznog alternatora s trajnim magnetima. Trofazni generatori su mnogo rašireniji (od jednofaznih) zbog svojih karakteristika: odsustvo jakih vibracija i šum tijekom rada, poboljšane performanse u snazi, struji itd.

Snaga generatora ovisi o brojnim faktorima: brzini vrtnje, magnetskoj indukciji, broju zavoja na namotima statora, itd.Također ovisi o vrijednosti EMF generatora, koja se određuje pomoću formule:

E = B • V • L

gdje je:

  • E-EMF (V);
  • B je vrijednost magnetske indukcije (Tc);
  • V je linearna brzina magneta (m / s) je proizvod duljine opsega rotora i broja okretaja;
  • L je duljina aktivnog vodiča (m), koja je pokrivena generatorskim magnetima.

Prosječna vrijednost indukcije trajnih magneta korištenih u sastavu generatora izmjenične struje je 0,8 Tl. Može se sigurno primijeniti tijekom preliminarnih izračuna.

Ako se generator izrađuje na temelju neodimijskih magneta, veličina magnetske indukcije bit će veća (od 1 do 1,4 T).

Razmotrimo redoslijed preliminarnog izračuna trofaznog aksijalnog generatora, koristeći primjer koji je predložio jedan od korisnika TheWicka.

Evo što imam: 24 magneta (neodimij) debljine 5 mm, širine 9,5 mm, duljine 20 mm. Imam prosječnu godišnju brzinu vjetra od 5 m / s. Planiram napraviti dva rotora - 12 magneta na rotoru (to jest, 12 polova). Omjer stupova i zavojnica - 2/3 (za svaka dva pola postoje 3 zavojnice). Dobivamo 12 polova i 18 svitaka (12 magneta na svakom disku rotora). Vjetar točak odabran s promjerom od 2 metra (s dvije lopatice). Njegova brzina je Z7. Uz vjetar od 5 m / s, vjetroturbina bi trebala razviti 334 o / min (334/60 = 5,6 o / s).

Optimalni omjer polova i zavojnica u trofaznom generatoru je 2/3. Jedan pol formiran je s dva magneta.

Korisnik je bio zainteresiran za izračun aksijalnog tipa diskovnog generatora.

Prednosti aksijalnih generatora su odsutnost magnetskog prianjanja, što im omogućuje da započnu s relativno niskom brzinom vjetra (oko 2 m / s). Njihov glavni nedostatak, u usporedbi s klasičnim domaćim modelima, je da je za dobivanje iste snage potrebno najmanje 2 puta više magneta na montaži aksijalnog generatora.

Pod klasičnim modelima podrazumijevaju se uređaji izrađeni od asinkronog motora ili od standardnog automobilskog generatora.


Ali natrag na aksijalne ležajeve: rotor aksijalnog generatora na pravokutnim neodimijskim magnetima imat će sljedeći oblik.

S obzirom da je duljina magneta 20 mm, aktivna duljina zavojnica će također biti 20 mm (ili 0,02 m).

Aktivna duljina aksijalnog generatora vodiča jednaka je duljini magneta. Kod klasičnih generatora s metalnim statorom duljina aktivnog vodiča jednaka je širini statora.

Donji polumjer magneta je 59 mm.

Gornji radijus magneta (59 + 20) = 79 mm.

Stoga će polumjer u središtu magneta biti jednak 69 mm. Ova vrijednost će se koristiti u našim izračunima. Prilikom jedne rotacije rotora, svaki magnet će se kretati na udaljenosti jednakoj krugu u središtu magneta (2πr ili πd). U našem slučaju:

L = 2 x 0,069 x 3,14 = 0,433 m.

Poznate vrijednosti zamijenite u formuli za izračunavanje EMF-a generatora i odredite tu brojku za jedan obrat zavojnice. Pretpostavlja se da je indukcija neodimijskih magneta - 1 Tl (pod uvjetom da udaljenost između magneta na suprotnim diskovima rotora ne prelazi debljinu magneta).

E = B • V • L = 1 * 0,433 * 0,02 = 0,0087 V.

Ispalo je da je EMF jednog okreta zavojnice pri brzini rotacije generatora - 1 okr / sek (60 okr / min).

Razmak između magneta na suprotnim diskovima ne smije prelaziti debljinu samih magneta. Inače se vrijednost magnetske indukcije koja djeluje na vodiče svitka značajno smanjuje. To treba uzeti u obzir pri izračunavanju širine statora.

Pozivajući se na izvorne podatke koje nam je korisnik dao Hittch.

Broj zavoja u zavojnici: debljina žice za zavojnicu iznosi 0,4 mm, širina namota 5 mm, debljina namota 5 mm. 5 / 0.4 = 12.5 zavoja (po dužini i po širini). Ukupno: 12.5 * 12.5 = 156 * 0.8 (omjer pakiranja) = 125 zavoja u zavojnici.

Izračunajte napon svitka pri jednom okretaju u sekundi: 0.0087 * 125 = 1.087 V.

Ako uzmemo u obzir da je izračunata brzina vrtnje generatora 5,6 o / s, EMF dobiven iz jedne zavojnice s vjetrom od 5 m / s bit će jednak:

1.087 * 5.6 = 6.087 V.

Svaka faza generatora međusobno kombinira nekoliko svitaka (ako je ukupno 18 svitaka, tada postoji po 6 svitaka po fazi). U ovom slučaju, domaći trofazni generatori obično su međusobno povezani s "zvjezdicom" (krajevi sva tri navoja su kombinirani u jedan čvor, a opterećenje je povezano s početkom svakog namota).

Veza zvijezda povećava napon generatora za 1,7 puta, ali u isto vrijeme povećava njegovu otpornost.

Spajanjem faza zvijezda generatora, možemo povećati emf svake zavojnice za 1,7 puta. Odnosno, dobivamo vrijednost od 10,35 V. Ali u praksi, u jednoj točki, magneti se preklapaju oko polovice zavojnica svake faze. To znači da će samo 3 zavojnice iz svake faze istovremeno generirati napon. To znači da će svaka faza s vjetrom od 5 m / s generirati:

10,35 x 3 = 31,05 V.

Dobili smo EMF generatora, koji ćemo zbog jednostavnosti proračuna uzeti za njegov napon bez uzimanja u obzir unutarnjeg otpora.

Izračun snage

Da biste izračunali vrijednost snage koju će generator napajati na akumulator, potrebno je izračunati struju u krugu baterije.

U skladu s Ohmovim zakonom:

I = U / R + r

gdje je:

  • I - jačina struje;
  • U - razlika napona generatora i napona akumulatora (U = Ug-Ua)
  • R + r je otpor elemenata vanjskog kruga i izvora struje.

Izračunajte otpor svitaka generatora. Za to ćemo upotrijebiti vrijednost otpora vodiča (u ovom slučaju otpor bakrene žice promjera 0,4 mm i duljine 1 metar), koja će biti jednaka 0,14 Ohma.

Promjer žice, mmPovršina poprečnog presjeka, mm2Otpor od 1 m žice, OhmDopuštena struja, A, pri gustoći protoka od 3 A / mm2
bakarNadimak i manininKontra-tantonikromom
0.050.0028.90212.00245.005.100.006
0.080.0053.5082.5095.40199.000.015
0.100.00792.2053.0061.10127.000.025
0.120.0111.6037.6042.6088.500.033
0.150.181.0023.5027.2056.500.052
0.200.0310.5513.2015.3031.900.094
0.250.0490.368.459.7820.400.147
0.300.0700.255.366.8014.200.21
0.400.1260.143.303.807.940.38
0.500.1960.092.122.455.100.6
0.600.2830.061.451.693.540.86
0.700.3850.0451.081.252.601.16
0.800.500.0350.8250.9541.991.5
1.000.790.0230.5300.6111.272.5

Ukupna duljina žice jednog generatora zavojnice je 7250 mm.

Perimetar magneta (9 + 9) + (20 + 20) = 58 mm. To je duljina jedne zavojnice. 58 x 125 = 7250 mm. 7250 mm x 6 (zavojnice u jednoj fazi) = 43500 mm (43,5 m).

Otpornost na faze:

43,5 x 0,14 = 6,09 ohma

Pri spajanju svitaka tipa "zvijezda" dobivamo povećanje otpora od 1,7 puta:

6,09 * 1,7 = 10,353 Ohm

Zamijenite vrijednosti u formuli za izračun struje: 31,05 V (napon generatora) minus 13 V (napon akumulatora) i podijelite pomoću otpora generatora 10,353 oma. Otpornost na baterije, razmotrimo malo kasnije.

Dobivamo:

I = 31,05 - 13 / 10,353 = 1,74 A.

To je struja punjenja baterije.

Uzmemo napon generatora i od njega oduzmemo napon akumulatora (to je 13 V). Razlikujte razliku prema otporu generatora i uzmite struju punjenja baterije.

U tom slučaju, snaga koju troši baterija na vjetru od 5 m / s bit će:

1,74A * 13V = 22,62 W * h ili 0,023 (kW * h).

Prikazani izračuni nisu uzimali u obzir parametre kao što su otpornost akumulatora, otpor vodiča koji ide od generatora do akumulatora, gubitke na otpornost diodnog mosta, itd. U prosjeku, gubitak neočekivane snage za izračune dostiže 30%, stoga će u praksi generator generirati 0 , 0069 kW * h (oko 7 W * sat).

Povećanje snage može se postići ugradnjom širih i debljih magneta, kao i smanjenjem otpora namota (pomoću deblje žice u namotu).

Ovo je mišljenje iskusnog praktičara u vezi s generatorom, čiji su proračuni dani gore.

Aksijalna na takvim magnetima je preslaba, napajaju samo baterije prstima. Ako ih smjestimo u auto-generator, napravimo novi rotor i premotamo stator, a zatim do 150 vata dobijemo vjetrenjaču s 1,5 m vijkom.

Metoda proračuna koju smo predstavili vašoj pozornosti prikladna je za aksijalne i klasične generatore s trajnim magnetima. Neovisni izračuni daju vrlo približne rezultate. Ipak, dovršavajući ih prije izrade generatora, moguće je razumno prosuditi učinkovitost budućeg uređaja.

Kao što smo rekli, izračun radnog vijka treba izvršiti na temelju karakteristika generatora.U tom slučaju, snaga lopatica mora odgovarati snazi ​​generatora i neznatno je premašiti.

Prvo, potrebno je izračunati snagu pri različitim brzinama, a nakon toga - podesiti vijak na snagu generatora. Potrebno je da vijak bude 10-20% snažniji od generatora. U takvim uvjetima, učinkovitost generatora će biti maksimalna.

Tema izrade DIY vijaka i alternatora je vrlo voluminozna. Pobliže ćemo ga pogledati u jednom od sljedećih materijala. I sada se možete upoznati s praktičnim savjetima iskusnih TheWick korisnika koji ih vode, izračunavajući dizajn propelera i vjetroagregata za domaće vjetroturbine. Također o dizajnerskim značajkama vjetroagregata i njegovoj ovisnosti o ispravnim izračunima može se naći u drugom dijelu našeg portala. U njemu je izloženo praktično iskustvo korisnika i njihova razmišljanja o ovom pitanju. Za one koji su zainteresirani za objektivniji pristup alternativnoj proizvodnji energije, predlažemo da pogledate video o opremanju standardne solarne elektrane.

Pogledajte videozapis: Wind-Generator-Vjetar-Struja II (Lipanj 2019).

Ostavite Komentar