О расчете мощности ветрогенератора

Дата публикации: 21 ноября 2013

От штиля до урагана

Прежде чем перейти к разговору о том, как сделать точный расчёт ветрогенератора, познакомимся с простейшей схемой определения силы ветра. Выйдите в чистое поле или на опушку леса в тихий солнечный день сентября. Дымок от вашего костра поднимается вертикально, деревья не шелохнутся. И лишь осиновые листья еле вздрагивают, словно испугались вашего взгляда. Воздух затих, словно отдыхает перед предстоящей большой работой. Полный штиль. Теперь – внимание.

  1. Через несколько минут дымок заметно начал отклоняться в сторону, вы ощутили мимолётно-нежное прикосновение воздуха к вашему лицу. Ветром такое явление назвать ещё трудно, но движение явно началось. Знайте – скорость в данный момент составляет от 30 сантиметров до одного метра в секунду. Английский адмирал Бофорт назвал такое движение тихим ветерком.
  2. Прошло ещё полчаса и зашелестели листья, закачалась трава, лицо ощутило еле уловимую прохладу воздуха. Скорость его движения составила уже до 3 метров в секунду – это лёгкий ветер по знаменитой шкале Бофорта.
  3. Заколыхались тонкие веточки деревьев, затрепетали листочки, всё ниже пригибается степной ковыль, ваш костёр уже заметно раздувается и ярче горит, дым стелется к земле. Скорость уже доходит до 5 метров – слабый ветер начал резвиться у вас на глазах.
  4. А вот и верхушки деревьев ожили, зашептались громче ветви, начала подниматься пыль на степной дороге. Скорость доходит до 8 метров. Уже на угнаться за движением воздуха даже босиком. Сдержанно набрал свою силу и пока сохраняет её до определённого времени умеренный ветер.
  5. Терпению его приходит конец и начинают сильнее колебаться ветки, закачались стволы деревьев, ветер достигает скорости почти 11 метров в секунду и превращается в свежий.
  6. Сдержанно загудел лес, начали посвистывать провода на столбах, закачались толстые ветки и стволы. Ветер успевает преодолеть расстояние 14 метров в секунду и приобретает характеристику сильного.
  7. Дружно закачались под напором воздуха все стволы деревьев, лес заглушает голоса, идти против ветра уже затруднительно. Знайте – скорость достигла 17 метров и ветер приобрёл крепкий характер.
  8. Раскачались все деревья с такой силой, что начали ломаться небольшие ветки, ходить почти невозможно, хочется приникнуть к земле и ползти в укрытие. Значит скорость достигла 20 метров и ветер уже имеет очень крепкий характер.
  9. За короткое время передвижение воздуха набирает силу. На улицах города находиться опасно: летят предметы, сносит старые крыши. В лесу с треском ломаются и летят толстые ветки, волна в море поднимает и опускает корабли на 3-4 метра вниз-вверх, скорость ветра достигла 24 метров в секунду. По определению адмирала Бофорта это уже начался шторм.
  10. Деревья не выдерживают натиска, с оглушительным треском ломаются, многие вырываются с корнем, рушатся старые здания, летят крыши как огромные птицы смерти, ветер преодолевает за секунду 28 метров – сильный шторм.
  11. Начались массовые разрушения сооружений, колобками катятся автомашины, ветер сметает всё на своём пути, волна на море достигает высоты более пяти метров и корабль бросает, как щепку, в десятиметровую пропасть и снова выносит на поверхность, прижимая матросов к палубе с неимоверной силой. Ветер превышает скорость 30 метров в секунду. Вступил в свои права жестокий шторм.
  12. И, наконец, (не дай Бог никому его испытать ни на море, ни на суше), — ураган, когда разрушительный ветер превышает 33 метра в секунду. Всё сметается с лица земли, море свирепеет и треплет корабль, как голодный волк ягнёнка.

Среднегодовые скорости ветра на высоте 10 м по территории России

Вот мы и познакомились с характеристиками движения воздуха от штиля до урагана, которые названы в честь автора шкалой Бофорта. Это 12-балльная шкала скорости ветров. Теперь мы можем визуально определять скорость ветра и брать его за основу, когда надо сделать расчет мощности ветрогенератора.

Расчёт мощности ветрогенератора

Для конкретного примера возьмём отель на 7 номеров и небольшим ресторанчиком. Место расположения – вдали от линий электропередач, на автотрассе в открытой местности.

Среднегодовая скорость по упомянутой шкале – умеренный ветер около 7 метров в секунду.

Теперь определим количество электроэнергии, которое надо для содержания такого заведения. Срок возьмём один месяц. На один номер потребуется около 50 квт, на 7 номеров 350 квт. Плюс на ресторан 2530 квт, итого 2880 квт в месяц. Самая высокая нагрузка в часы «пик» доходит до 8 квт. Наша задача определить, какая мощность ветрогенератора нужна, чтобы обеспечить энергией такое заведение.

При расходе электроэнергии в 2880 квт в месяц каждый час будет потребляться 4 квт. Да плюс теплонасос возьмёт 3.64 квт. Значит, мощность установленного ветрогенератора должна быть не менее 7,64 квт/час.

Скорость ветра 7 километров в час даст возможность генератору использовать свой КПД на 40 процентов. То есть генератор должен давать около 20 квт/час. Такого ветрогенератора будет достаточно, чтобы удовлетворить запросы маленького гостиничного комплекса.

А если делать ветряк своими руками…

… то надо в первую очередь сделать расчёт мощности ветроколеса. Даже тем, кто собирается купить ветрогенератор, эта информация не будет лишней.

По каким основным направлениям надо судить о характеристике той или иной ветряной установки? Их несколько:

  1. Диаметр вращения ветряка;
  2. Мощность по номиналу, то есть та, которая вырабатывается при расчётной скорости ветра (усреднённая расчётная скорость 4,4 метра в сек.);
  3. Скорость ветра на старте, когда начинает работать ветроустановка;
  4. Какова выработка ветрогенератора за месяц.

Что такое номинальная мощность? Этот показатель не настолько важен, хотя его обычно прописывают в характеристике. Важна реальная мощность, которая не постоянна, как и сила ветра. Поэтому сравнивать номинальные мощности разных ветрогенераторов следует только при одинаковых скоростях ветра, или по диаметру вращения ветряка. Она пропорциональна диаметру ветротурбины, возведённому в квадрат, и расчётной скорости ветра в кубе.

Реальная мощность любого ветрогенератора равна КПД генератора, помноженного на мощность ветротурбины. А вторая величина зависит от следующих двух составляющих – коэффициента использования ветра, умноженного на мощность ветрового напора.

Коэффициент использования по устоявшимся теоретическим подсчётам составляет от 0.59 до 0.68 единиц. А мощность воздуха, который попадает под вращаемую площадь ветряка, можно рассчитать по следующей формуле: плотность воздушного потока (стандартная – 1,225 кг.на кубический метр), помножить на скорость ветра в кубе, сумму поделить на два и полученный результат умножить на площадь круга, который описывает при своём вращении ветряк.

Чтобы не туманить мозги читателю множеством цифр и формул, приступим к измерению мощности ветроколеса, о чём было упомянуто в начале данного раздела. Расчёт прост и относительно точен.

Определимся вначале с площадью круга, который описывает ветряк при вращении. Знакомую нам со школьной скамьи величину ПИ, равную 3.14, умножаем на радиус в квадрате и получаем искомый результат площади круга. Запоминаем его.

Общий расчёт мощности ветроколеса сводится к следующей простой формуле: P=0.6*S*V^3, где S – площадь круга, V^3 – скорость ветра в кубе. Теперь считаем.

Расчёт мощности ветроколесаЕсли площадь круга, допустим, 3 квадратных метра, скорость ветра 10 метров в секунду – получается 1800 ватт. Винт забирает почти половину (допустим, 40%), остаётся 720 ватт. Минус потери на генераторе (КПД генератора берётся по расчётной постоянной величине 0,8). Остаётся 576 ватт. Далее потери идут в проводах, аккумуляторе – около 20%. На выходе к потребителям остаётся 183,6 ватт.

Подавляющее большинство самодельных ветрогенераторов не отвечают идеальным расчётам, при которых есть надежда достичь неплохого результата КПД. К сожалению, точные расчёты не каждому подвластны.

В таком случае остаётся твёрдо заявить, что при любом расчёте мощности ветрогенератора надо решительно сбрасывать 50% желаемой мощности и сразу настраивать себя на создание установки, которая будет в два раза мощнее, чем нужна по вашим расчётам. И не ошибётесь. Запас, как говорят, карман не тянет.

В.Ильин

Наверх