Popularni Postovi

Izbor Urednika - 2019

DIY generator vjetra: proračun vijka i alternatora

Proračun vjetrenjača i alternatora za kućne vjetroturbine. Mogućnosti dizajna - iskustvo korisnika portala.

Nastavljajući temu energije domaćinstva za vjetar, smatramo da je naša dužnost da kažemo o dizajnu vjetrogeneratora - ključnog elementa sistema. Ovaj članak je namenjen onima koji planiraju da svojim rukama sastave "srce" vjetroelektrane.

Sudeći po iskustvu korisnika TheWick-a, koji nisu navikli da traže lake načine, izgradnja vetrogeneratora je samostalan zadatak koji je sasvim izvodljiv. Prvo što treba uraditi za njegovu uspješnu implementaciju je ispravno izračunavanje glavnih elemenata instalacije.

Da bi vam glavne tačke predstavljene u ovom članku bile jasne, preporučujemo da se upoznate sa materijalima navedenim u prvom i drugom delu.

Iz članka ćete saznati:

  • Kako izračunati radni vijak vjetrogeneratora.
  • Koji tipovi generatora su najpogodniji za montažu kod kuće.
  • Kako izračunati performanse alternatora.

Proračun radnog vijka (wind wheel)

Konverzija mehaničke energije protoka zraka u električnu energiju počinje s radnim vijkom. Stoga, prvo treba razmotriti način izračunavanja vjetra. To radimo na primjeru najčešćeg trolisnog vijka s horizontalnom osi rotacije.

Ključno pravilo koje treba slijediti pri izračunavanju vjetrenjače je sljedeće: snaga protoka vjetra, koji se može ukloniti iz radnih lopatica uređaja, mora odgovarati električnoj snazi ​​samog generatora. Objasnimo zašto: ako je snaga vijka preniska, onda čak i sa jakim vjetrom vijak neće moći pomaknuti rotor generatora pod opterećenjem. Ako se, naprotiv, vijak ispostavi da je previše snažan za generator, onda će se sa jakim vjetrom okretati rotor do vrlo visokih okretaja, što će neminovno dovesti do uništenja čitave instalacije.

Imajući u vidu ovaj trenutak, razmotrićemo proceduru izračunavanja vijka sa tri lopatice u skladu sa datim karakteristikama generatora. Pretpostavimo da već imate generator, s nominalnom snagom od 300 Wh (na primjer). Takođe zamislite da će uređaj pokazati svoje nominalne performanse pri brzinama rotora - 150 o / min. Ako je prosečna brzina vetra na vašem području 6 m / s, onda se treba rukovoditi njome i dalje izračunavati.

Dalje: alternator, na koji kotač vjetra prenosi moment rotacije, ima svoju vlastitu efikasnost (0,6 ... 0,8). Pod različitim uslovima rada, ovaj indikator može pasti na niže vrijednosti, pa kao primjer uzimamo efikasnost od 50%.

Da bi uređaj sa takvom efikasnošću isporučio potrebnu električnu snagu od 300 W * h, potrebno je napajati rotor koji je dvostruko veći od onog koji je potrebno ukloniti iz njega. Odnosno, mehanička snaga koja se prenosi na generator iz vetrenjača treba da bude jednaka 600 vati.

Prosječni KIEV (faktor iskorištenja vjetra) za vijke s tri lopatice je 0,4 (to će biti učinkovitost vjetrenjača). 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 vati.

U našem slučaju:

X = 600: 0,4 = 1500 W.

Znači, znamo količinu potrebne energije, sada ćemo izračunati površinu koju brišu radne lopatice (S).

Evo formule: P = 0,5 * Q * S * V³ * Cp * Ng

  • P - snaga (W);
  • Q - gustina vazduha (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 - efikasnost generatora;

Gustina vazduha je nepromenjena, takođe i područje rotora.

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

Snaga vjetra, koju protok vazduha prenosi na vetar, biće jednak:

P = 0,5 * Q * S * V³

Sve vrijednosti uključene u formulu su nam poznate (osim za područje - S). Rješavajući najjednostavniju jednadžbu, dobijamo:

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

Površina kruga se izračunava po formuli:

S = πr²

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

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

Prema tome, radijus vetrenjača će biti jednak 1,89 m, a njegov prečnik 3,78 m.

Sada se morate pobrinuti da takav vjetar kotača može sa vjetrom - 6 m / s razviti dovoljan broj okretaja. To će nam pomoći u brzinskom faktoru vjetrenjače - Z (za tro-lopataste uređaje Z = 5).

Obodna (krajnja) brzina lopatica vjetrenjače sa koeficijentom brzine Z5 biće jednaka produktu koeficijenta (Z) i brzine vjetra (6 * 5 = 30 m / s). Perimetar vetrogeneratora prečnika 3,78 metara jednak je 11,87 m (L = 2πr). To je dužina njegovog obima na vanjskom promjeru lopatica, tj. Udaljenost koju kraj svake oštrice prolazi u jednom okretaju. Prema tome, u sekundi svaka oštrica će napraviti 2,53 okreta (30 m / s podjele na 11,87 m) ili 151 okretaj u minuti. Ono što nam je trebalo.

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

Smanjenje prečnika vetrenjača treba da poveća 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, na osnovu karakteristika generatora i postojećih potreba za alternativnom električnom energijom.

S obzirom na to da je teško izgraditi veliku vjetrenjaču i da nije lako održavati, dizajn radnog vijka može se izračunati za specifične radne uvjete (dodavanjem ili smanjivanjem broja lopatica, kao i promjenom njihove dužine). Ovo će pomoći da se promeni odnos brzine i, prema tome, broj obrtaja. Takođe, sa nedovoljnim brojem okretaja, snažne turbine na vetar (naročito multi-lopatice - niske brzine) opremljene su dodatnim multiplikatorom menjača.

Pri malim brzinama rotacije generacija električne energije rotora uopće nije. Multiplikator rešava ovaj problem čak i na niskim okretajima.

Bez obzira na to koliko se čarobnjak trudi, domaći vjetroagregat će uvijek 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 točak sa vetrom prečnika 3,78 metara (sa vetrom 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 izračunavanja uzeti u obzir nedostatke zanatske montaže i moguće gubitke energije.

Izračunavanje generatora

Razmotrimo redosled izračunavanja trofaznog permanentnog magnetnog alternatora. Trofazni generatori su mnogo više rasprostranjeni (od jednofaznih) zbog svojih karakteristika: odsustvo jakih vibracija i šum tokom rada, poboljšane performanse na snazi, struji itd.

Snaga generatora zavisi od brojnih faktora: brzine rotacije, magnetne indukcije, broja zavoja na namotima statora, itd.Ona također ovisi o vrijednosti EMF generatora, koja se određuje po formuli:

E = B • V • L

Gde?

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

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

Ako je generator napravljen na bazi neodimijumskih magneta, jačina magnetne indukcije će biti veća (od 1 do 1.4 T).

Razmotrimo redosled preliminarnog izračuna trofaznog aksijalnog generatora, koristeći primer koji je predložio jedan od korisnika TheWick-a.

Evo što imam: 24 magneta (neodimij) debljine 5 mm, širine 9,5 mm, dužine 20 mm. Imam prosječnu godišnju brzinu vjetra od 5 m / s. Planiram napraviti dva rotora - 12 magneta na rotoru (to jest, 12 polova). Odnos stubova i zavojnica - 2/3 (za svaka dva pola postoje 3 zavojnice). Dobijamo 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 treba razviti 334 o / min (334/60 = 5,6 o / s).

Optimalan odnos polova i zavojnica u trofaznom generatoru je 2/3. Jedan pol se formira od dva magneta.

Korisnik je bio zainteresovan za proračun aksijalnog tipa diskovnog generatora.

Prednosti aksijalnih generatora su odsustvo magnetnog lepljenja, što im omogućava da započnu sa relativno malom brzinom vetra (oko 2 m / s). Njihov glavni nedostatak, u poređenju sa klasičnim domaćim modelima, je da je za dobijanje iste snage potrebno najmanje 2 puta više magneta na montaži aksijalnog generatora.

Pod klasičnim modelima podrazumijevaju se uređaji napravljeni od asinhronog motora ili od standardnog automobilskog generatora.


Ali nazad na aksijalne ležajeve: rotor aksijalnog generatora na pravokutnim neodimijumskim magnetima će imati sledeći oblik.

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

Aktivna dužina aksijalnog generatora vodiča jednaka je dužini magneta. Kod klasičnih generatora sa metalnim statorom, dužina aktivnog vodiča je jednaka širini statora.

Donji radijus magneta je 59 mm.

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

Zbog toga će poluprečnik u centru magneta biti jednak 69 mm. Ova vrijednost će se koristiti u našim proračunima. Prilikom jedne rotacije rotora, svaki magnet putuje na udaljenost jednaku perimetru kruga u središtu magneta (2πr ili πd). U našem slučaju:

L = 2 * 0,069 * 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 neodimijumskih magneta - 1 Tl (pod uvjetom da razmak između magneta na suprotnim diskovima rotora ne prelazi debljinu magneta).

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

Pokazalo se 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 provodnike zavojnice značajno smanjuje. Ovo 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 rotacije generatora 5,6 o / s, EMF dobivena iz jedne zavojnice s vjetrom od 5 m / s će biti jednak

1.087 * 5.6 = 6.087 V.

Svaka faza generatora kombinuje između sebe nekoliko zavojnica (ako ima ukupno 18 svitaka, onda 6 zavojnica ulazi u svaku fazu). U ovom slučaju, domaći trofazni generatori obično su međusobno povezani sa "zvijezdom" (krajevi svih triju namota su kombinirani u jedan čvor, a opterećenje je povezano s početkom svakog namota).

Veza zvezda povećava napon generatora za 1,7 puta, ali istovremeno povećava njegovu otpornost.

Spajanjem faza zvijezda generatora, možemo povećati emf svake zavojnice za 1,7 puta. Odnosno, dobijamo vrednost od 10,35 V. Ali u praksi, u jednom trenutku magneti se preklapaju otprilike na polovini zavojnica svake faze. To znači da će samo 3 zavojnice iz svake faze istovremeno generirati napon. To znači da će svaka faza sa vetrom od 5 m / s generisati:

10,35 * 3 = 31,05 V.

Dobili smo EMF generatora, koji će za jednostavnost proračuna uzeti njegov napon bez uzimanja u obzir unutrašnjeg otpora.

Izračun snage

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

U skladu sa Ohmovim zakonom:

I = U / R + r

Gde?

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

Izračunajte otpor svitaka generatora. Za to ćemo koristiti vrijednost otpora vodiča (u ovom slučaju otpor bakarne 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, OhmDozvoljena struja, A, kod gustine fluksa od 3 A / mm2
BakarNadimak i manininKonsultantNichrome
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 dužina žice jedne zavojnice generatora je 7250 mm.

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

Otpornost na fazu:

43.5 * 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 izračunavanje 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.

Dobijamo:

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 na otpor generatora i uzmite struju punjenja baterije.

U tom slučaju, potrošena snaga baterije na vjetru od 5 m / s će biti:

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

U prikazanim proračunima nisu uzeti u obzir parametri kao što su otpornost akumulatora, otpornost vodiča koji teče od generatora do akumulatora, gubici na otpornosti diodnog mosta, itd. , 0069 kW * h (oko 7 W * sat).

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

Evo mišljenja iskusnog praktičara u vezi generatora, čiji su proračuni navedeni gore.

Aksijalna na takvim magnetima je suviše slaba, oni pune samo baterije prstima. Ako ih stavimo u auto-generator, napravimo novi rotor i premotamo stator, a onda do 150 vati dobijamo vjetrenjaču sa 1,5 m vijkom.

Metoda proračuna koju smo predstavili Vašoj pažnji pogodna je za aksijalne i klasične generatore sa stalnim magnetima. Nezavisni proračuni daju vrlo približne rezultate. Međutim, dovršavajući ih prije izrade generatora, moguće je razumno prosuditi performanse budućeg uređaja.

Kao što smo već rekli, proračun radnog vijka treba izvršiti na osnovu karakteristika generatora.U ovom 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 uslovima, efikasnost generatora će biti maksimalna.

Tema izrade DIY vijaka i alternatora je veoma obimna. Detaljnije ćemo ga pogledati u jednom od sljedećih materijala. I sada se možete upoznati sa praktičnim savjetima iskusnih TheWick korisnika koji se njima rukovode, izračunavajući dizajn propelera i vjetroagregata za domaće vjetroturbine. Takođe, o karakteristikama dizajna vetrogeneratora i njegovoj zavisnosti od tačnih izračuna može se naći u drugom delu našeg portala. U njemu je izloženo praktično iskustvo korisnika i njihova razmišljanja o ovom pitanju. Za one koji su zainteresovani za objektivniji pristup alternativnoj proizvodnji električne energije, predlažemo da pogledate video o opremanju standardne solarne elektrane.

Pogledajte video: Wind-Generator-Vjetar-Struja II (Novembar 2019).

Загрузка...

Ostavite Svoj Komentar