Kuidas arvutada tuulegeneraatorit: valemid ja praktiline arvutusnäide

Tuuleparkidest saadav alternatiivenergia äratab ühiskonnas suurt huvi. Seda kinnitab arvukalt reaalseid koduseid praktikaid.

Maakinnisvara omanikud ehitavad tuulegeneraatoreid oma kätega ja on tulemusega rahul, kuigi mõju võib olla lühiajaline. Põhjus – koostamisel ei tehtud tuulegeneraatori arvutust nõuetekohaselt.

Oleks ju tahtmata, et pärast aja ja raha kulutamist saate ebaefektiivse seadme. Seetõttu on oluline mõista, kuidas tuulegeneraatorit arvutada ja milliste parameetrite alusel valida tuuliku peamised töösõlmed.

Artikkel on pühendatud nendele küsimustele. Materjali teoreetiline osa on täiendatud illustratiivsete näidete ja praktiliste soovitustega tuulegeneraatori paigaldamiseks.

Tuulegeneraatori arvutus

Millega alustada tuuleenergiast elektrienergia tootmise süsteemi arvutamist? Arvestades, et tegemist on tuulegeneraatoriga, tundub loogiline konkreetse piirkonna tuuleroosi eelnev analüüs.

Sellised arvutusparameetrid nagu tuule kiirus ja sellele alale iseloomulik suund on olulised arvutusparameetrid. Need määravad teatud määral tegelikult saavutatava tuuliku võimsuse taseme.

Sellise võimsusega tuulegeneraatoreid on raske isegi ette kujutada. Kuid sellised konstruktsioonid on olemas ja töötavad tõhusalt. Selliste konstruktsioonide arvutused näitavad aga traditsiooniliste energiaallikatega võrreldes suhteliselt väikest võimsust.

Tähelepanuväärselt on see protsess pikaajaline (vähemalt 1 kuu), mis on üsna ilmne. Tuule kiiruse kõige tõenäolisemaid parameetreid ja selle kõige sagedasemat suunda ei ole võimalik ühe või kahe mõõtmisega välja arvutada.

Vaja on teha kümneid mõõtmisi. Sellegipoolest on see toiming tõesti vajalik, kui soovitakse ehitada tõhusat tootmissüsteemi.

Kuidas arvutada tuuliku võimsust

Kodumajapidamises kasutatavad tuulegeneraatorid, eriti need, mis on ise tehtud, pole veel suure võimsusega rahvast üllatanud. See on mõistetav. Piisab vaid ette kujutada 8–10 m kõrgust massiivset masti, millele on paigaldatud generaator üle 3 m tiiviku labade siruulatusega. Ja see pole ka kõige võimsam seade. Kõigest umbes 2 kW.

Sellise võimsusega tuulikute hooldamiseks kasutatakse helikoptereid ja kuni kümneliikmelisi spetsialistide meeskondi. Sellise elektrijaama arvutamiseks kaasatakse veelgi rohkem töötajaid.

Üldiselt, kui tugineda standardtabelile, mis näitab tuulegeneraatori võimsuse ja nõutava tiiviku labade siruulatuse suhet, on imestamiseks põhjust. Tabeli järgi on 10 W võimsusega tuuliku jaoks vaja kahemeetrist tiivikut.

500-vatise konstruktsiooni jaoks on juba vaja 14 m läbimõõduga tiivikut. Samal ajal sõltub labade siruulatuse parameeter nende arvust. Mida rohkem labasid, seda väiksem siruulatus.

Kuid see on vaid teooria, mis tuleneb tuule kiirusest, mis ei ületa 4 m/s. Praktikas on kõik veidi teisiti, ja kodumajapidamises kasutatavate seadmete võimsus, mis tegelikult pikka aega töötab, pole kunagi ületanud 500 W.

Seetõttu on siin võimsuse valik tavaliselt piiratud vahemikuga 250–500 W keskmise tuule kiiruse 6–8 m/s juures.

Tabel tuuleenergeetilise süsteemi võimsuse sõltuvusest töötiiviku läbimõõdust ja labade arvust. Seda tabelit saab arvutustel kasutada, kuid arvestades, et see on koostatud tuule kiiruse parameetri jaoks kuni 4 m/s (+)

Teoreetilisest seisukohast arvutatakse tuuleenergiajaama võimsust valemiga:

N=p*S*V³/2,

kus:

• p – õhumasside tihedus;
• S – sõukruvi labade kogu puhutud pindala;
• V – õhuvoolu kiirus;
• N – õhuvoolu võimsus.

Kuna N on parameeter, mis mõjutab tuulegeneraatori võimsust oluliselt, siis on seadme tegelik võimsus arvutatud N väärtuse lähedal.

Tuuliku labade arvutus

Tuulegeneraatori projekteerimisel kasutatakse tavaliselt kahte tüüpi sõukruvisid:

• tiivakujulised – pöörlemine horisontaaltasandil;
• Savoniuse rootor, Darrieux' rootor – pöörlemine vertikaaltasandil.

Sõukruvide konstruktsioone, mis pöörlevad mis tahes tasandil, saab arvutada valemi abil:

Z= L*W/60/V

kus:

• Z – sõukruvi kiiruse (aegluse) aste;
• L – labade poolt kirjeldatava ringi pikkuse suurus;
• W – sõukruvi pöörlemiskiirus (sagedus);
• V – õhuvoolu kiirus.

Sellest valemist lähtudes saab hõlpsasti arvutada pöörete arvu W – pöörlemiskiiruse.

Selline näeb välja sõukruvi konstruktsioon nimega «Darrieux' rootor». Seda propelleri varianti peetakse tõhusaks väikese võimsuse ja suurusega tuulegeneraatorite valmistamisel. Sõukruvi arvutamisel on mõningaid eripärasid

Töösuhte pöörete ja tuule kiiruse vahel võib leida tabelitest, mis on veebis kättesaadavad. Näiteks kahe labaga sõukruvi ja Z=5 puhul kehtib järgmine suhe:

Samuti on tuulegeneraatori sõukruvi üks oluline näitaja samm.

Seda parameetrit saab määrata, kasutades valemit:

H=2πR* tg α,

kus:

• 2π – konstant (2*3.14);
• R – laba poolt kirjeldatav raadius;
• tg α – lõikenurk.

Lisainfo labade kuju ja arvu valiku kohta ning nende valmistamise juhend on esitatud selles artiklis.

Generaatorite valik tuulikutele

Omades sõukruvi pöörete arvu (W) arvutuslikku väärtust, mis on saadud eespool kirjeldatud meetodiga, saab juba valida (valmistada) vastava generaatori.

Näiteks kiiruse astme Z=5, labade arvu 2 ja pöörlemissageduse 330 p/min korral. Tuule kiirusel 8 m/s peaks generaatori võimsus olema ligikaudu 300 W.

Tuuleenergia seadme generaator «lõikes». Näidis ühest võimalikust omatehtud koduse tuuleenergiasüsteemi generaatori konstruktsioonist

Selliste parameetrite juures võib koduse tuuleelektrijaama generaatorina sobivaks valikuks olla mootor, mida kasutatakse tänapäevaste elektrijalgrataste konstruktsioonides. Detaili traditsiooniline nimetus on jalgrattamootor (toodang Hiina).

Selline näeb välja elektriline jalgrattamootor, mille baasil soovitatakse teha generaator kodutuulegeneraatori jaoks. Jalgrattamootori konstruktsioon sobib ideaalselt kasutuselevõtuks praktiliselt ilma arvutuste ja täiendusteta. Nende võimsus on siiski väike.

Elektrilise jalgrattamootori omadused on ligikaudu järgmised:

Jalgrattamootorite positiivne omadus on see, et neid ei ole praktiliselt vaja ümber teha. Need on konstruktsiooniliselt välja töötatud madalapöördeliste elektrimootoritena ja neid saab edukalt kasutada tuulegeneraatorite jaoks.

Tuulegeneraatori valmistamiseks saab kasutada auto generaatorit või kokku panna agregaadi pesumasinast.

Laadimiskontrolleri arvutus ja valik

Akude laadimiskontroller on vajalik igat tüüpi tuuleenergiapaigaldise jaoks, sealhulgas kodukonstruktsiooni puhul.

Selle seadme arvutus taandub seadme elektriskeemi valikule, mis vastaks tuulesüsteemi arvutusparameetritele.

Nendest parameetritest on peamised:

• generaatori nimipinge ja maksimaalpinge;
• generaatori maksimaalne võimalik võimsus;
• akude maksimaalne võimalik laadimisvool;
• pinge akudel;
• ümbruskonna õhutemperatuur;
• ümbruskonna niiskustase.

Esitatud parameetrite põhjal teostatakse laadimiskontrolleri kokkupanek ise või valmis seadme valimine.

Tuuleenergiapaigaldisse kuuluvate akude laadimiskontroller. Tööstuslikult valmistatud seade, mille valimisel tuleb vaid hoolikalt uurida tehnilisi andmeid, et see täpselt olemasoleva süsteemiga ühtida.

Muidugi on soovitav valida (või kokku panna) seade, mille skeem tagaks kerge käivituse nõrga õhuvoolu tingimustes. Kontroller, mis on mõeldud erineva pingega (12, 24, 48 volti) akudega kasutamiseks, on samuti ainult tervitatav.

Lõpuks, kontrolleri skeemi arvutamisel (valimisel) on soovitatav mitte unustada sellise funktsiooni olemasolu nagu inverteri juhtimine.

Akupatarei valik süsteemile

Praktikas kasutatakse erinevat tüüpi akusid ja peaaegu kõik on tuuleenergiasüsteemi koosseisus kasutamiseks täiesti sobivad. Kuid konkreetne valik tuleb ikkagi teha. Sõltuvalt tuuliku süsteemi parameetritest toimub aku valimine pinge, mahutavuse ja laadimistingimuste järgi.

Kodustele tuulikutele traditsioonilisteks komponentideks peetakse klassikalisi happe-pliiakusid. Need on praktilises mõttes näidanud häid tulemusi. Pealegi on seda tüüpi patareide hind teiste liikidega võrreldes vastuvõetavam.

Plii-happeakud on eriti tagasihoidlikud laadimis-/tühjenemistingimuste suhtes, kuid nende süsteemi ilma kontrollerita ühendamine on lubamatu.

Kui tuulegeneraatoriseadme koosseisus on professionaalselt teostatud laadimiskontroller, millel on täielik automaatikasüsteem, on mõistlik kasutada AGM- või geelakusid.

Koduse tuulegeneraatori akude plokk. Mitte parim kasutusvariant, arvestades juhtmete kaost ja ladustamisnõudeid. Sellises energia salvestite seisundis ei saa nende pikaajalisele toimimisele loota.

Mõlemat tüüpi energia salvesteid iseloomustab suurem efektiivsus ja pikk kasutusiga, kuid nad esitavad kõrgeid nõudeid laadimistingimustele.

Sama kehtib niinimetatud soomustatud geel-tüüpi akude kohta. Kuid nende akude valikut koduse tuuliku jaoks piirab oluliselt hind. Kuid nende kallite patareide kasutusiga on kõigi teiste liikidega võrreldes kõige pikem.

Need akud paistavad silma ka suurema laadimis-/tühjendustsükliga, kuid eeldusel, et kasutatakse kvaliteetset laadijat.

Kodu tuuliku inverteri arvutus

Tuleb kohe märkida: kui koduse energiatootmise tuuliku konstruktsioonis on üks 12-voldine aku, siis puudub igasugune mõte inverterit sellesse süsteemi paigaldada.

Keskmiselt on majapidamise tarbitav võimsus tippkoormusel vähemalt 4 kW. Sellest järeldub: sellise võimsuse jaoks peab akude arv olema vähemalt 10 ja soovitavalt 24-voldise pingega. Sellise akukoguse puhul on juba mõtet paigaldada inverter.

Ent selleks, et varustada 10 akut (igaüks pingega 24 V) täielikult energiaga ja stabiilselt nende laadimist hoida, on vaja tuulikut võimsusega vähemalt 2–3 kW. Ilmselgelt ei jõua lihtsad kodused konstruktsioonid sellist võimsust anda.

Väikese võimsusega (600 W) inverter, mida saab kasutada koduse väikese energiajaama jaoks. Sellisest seadmest 220 V pingega saab toita televiisorit või väikest külmikut. Laevalambipirnide jaoks jääb voolust juba väheks.

Sellegipoolest saab inverteri võimsust arvutada järgmiselt:

1. Summeerida kõigi tarbijate võimsus.
2. Määrata tarbimisaeg.
3. Määrata tippkoormus.

Konkreetsel näitel näeb see välja järgmine.

Olgu koormuseks kodumasinad: valgustuslambid – 3 tk 40 W, teler – 120 W, kompaktkülmik 200 W. Summeerime võimsuse: 3*40+120+200 ja saame tulemuseks 440 W.

Määrame tarbijate võimsuse keskmiseks perioodiks 4 tundi: 440*4=1760 W. Saadud ajalisest võimsuse väärtusest lähtudes tundub loogiline valida inverter, mille väljundvõimsus on alates 2 kW.

Sellele väärtusele tuginedes arvutatakse vajaliku seadme voolu-pinge karakteristik: 2000*0,6=1200 V/A.

Klassikaline kodutüüpi tuulegeneraatorist saadud energia tootmise ja jaotamise skeem. Kuid sellise arvu seadmete pikaajalise energiavarustuse tagamiseks on vaja piisavalt võimsat seadet (+)

Tegelikult on kolmeliikmelise pere majapidamise koormus, kus on täielik kodumasinate varustus, suurem kui näites arvutatud. Tavaliselt ületab koormuse ühendamise aeg võetud 4 tundi. Seetõttu on vaja tuuleenergiasüsteemi inverterit võimsamat.

Tuuliku eelnev arvutus tuleb kasuks mitte ainult selle iseseisval kokkupanekul. Optimaalsete parameetrite kindlaksmääramine on vajalik ka valmis tuulegeneraatori valikul.

Järeldused ja kasulik video teemal

Kuidas toimub lähteandmete analüüs ja kuidas valemeid rakendatakse, on esitatud videos:

Arvutusandmeid tuleb kasutada igal juhul. Olgu selleks tööstuslik energiapaigaldus või kodutingimustes valmistatud seade, iga sõlme arvutus toob alati kaasa seadme maksimaalse efektiivsuse ja peamine – kasutuse ohutuse.

Eelnevalt teostatud arvutused määravad projekti elluviimise otstarbekuse, aitavad kindlaks teha, kui kulukaks või säästlikuks projekt kujuneb.

Kas teil on kogemusi selliste ülesannete lahendamisel? Või on teemaga seotud küsimusi? Palun jagage oma tuulegeneraatori arvutamise ja projekteerimise oskusi. Kommentaare ja küsimusi saab jätta allpool asuvasse vormi.