Como calcular um gerador eólico: fórmulas + exemplo prático de cálculo

A energia alternativa obtida a partir de usinas eólicas é de grande interesse na sociedade.Há muitas evidências disso no nível da prática cotidiana real.

Os proprietários rurais constroem moinhos de vento com as próprias mãos e ficam satisfeitos com o resultado, embora o efeito possa durar pouco. A razão é que o gerador eólico não foi calculado corretamente durante a montagem.

Concordo, eu não gostaria de gastar tempo e dinheiro na implementação do projeto e acabar com uma instalação ineficaz. Portanto, é importante entender como calcular um gerador eólico e por quais parâmetros selecionar os principais componentes operacionais de uma turbina eólica.

O artigo é dedicado a resolver esses problemas. A parte teórica do material é complementada com exemplos ilustrativos e recomendações práticas para montagem de um gerador eólico.

Cálculo de turbina eólica

Por onde começar a calcular um sistema de geração de eletricidade a partir da energia eólica? Considerando que se trata de um gerador eólico, parece lógica uma análise preliminar da rosa dos ventos numa área específica.

Parâmetros de cálculo como velocidade do vento e sua direção característica para um determinado território são parâmetros importantes de projeto. Até certo ponto, determinam o nível de potência da turbina eólica que será realmente alcançável.

É difícil imaginar geradores eólicos com tal potência. Mas tais projetos existem e funcionam de forma eficaz.No entanto, os cálculos de tais estruturas mostram uma potência relativamente baixa em comparação com as fontes de energia tradicionais.

O que chama a atenção é que esse processo é de longo prazo (pelo menos 1 mês), o que é bastante óbvio. É impossível calcular os parâmetros máximos prováveis ​​da velocidade do vento e sua direção mais frequente com uma ou duas medições.

Serão necessárias dezenas de medições. Porém, esta operação é realmente necessária se houver o desejo de construir um sistema produtivo eficaz.

Como calcular a potência de um moinho de vento

Os geradores eólicos de uso doméstico, principalmente os feitos à mão, nunca surpreenderam as pessoas com alta potência. Isto é incompreensível. Basta imaginar um mastro maciço de 8 a 10 m de altura, equipado com um gerador com envergadura de hélice superior a 3 m, e esta não é a instalação mais potente. Apenas cerca de 2 kW.

Para atender turbinas eólicas dessa potência, são utilizados helicópteros e equipes de especialistas que chegam a uma dezena de pessoas. Para calcular tal usina, um número ainda maior de executores está envolvido

Em geral, se você confiar em uma tabela padrão que mostra a relação entre a potência de um gerador eólico e a envergadura necessária das pás da hélice, há algo para se surpreender. De acordo com a tabela, um moinho de vento de 10 W requer uma hélice de dois metros.

Um projeto de 500 watts exigirá uma hélice com diâmetro de 14 M. Além disso, o parâmetro de envergadura das pás depende do seu número. Quanto mais lâminas, menor será o vão.

Mas isto é apenas uma teoria, condicionada por velocidades do vento não superiores a 4 m/s.Na prática, tudo é um pouco diferente, e a potência das instalações domésticas que realmente funcionam por muito tempo nunca ultrapassou 500 W.

Portanto, a escolha da potência aqui é geralmente limitada à faixa de 250-500 W com uma velocidade média do vento de 6-8 m/s.

Tabela de dependência da potência de um sistema de energia eólica com o diâmetro do rotor e o número de pás. Esta tabela pode ser utilizada para cálculos, mas tendo em conta a sua compilação para parâmetros de velocidade do vento até 4 m/seg (+)

A partir de uma posição teórica, a potência de uma central eólica é calculada através da fórmula:

N=p*S*V³/2,

Onde:

• p – densidade das massas de ar;
• S – área total soprada das pás da hélice;
• V — velocidade do fluxo de ar;
• N – potência do fluxo de ar.

Como N é um parâmetro que afeta radicalmente a potência de um gerador eólico, a potência real da instalação estará próxima do valor calculado de N.

Cálculo de hélices de turbinas eólicas

Na construção de um moinho de vento, normalmente são usados ​​​​dois tipos de hélices:

• alado — rotação no plano horizontal;
• Rotor Savonius, rotor Darrieus — rotação em um plano vertical.

Projetos de parafusos com rotação em qualquer plano podem ser calculados usando a fórmula:

Z=C*L/60/V

Onde:

• Z – grau de velocidade (baixa velocidade) da hélice;
• eu – o tamanho do comprimento do círculo descrito pelas lâminas;
• C – velocidade (frequência) de rotação da hélice;
• V – velocidade do fluxo de ar.

Com base nesta fórmula, você pode calcular facilmente o número de revoluções W - velocidade de rotação.

É assim que se parece o desenho do parafuso denominado “Rotor Darieu”. Esta versão da hélice é considerada eficaz na fabricação de geradores eólicos de pequena potência e tamanho.O cálculo do parafuso possui algumas características

E a relação funcional entre revoluções e velocidade do vento pode ser encontrada em tabelas que estão disponíveis na Internet. Por exemplo, para uma hélice com duas pás e Z=5, é válida a seguinte relação:

Além disso, um dos indicadores importantes de uma hélice de moinho de vento é o passo.

Este parâmetro pode ser determinado usando a fórmula:

H=2πR* tan α,

Onde:

• 2π – constante (2*3,14);
• R – raio descrito pela lâmina;
• bronzeado α – ângulo da seção.

Informações adicionais sobre a escolha do formato e número de lâminas, bem como instruções para sua fabricação, são fornecidas em Este artigo.

Seleção de geradores para turbinas eólicas

Tendo o valor calculado do número de voltas do parafuso (W), obtido pelo método descrito acima, já é possível selecionar (fabricar) o gerador adequado.

Por exemplo, com um grau de velocidade Z=5, o número de lâminas igual a 2 e uma velocidade de 330 rpm. A uma velocidade do vento de 8 m/s. A potência do gerador deve ser de aproximadamente 300 W.

Vista transversal de um gerador de usina eólica. Exemplo demonstrativo de um dos projetos possíveis de um gerador de sistema de energia eólica residencial, montado de forma independente

Dados esses parâmetros, uma escolha adequada como gerador para uma usina eólica doméstica pode ser o motor utilizado nos projetos das modernas bicicletas elétricas. O nome tradicional da peça é motor de bicicleta (fabricado na China).

É assim que se parece um motor elétrico de bicicleta, com base no qual se propõe fazer um gerador para um moinho de vento doméstico. O design do motor da bicicleta é ideal para implementação praticamente sem cálculos ou modificações. No entanto, seu poder é baixo

As características de um motor elétrico de bicicleta são aproximadamente as seguintes:

Uma característica positiva dos motores de bicicleta é que eles praticamente não precisam ser alterados. Eles foram projetados estruturalmente como motores elétricos de baixa velocidade e podem ser usados ​​com sucesso em geradores eólicos.

Para fazer um moinho de vento você pode usar gerador de carro ou coletar unidade de máquina de lavar.

Cálculo e seleção do controlador de carga

Um controlador de carga de bateria é necessário para qualquer tipo de usina eólica, incluindo projetos domésticos.

O cálculo deste dispositivo se resume à seleção do circuito elétrico do dispositivo, que corresponderia aos parâmetros de projeto do sistema eólico.

Destes parâmetros, os principais são:

• tensão nominal e máxima do gerador;
• potência máxima possível do gerador;
• corrente máxima possível de carga da bateria;
• voltagem da bateria;
• temperatura ambiente;
• nível de umidade ambiente.

Com base nos parâmetros apresentados, montagem do controlador de carga faça você mesmo ou selecione um dispositivo pronto.

Controlador de carga para baterias usadas como parte de uma usina eólica. Um dispositivo fabricado industrialmente, na hora de escolher você só precisa estudar cuidadosamente as características técnicas para uma coordenação precisa com o sistema existente

Obviamente, é aconselhável selecionar (ou montar) um dispositivo cujo circuito proporcione uma função de partida fácil em condições de fluxos de ar fracos. Um controlador projetado para funcionar com baterias de diferentes tensões (12, 24, 48 volts) também é bem-vindo.

Por fim, ao calcular (selecionar) o circuito controlador, é recomendável não esquecer a presença de uma função como controle do inversor.

Selecionando uma bateria para o sistema

Na prática, são utilizados diferentes tipos de baterias e quase todas são bastante adequadas para utilização como parte de um sistema de energia eólica. Mas uma escolha específica deverá ser feita em qualquer caso. Dependendo dos parâmetros do sistema do moinho de vento, a bateria é selecionada com base na tensão, capacidade e condições de carga.

Os componentes tradicionais para moinhos de vento domésticos são as clássicas baterias de chumbo-ácido. Eles mostraram bons resultados no sentido prático.Além disso, o custo desse tipo de bateria é mais razoável em comparação com outros tipos.

As baterias de chumbo-ácido são particularmente despretensiosas para as condições de carga/descarga, mas é inaceitável incluí-las num sistema sem controlador.

Se a instalação da turbina eólica contiver um controlador de carga projetado profissionalmente com um sistema de automação completo, parece racional usar baterias AGM ou de hélio.

Bateria para gerador eólico doméstico. Não é a melhor opção de uso, dado o caos de fios e os requisitos de armazenamento. Neste estado dos dispositivos de armazenamento de energia, não se pode contar com o seu funcionamento a longo prazo.

Ambos os tipos de dispositivos de armazenamento de energia são caracterizados por maior eficiência e longa vida útil, mas exigem muito das condições de carregamento.

O mesmo se aplica às chamadas baterias blindadas do tipo hélio. Mas a escolha dessas baterias para um moinho de vento doméstico é significativamente limitada pelo preço. No entanto, a vida útil destas baterias caras é a mais longa em comparação com todos os outros tipos.

Essas baterias também têm um ciclo de carga/descarga mais longo, mas somente se for usado um carregador de alta qualidade.

Cálculo de um inversor para um moinho de vento doméstico

Deve-se observar desde já: se o projeto de uma turbina eólica doméstica contém uma bateria de 12 volts, não faz sentido instalar um inversor em tal sistema.

Em média, o consumo de energia doméstico é de pelo menos 4 kW em picos de carga.Daí a conclusão: o número de baterias recarregáveis ​​​​para tal alimentação deve ser de no mínimo 10 peças e preferencialmente com tensão de 24 volts. Para tantas baterias, faz sentido instalar um inversor.

No entanto, para fornecer energia total a 10 baterias com tensão de 24 W cada e manter sua carga de forma estável, será necessário um moinho de vento com potência de pelo menos 2-3 kW. Obviamente, estruturas domésticas simples não conseguem lidar com tal poder.

Inversor de baixa potência (600 W), que pode ser utilizado em instalações residenciais de pequena potência. Você pode alimentar uma TV ou uma pequena geladeira com esse equipamento com tensão de 220 volts. Não há mais corrente suficiente para as lâmpadas do lustre

No entanto, você pode calcular a potência do inversor da seguinte forma:

1. Resuma o poder de todos os consumidores.
2. Determine o horário de consumo.
3. Determine a carga de pico.

Em um exemplo específico, ficará assim.

Que haja eletrodomésticos como carga: lâmpadas de iluminação - 3 peças. 40 W cada, receptor de televisão - 120 W, refrigerador compacto 200 W. Somamos a potência: 3*40+120+200 e obtemos 440 W na saída.

Vamos determinar a potência dos consumidores para um período médio de 4 horas: 440*4=1760 W. Com base no valor de potência obtido ao longo do tempo de consumo, parece lógico selecionar um inversor entre esses dispositivos com potência de saída de 2 kW ou mais.

Com base neste valor, a característica corrente-tensão do dispositivo necessário é calculada: 2.000*0,6=1.200 V/A.

Um esquema clássico de reprodução e distribuição de energia obtida de um gerador eólico doméstico. No entanto, para fornecer energia a longo prazo a um tal número de dispositivos, é necessária uma instalação suficientemente potente (+)

Na realidade, a carga doméstica de uma família de três pessoas, totalmente equipada com eletrodomésticos, será superior à calculada no exemplo. Normalmente, o tempo de conexão da carga também excede as 4 horas exigidas. Conseqüentemente, o inversor do sistema de energia eólica precisará de um inversor mais potente.

O cálculo preliminar de um moinho de vento é útil não apenas para sua automontagem. Também é necessário determinar os parâmetros ideais quando escolhendo um gerador eólico pronto.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

A forma como os dados de origem são analisados ​​e como as fórmulas são aplicadas é apresentada no vídeo:

É necessário usar dados calculados em qualquer caso. Quer se trate de uma central industrial ou de fabricação para uso doméstico, o cálculo de cada unidade garante sempre a máxima eficiência do dispositivo e, o mais importante, a segurança operacional.

Cálculos preliminares determinam a viabilidade de implementação do projeto e ajudam a determinar o quão caro ou econômico o projeto é.

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