Ветрогенератор своими руками: расчет винта и генератора переменного тока

Расчет ветроколеса и генератора переменного тока для домашней ВЭУ. Варианты конструктивного исполнения – опыт пользователей портала.

Продолжая тему, посвященную ветроэнергетике в домашнем хозяйстве, считаем своим долгом рассказать о конструкции ветрогенератора – ключевого элемента системы. Статья ориентирована на тех, кто планирует собирать «сердце» ветроэнергетической установки своими руками.

Судя по опыту пользователей FORUMHOUSE, которые не привыкли искать легких путей, сборка ветрогенератора своими силами – задача, вполне осуществимая. И первое, что необходимо выполнить для ее успешной реализации – это правильно рассчитать основные элементы установки.

Для того чтобы основные моменты, представленные в настоящей статье, были вам понятны, рекомендуем ознакомиться с материалами, изложенными в ее первой и второй частях.

Из статьи вы узнаете:

  • Как правильно рассчитывать рабочий винт ветрогенератора.
  • Какие типы генераторов больше всего подходят для сборки в домашних условиях.
  • Как рассчитывать рабочие характеристики генератора переменного тока.

Расчет рабочего винта (ветроколеса)

Преобразование механической энергии воздушного потока в энергию электрическую начинается с рабочего винта. Поэтому методику расчета ветроколеса мы рассмотрим в первую очередь. Сделаем это на примере наиболее распространенного трехлопастного винта с горизонтальной осью вращения.

Ключевое правило, которого следует придерживаться, осуществляя расчет ветряка, заключается в следующем: мощность ветрового потока, которую можно снять с рабочих лопастей устройства, должна соответствовать электрической мощности самого генератора. Объясним почему: если мощность винта будет слишком малой, то даже при сильном ветре винт не сможет стронуть с места ротор генератора, находящегося под нагрузкой. Если же, наоборот, винт окажется слишком мощным для генератора, то при сильном ветре он раскрутит ротор до очень высоких оборотов, что неизбежно приведет к разрушению всей установки.

Учитывая этот момент, рассмотрим порядок расчета трехлопастного винта в соответствии с заданными характеристиками генератора. Предположим, что у вас уже есть генератор, с номинальной мощностью 300 Вт*ч (к примеру). Также представим, что свои номинальные характеристики устройство будет демонстрировать при оборотах ротора – 150 об/мин. Если средняя скорость ветра в вашей местности составляет 6 м/сек, то на нее и следует ориентироваться, осуществляя дальнейшие расчеты.

Далее: генератор переменного тока, на который ветроколесо передает вращательный момент, имеет свой собственный КПД (0,6…0,8). При различных условиях эксплуатации данный показатель может опускаться до более низких значений, поэтому в качестве примера возьмем КПД, равный 50%.

Для того чтобы устройство, обладающее подобным КПД, выдало необходимые 300 Вт*ч электрической мощности, на его ротор необходимо подать мощность, в два раза превышающую ту, которую требуется с него снять. То есть, механическая мощность, передаваемая на генератор с ветроколеса, должна быть равна 600 Вт.

Средний КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) у трехлопастных винтов равен 0,4 (это и будет КПД ветроколеса). Следовательно, мощность ветра (Х), которая должна воздействовать на рабочие лопасти ветряка (чтобы снять с них 600 Вт), можно вычислить, решив уравнение:

Х*0,4 = 600 Вт.

В нашем случае:

Х = 600:0,4 = 1500 Ватт.

Итак, количество необходимой энергии нам известно, теперь рассчитаем площадь, ометаемую рабочими лопастями ветроколеса (S).

dim_on_art Пользователь FORUMHOUSE

Вот нашел формулу: P = 0,5 *Q * S * V³ * Cp * Ng

  • P – мощность (Вт);
  • Q – плотность воздуха (1,23 кг/м³);
  • S – площадь ометания ветроколеса (м²);
  • V – скорость ветра (м/с);
  • CP – коэффициент использования энергии ветра (0,35…0,45);
  • Ng – КПД генератора;

Плотность воздуха – неизменна, площадь ометания ротора – тоже.

Эта формула обозначает мощность на выходных клеммах генератора. Учитывая, что значение мощности (1500 Вт) мы изначально взяли с учетом КИЭВ ветроколеса и КПД генератора, последние два значения из формулы убираем.

Мощность ветра, которую воздушный поток передает на ветроколесо, будет равна:

P = 0,5 *Q * S * V³

Все значения, входящие в формулу, нам известны (кроме площади – S). Решив простейшее уравнение, получим:

S = 1500/0,5*1,23*6³ = 11,292 м²

Площадь круга вычисляется по формуле:

S = πr²

где π – математическая константа (3,14), а r² – квадрат радиуса окружности ветроколеса.

В нашем случае r² = 11,292/3,14 = 3,596.

Следовательно, радиус ветроколеса будет равен 1,89 м, а его диаметр – 3,78 м.

Теперь необходимо удостовериться в том, что такое ветроколесо сможет при ветре – 6 м/с развить достаточное количество оборотов. В этом нам поможет коэффициент быстроходности ветряка – Z (у трехлопастных устройств Z=5).

Окружная (концевая) скорость лопастей ветряка с коэффициентом быстроходности Z5 будет равна произведению коэффициента (Z) на скорость ветра (6*5=30 м/с). Периметр ветроколеса диаметром 3,78 метра равен 11,87 м (L=2πr). Это длина его окружности по внешнему диаметру лопастей, то есть, расстояние, которое конец каждой лопасти проходит за один оборот. Следовательно, за секунду каждая лопасть сделает 2,53 оборота (30 м/с делим на 11,87 м) или 151 оборот за минуту. Что нам и требовалось.

Для того чтобы увеличить обороты, мы можем уменьшить диаметр ветроколеса, но мощность винта в этом случае снизится.

Netbyka Пользователь FORUMHOUSE

Уменьшение диаметра ветроколеса должно давать увеличение оборотов. Его можно уменьшать до тех пор, пока мощности винта будет хватать для прокручивания генератора под нагрузкой. Это и будут оптимальные параметры.

Мы представили вашему вниманию методику «грубого» расчета ветроколеса, основанную на характеристиках генератора и существующих потребностях в альтернативной электроэнергии.

Учитывая, что большой ветряк и построить сложно, и обслуживать – непросто, конструкцию рабочего винта можно рассчитать под конкретные условия эксплуатации (добавляя или уменьшая количество лопастей, а также меняя при этом их длину). Это поможет изменить коэффициент быстроходности, а, следовательно, и количество оборотов. Также при недостаточном количестве оборотов мощные ветрогенераторы (особенно многолопастные – тихоходные) оснащаются дополнительным редуктором-мультипликатором.

BOB691774 Пользователь FORUMHOUSE

При малых скоростях вращения ротора выработки электроэнергии нет вообще. Мультипликатор решает эту проблему даже при малых оборотах.

Как бы мастер ни старался, самодельный ветрогенератор всегда будет далек от совершенства: самодельные лопасти, самодельные катушки – при изготовлении всего этого трудно соблюсти рекомендуемые аэродинамические и электротехнические параметры. И если в теории мы рассчитали, что ветроколесо диаметром 3,78 метра (при ветре 6 м/с) позволит получить нам 300 Вт*ч электроэнергии, на практике этот показатель можно смело уменьшить на 30%. Этим самым мы на стадии расчетов учтем недостатки кустарной сборки и возможные потери мощности.

Расчет генератора

Рассмотрим последовательность расчета трехфазного генератора переменного тока на постоянных магнитах. Трехфазные генераторы получили значительно более широкое распространение (нежели однофазные) за счет своих характеристик: отсутствие сильных вибраций и гула во время работы, улучшенные характеристики по мощности, току и т. д.

Мощность генератора зависит от целого ряда факторов: скорость вращения, величина магнитной индукции, количество витков на обмотках статора и т. д. Также она напрямую зависит от величины ЭДС генератора, которая определяется по формуле:

E=B•V•L 

Где:

  • E – ЭДС (В);
  • B – величина магнитной индукции (Тс);
  • V – линейная скорость движения магнитов (м/с) – произведение длины окружности ротора на количество оборотов;
  • L – активная длина проводника (м), которую перекрывают магниты генератора.

Среднее значение индукции постоянных магнитов, используемых в составе генераторов переменного тока, равно 0.8 Тл. Его можно смело применять во время осуществления предварительных расчетов.

Если генератор изготавливается на основе неодимовых магнитов, величина магнитной индукции будет выше (от 1 до 1,4 Тл).

Рассмотрим последовательность предварительного расчета трехфазного аксиального генератора, пользуясь примером, который предложил один из пользователей FORUMHOUSE.

Хиттч Пользователь FORUMHOUSE

Вот, что я имею: 24 магнита (неодимовые) толщиной – 5 мм, шириной – 9.5 мм, длиной – 20 мм. Имею среднегодовую скорость ветра – 5 м/сек. Планирую сделать два ротора – по 12 магнитов на роторе (то есть – 12 полюсов). Соотношение полюсов и катушек – 2/3 (на каждые 2 полюса идет 3 катушки). Получаем 12 полюсов и 18 катушек (по 12 магнитов на каждом диске ротора). Ветроколесо выбрал диаметром 2 метра (двухлопастное). Его быстроходность – Z7. При ветре 5 м/с ветряк должен развивать 334 об/мин (334/60= 5,6 об/сек).

Оптимальное соотношение полюсов и катушек в трехфазном генераторе – 2/3. Один полюс формируется двумя магнитами.

Пользователя интересовал расчет дискового генератора аксиального типа.

Преимущества аксиальных генераторов заключаются в отсутствии магнитного залипания, что позволяет им стартовать при сравнительно небольшой скорости ветра (около 2-х м/с). Основной их недостаток, в сравнении с классическими самодельными моделями, заключается в том, что для получения одинаковой мощности на сборку аксиального генератора необходимо потратить, как минимум, в 2 раза больше магнитов.

Под классическими моделями подразумеваются устройства, изготовленные из асинхронного двигателя или из стандартного автомобильного генератора.

Но вернемся к аксиальникам: ротор аксиального генератора на прямоугольных неодимовых магнитах будет иметь следующий вид.

Учитывая, что длина магнита – 20 мм, активная длина катушек тоже будет 20 мм (или 0,02 м).

Активная длина проводника аксиального генератора равна длине магнита. В классических генераторах с металлическим статором активная длина проводника равна ширине статора.
Хиттч

Нижний радиус магнитов – 59 мм.

Верхний радиус магнитов (59 + 20) = 79 мм.

Следовательно, радиус по центру магнитов будет равен 69 мм. Эту величину и будем использовать в своих расчетах. За один оборот ротора каждый магнит пройдет расстояние, равное периметру окружности по центру магнитов (2πr или πd). В нашем случае:

L = 2*0.069*3.14 = 0.433 м.

Подставим известные значения в формулу для расчета ЭДС генератора и определим этот показатель для одного витка катушки. Индукцию неодимовых магнитов примем равной – 1 Тл (при условии, что расстояние между магнитами на противоположных дисках ротора не превышает толщину магнитов).

E=B•V•L = 1*0,433*0,02 = 0,0087 В.

Это получилась ЭДС одного витка катушки при скорости вращения генератора – 1 об/сек (60 об/мин).

Расстояние между магнитами на противоположных дисках не должно превышать толщину самих магнитов. В противном случае значение магнитной индукции, воздействующей на проводники катушки, заметно снижается. Это следует учитывать, рассчитывая ширину статора.

Обратимся к исходным данным, которые нам предоставил пользователь Хиттч.

Хиттч

Количество витков в катушке: толщина провода для катушки – 0,4 мм, ширина намотки – 5 мм, толщина намотки – 5 мм. 5/0,4 = 12,5 витков (в длину и столько же в ширину). Итог: 12,5*12,5 = 156 * 0,8 (коэффициент упаковки) = 125 витков в катушке.

Рассчитаем напряжение катушки при одном обороте в секунду: 0,0087*125 = 1,087 В.
 
Если учесть, что расчетная скорость вращения генератора составляет 5,6 об/сек, ЭДС, полученная с одной катушки при ветре 5 м/сек, будет равна:

1,087*5,6 = 6,087 В.

Каждая фаза генератора объединяет между собой несколько катушек (если всего катушек 18, то на каждую фазу идет по 6 катушек). При этом обмотки самодельных трехфазных генераторов принято соединять между собой «звездой» (концы всех трех обмоток объединяются в один узел, а нагрузка подключается на начало каждой из обмоток).

Соединение «звездой» увеличивает напряжение генератора в 1,7 раз, но при этом настолько же увеличивает и его сопротивление.

Соединив фазы генератора по типу «звезда», мы сможем увеличить ЭДС каждой катушки в 1,7 раза. То есть получим значение – 10,35 В. Но на практике в отдельный момент времени магниты перекрывают примерно половину катушек каждой фазы. Это означает, что лишь 3 катушки из каждой фазы одновременно будет генерировать напряжение. То есть каждая фаза при ветре 5 м/сек будет генерировать:

10,35*3 = 31,05 В.

Это мы получили ЭДС генератора, которое для простоты расчетов примем за его напряжение без учета внутреннего сопротивления.

Расчет мощности

Чтобы вычислить значение мощности, которую генератор будет подавать на аккумулятор, необходимо рассчитать силу тока в цепи АКБ.

В соответствии с законом Ома:

I = U/R+r

Где:

  • I – сила тока;
  • U – разница между напряжением генератора и напряжением аккумулятора (U = Ug-Ua)
  • R + r – сопротивление внешних элементов цепи и источника тока.

Рассчитаем сопротивление катушек генератора. Для этого будем использовать значение сопротивления проводника (в данном случае – сопротивление медного провода диаметром 0,4 мм и длиной 1 метр), которое будет равно 0,14 Ом.

Диаметр провода, мм Площадь поперечного сечения, мм2 Сопротивление 1 м провода, Ом Допустимый ток, А, при плотности потока, равной 3 А/мм2
Медь Ник-елий и ман-ганин Конс-тантен Нихром
0.05 0.002 8.90 212.00 245.00 5.10 0.006
0.08 0.005 3.50 82.50 95.40 199.00 0.015
0.10 0.0079 2.20 53.00 61.10 127.00 0.025
0.12 0.011 1.60 37.60 42.60 88.50 0.033
0.15 0.18 1.00 23.50 27.20 56.50 0.052
0.20 0.031 0.55 13.20 15.30 31.90 0.094
0.25 0.049 0.36 8.45 9.78 20.40 0.147
0.30 0.070 0.25 5.36 6.80 14.20 0.21
0.40 0.126 0.14 3.30 3.80 7.94 0.38
0.50 0.196 0.09 2.12 2.45 5.10 0.6
0.60 0.283 0.06 1.45 1.69 3.54 0.86
0.70 0.385 0.045 1.08 1.25 2.60 1.16
0.80 0.50 0.035 0.825 0.954 1.99 1.5
1.00 0.79 0.023 0.530 0.611 1.27 2.5

Общая длина провода одной катушки генератора – 7250 мм.

Хиттч

Периметр магнита (9+9)+(20+20) = 58 мм. Это длина одного витка. 58 * 125= 7250 мм. 7250 мм * 6 (катушек в одной фазе) = 43500 мм (43,5 м).

Сопротивление фазы:

43,5*0,14 = 6,09 Ом

При соединении катушек по типу «звезда» получаем увеличение сопротивления в 1,7 раз:

6,09*1,7 = 10,353 Ом

Подставляем значения в формулу расчета силы тока: 31,05 В (напряжение генератора) минус 13 В (напряжение аккумулятора) и делим на сопротивление генератора 10,353 Ом. Сопротивление аккумулятора учтем чуть позже.

Получим:

I = 31,05 – 13/10,353 = 1,74 А.

Это ток заряда аккумулятора.

Aleksei2011 Пользователь FORUMHOUSE

Берем напряжение генератора и отнимаем от него напряжение АКБ (это 13Вольт). Разницу делим на сопротивление генератора и получаем ток заряда аккумулятора.

В этом случае мощность, потребляемая аккумулятором при ветре 5 м/сек, составит:

1,74А*13В = 22,62 Вт*ч или 0,023 (кВт*ч).

В представленных расчетах не были учтены такие параметры, как сопротивление аккумулятора, сопротивление проводников, идущих от генератора к аккумулятору, потери на сопротивления диодного моста и т. д. В среднем неучтенные при расчетах потери мощности достигают 30%, следовательно, на практике генератор выдаст 0,0069 кВт*ч. (всего около 7 Вт*час).

Добиться увеличения мощности можно установкой более широких и толстых магнитов, а также уменьшением сопротивления обмоток (путем использования более толстого провода в обмотке).

Вот мнение опытного практика относительно генератора, расчеты которого приведены выше.

Aleksei2011

Аксиальник на таких магнитах слишком слабый получится, им только пальчиковые аккумуляторы заряжать. Если же их в автомобильный генератор поместить, сделать новый ротор и перемотать статор, то до 150ватт будет ветряк выдавать с винтом 1,5 м.

Методика расчета, которую мы представили вашему вниманию, подходит как для аксиальных, так и для классических генераторов на постоянных магнитах. Самостоятельные расчеты позволяют получить весьма приближенные результаты. Тем не менее, выполнив их перед изготовлением генератора, можно будет вполне обоснованно судить о рабочих характеристиках будущего устройства.

Как мы уже говорили, расчет рабочего винта следует выполнять, опираясь на характеристики генератора. При этом мощность лопастей должна соответствовать мощности генератора и немного ее превосходить.

Aleksei2011

Вначале необходимо рассчитать мощность на разных оборотах, а уже после этого – подгонять винт под мощность генератора. Необходимо, чтобы винт был мощнее генератора на 10-20%. При таких условиях эффективность генератора будет максимальной.

Тема, посвященная изготовлению винтов и генераторов переменного тока своими руками, очень объемна. Более углубленно мы рассмотрим ее в одном из следующих материалов. А сейчас вы можете ознакомиться с практическими советами опытных пользователей FORUMHOUSE, которыми они руководствуются, рассчитывая конструкцию винтов и ветрогенераторов для домашних ВЭУ. Также об особенностях конструкции ветрогенераторов и ее зависимости от правильных расчетов можно прочесть в другом разделе нашего портала. В нем выложены практические наработки пользователей и их соображения по данной проблеме. Тем же, кого интересует более объективный подход к альтернативной электроэнергетике, предлагаем посмотреть видеосюжет, посвященный комплектованию стандартной солнечной электростанции.