Hoe u een windgenerator berekent: formules + een praktisch rekenvoorbeeld

Alternatieve energie uit windinstallaties staat sterk in de belangstelling. Daar zijn talrijke praktijkvoorbeelden van.

Eigenaren van landelijke woningen bouwen met eigen handen windmolens en zijn tevreden, ook al is het effect soms maar van korte duur. De oorzaak – er is geen juiste berekening van de windgenerator gemaakt.

U zult het met mij eens zijn: u wilt geen tijd en geld steken in een project om vervolgens een weinig efficiënte installatie te krijgen. Daarom is het belangrijk om te begrijpen hoe u een windgenerator berekent en op welke parameters u de belangrijkste werkende onderdelen van de windturbine selecteert.

Dit artikel is gewijd aan het oplossen van deze vragen. Het theoretische deel wordt aangevuld met duidelijke voorbeelden en praktische aanbevelingen voor het monteren van een windgeneratorinstallatie.

Berekening van een windgeneratorinstallatie

Waar begint u met het berekenen van een systeem voor de opwekking van elektriciteit uit windenergie? Gelet op het feit dat het om een windgenerator gaat, lijkt een voorafgaande analyse van de windroos op een specifieke locatie logisch.

Berekeningsparameters zoals de windsnelheid en de kenmerkende windrichting voor dit gebied zijn belangrijke factoren. Daarmee wordt tot op zekere hoogte het werkelijk haalbare vermogensniveau van de windturbine bepaald.

Windgeneratoren met een dergelijk vermogen zijn nauwelijks voor te stellen. Maar dergelijke constructies bestaan en werken wel degelijk effectief. Berekeningen van dergelijke constructies tonen echter een relatief laag vermogen in vergelijking met conventionele energiebronnen.

Opmerkelijk is dat dit een langdurig proces is (minimaal 1 maand), wat overduidelijk is. De meest waarschijnlijke maximale windsnelheid en de overheersende windrichting kunnen niet met één of twee metingen worden bepaald.

U zult tientallen metingen moeten uitvoeren. Desondanks is deze operatie echt noodzakelijk als u een efficiënt en productief systeem wilt bouwen.

Hoe u het vermogen van een windturbine berekent

Huishoudelijke windturbines, vooral zelfgemaakte, hebben het publiek nog niet kunnen verrassen met hoge vermogens. Dat is begrijpelijk. U hoeft zich slechts een massieve mast van 8-10 m hoog voor te stellen, uitgerust met een generator met een rotordiameter van meer dan 3 m. En dit is nog niet de krachtigste installatie. Het levert slechts ongeveer 2 kW.

Voor het onderhoud van windturbines van dit vermogen worden helikopters en teams van specialisten ingezet, die uit maximaal tien personen bestaan. Om een dergelijke energie-installatie te berekenen, wordt een nog groter aantal uitvoerders ingeschakeld.

Over het algemeen, als u zich baseert op een standaardtabel die de verhouding toont tussen het vermogen van een windturbine en de vereiste rotordiameter, valt er iets te verbazen. Volgens de tabel is voor een windturbine met een vermogen van 10 W een propeller van twee meter nodig.

Voor een constructie van 500 watt is al een rotor met een diameter van 14 m nodig. Daarbij hangt de parameter van de rotordiameter af van het aantal bladen. Hoe meer bladen, hoe kleiner de diameter.

Maar dit is slechts theorie, gebaseerd op een windsnelheid die niet hoger is dan 4 m/s. In de praktijk ligt het enigszins anders, en het vermogen van huishoudelijke installaties die langdurig operationeel zijn, heeft nog nooit de 500 W overschreden.

Daarom is de keuze van het vermogen hier meestal beperkt tot het bereik van 250-500 W bij een gemiddelde windsnelheid van 6-8 m/s.

Tabel van de afhankelijkheid van het vermogen van een windenergiesysteem van de diameter van de werkende rotor en het aantal bladen. Deze tabel kan voor berekeningen worden gebruikt, maar houd er rekening mee dat deze is opgesteld voor een windsnelheidsparameter tot 4 m/s (+).

Vanuit theoretisch oogpunt wordt het vermogen van een windenergiecentrale berekend met de formule:

N=p*S*V³/2,

waarbij:

• p – dichtheid van de luchtmassa;
• S – totale bestreken oppervlakte van de rotorbladen;
• V – snelheid van de luchtstroom;
• N – vermogen van de luchtstroom.

Aangezien N een parameter is die het vermogen van de windturbine fundamenteel beïnvloedt, zal het werkelijke vermogen van de installatie dicht bij de berekende waarde van N liggen.

Berekening van de wieken van windinstallaties

Bij het ontwerpen van een windturbine worden gewoonlijk twee soorten rotoren gebruikt:

• horizontale-as rotoren – rotatie in het horizontale vlak;
• Savonius-rotor, Darrieus-rotor – rotatie in het verticale vlak.

Constructies van rotoren met rotatie in elk van de vlakken kunnen worden berekend met behulp van de formule:

Z= L*W/60/V

waarbij:

• Z – tip snelheidsverhouding (langzaamheid) van de rotor;
• L – lengte van de door de bladen beschreven cirkelomtrek;
• W – snelheid (frequentie) van rotatie van de rotor;
• V – snelheid van de luchtstroom.

Uitgaande van deze formule kunt u eenvoudig het toerental W – de rotatiesnelheid – berekenen.

Zo ziet de constructie van de schroef genaamd 'Rotor Darrieus' eruit. Deze variant van de propeller wordt als efficiënt beschouwd voor de fabricage van windgeneratoren met klein vermogen en afmetingen. De berekening van de schroef heeft enkele bijzonderheden.

En de werkende verhouding van toerental en windsnelheid is te vinden in tabellen die online beschikbaar zijn. Bijvoorbeeld, voor een schroef met twee bladen en Z=5 geldt de volgende verhouding:

Een andere belangrijke parameter van de windmolen-schroef is de spoed.

Deze parameter kan worden bepaald met behulp van de formule:

H=2πR* tg α,

waarbij:

• 2π – constante (2*3.14);
• R – de straal die door het blad wordt beschreven;
• tg α – de hoek van de doorsnede.

Aanvullende informatie over de keuze van de vorm en het aantal bladen, evenals instructies voor de vervaardiging ervan, wordt gegeven in dit artikel.

Selectie van generatoren voor windturbines

Met de berekende waarde van het toerental van de schroef (W), verkregen volgens de hierboven beschreven methode, kunt u de bijbehorende generator selecteren (fabriceren).

Bijvoorbeeld, bij een snelheidsverhouding Z=5, een aantal bladen van 2 en een toerental van 330 tpm. Bij een windsnelheid van 8 m/s. moet het generatorvermogen ongeveer 300 W bedragen.

Generator van een windenergie-installatie 'in doorsnede'. Een exemplarisch voorbeeld van een van de mogelijke constructies van een zelfgemaakte huishoudelijke windenergie-generator.

Bij deze parameters kan een motor die wordt gebruikt in moderne elektrische fietsen een geschikte keuze zijn als generator voor een huishoudelijke windturbine. De traditionele benaming van het onderdeel is een e-bikemotor (productie in China).

Zo ziet een elektrische e-bikemotor eruit, op basis waarvan wordt voorgesteld om een generator voor een huishoudelijke windmolen te maken. De constructie van de e-bikemotor is ideaal voor implementatie, vrijwel zonder berekeningen en aanpassingen. Hun vermogen is echter niet groot.

De kenmerken van de elektrische e-bikemotor zijn ongeveer als volgt:

Een positieve eigenschap van e-bikemotoren is dat ze praktisch niet hoeven te worden aangepast. Ze zijn ontworpen als elektromotoren met lage toerentallen en kunnen met succes worden gebruikt voor windgeneratoren.

Voor het maken van een windmolen kunt u een auto-alternator gebruiken of een aggregaat uit een wasmachine monteren.

Berekening en keuze van de laadregelaar

Een laadregelaar voor de accu is noodzakelijk voor elk type windenergie-installatie, inclusief een huishoudelijke constructie.

De berekening van dit apparaat komt neer op het kiezen van een elektrisch schema dat overeenkomt met de berekende parameters van het windsysteem.

Van deze parameters zijn de belangrijkste:

• nominale en maximale spanning van de generator;
• maximaal mogelijke vermogen van de generator;
• maximaal mogelijke laadstroom van de accu;
• spanning over de accu;
• omgevingstemperatuur;
• luchtvochtigheidsniveau.

Op basis van de gegeven parameters wordt de montage van de laadregelaar met de hand uitgevoerd of wordt een kant-en-klaar apparaat geselecteerd.

Laadcontroller voor accu's die gebruikt worden in een windenergie-installatie. Een industrieel vervaardigd apparaat; bij het kiezen ervan hoeft men alleen de technische specificaties zorgvuldig te bestuderen voor een nauwkeurige afstemming met het bestaande systeem.

Het is natuurlijk wenselijk om een apparaat te kiezen (of samen te stellen) waarvan het schema een eenvoudige start bij zwakke luchtstromen mogelijk maakt. Een controller die is ontworpen voor gebruik met accu's van verschillende spanningen (12, 24, 48 volt) is ook zeer welkom.

Tot slot, bij het berekenen (selecteren) van het controllerschema, wordt aanbevolen om de aanwezigheid van een functie zoals inverterbesturing niet te vergeten.

Selectie van de accu voor het systeem

In de praktijk worden accu's van verschillende typen gebruikt en bijna alle zijn geschikt voor gebruik in een windenergiesysteem. Maar er moet in ieder geval een specifieke keuze worden gemaakt. Afhankelijk van de parameters van het windturbinesysteem, wordt de accu geselecteerd op spanning, capaciteit en laadcondities.

Traditionele componenten voor huishoudelijke windturbines zijn klassieke loodzuuraccu's. Ze hebben in de praktijk goede resultaten laten zien. Bovendien is de prijs van dit type accu's gunstiger in vergelijking met andere soorten.

Loodzuuraccu's zijn bijzonder ongevoelig voor laad-/ontlaadomstandigheden, maar het is niet toegestaan ze zonder regelaar in het systeem op te nemen.

Als de windturbine-installatie beschikt over een professioneel uitgevoerde laadregelaar met een volledig automatisch systeem, is het raadzaam om accu's van het type AGM of gel-accu's te gebruiken.

De accublok van een huishoudelijke windturbine. Niet de beste gebruiksoptie, gezien de chaos van draden en de opslagvereisten. Bij een dergelijke toestand van de energieopslag kan men niet rekenen op een langdurige werking.

Beide soorten energieopslag worden gekenmerkt door een hogere efficiëntie en een lange levensduur, maar stellen hoge eisen aan de laadomstandigheden.

Hetzelfde geldt voor zogenaamde gepantserde gel-accu's. Maar de keuze voor deze accu's voor een huishoudelijke windturbine wordt aanzienlijk beperkt door de prijs. De levensduur van deze dure batterijen is echter de langste in vergelijking met alle andere typen.

Deze accu's onderscheiden zich ook door een grotere laad-/ontlaadcyclus, maar op voorwaarde dat er een kwalitatief hoogwaardig laadapparaat wordt gebruikt.

Berekening van de omvormer voor een huishoudelijke windturbine

We moeten meteen opmerken: als de constructie van een huishoudelijke windenergie-installatie één accu van 12 volt bevat, heeft het geen zin om een omvormer in een dergelijk systeem te plaatsen.

Het gemiddelde vermogen van een huishouden bedraagt minimaal 4 kW bij piekbelastingen. Hieruit volgt de conclusie: het aantal accu's voor dergelijk vermogen moet ten minste 10 stuks bedragen en bij voorkeur voor een spanning van 24 volt. Bij een dergelijk aantal accu's is het zinvol om een omvormer te installeren.

Om echter 10 accu's met een spanning van 24 W per stuk volledig van energie te voorzien en hun lading stabiel te houden, is een windmolen met een vermogen van ten minste 2-3 kW nodig. Het is duidelijk dat eenvoudige huishoudelijke constructies dergelijk vermogen niet aankunnen.

Een omvormer met een klein vermogen (600 W), die kan worden gebruikt voor een kleine huishoudelijke energie-installatie. Met een dergelijk apparaat met een spanning van 220 volt kunnen een televisie of een kleine koelkast worden gevoed. Voor de lampen in de kroonluchter is de stroom niet voldoende.

Niettemin kan het vermogen van de omvormer als volgt worden berekend:

1. Het vermogen van alle verbruikers optellen.
2. De verbruikstijd bepalen.
3. De piekbelasting bepalen.

In een concreet voorbeeld ziet dit er als volgt uit.

Stel dat de belasting uit huishoudelijke elektrische apparaten bestaat: verlichtingslampen – 3 stuks van elk 40 W, een televisieontvanger – 120 W, een compacte koelkast van 200 W. We tellen het vermogen op: 3*40+120+200 en krijgen 440 W.

We bepalen het vermogen van de verbruikers voor een gemiddelde periode van 4 uur: 440*4=1760 W. Op basis van de verkregen waarde van het vermogen over de verbruikstijd, lijkt het logisch om een omvormer te kiezen uit dergelijke apparaten met een uitgangsvermogen van 2 kW of meer.

Op basis van deze waarde wordt de volt-amperekarakteristiek van het vereiste apparaat berekend: 2000*0,6=1200 VA.

Klassiek schema voor de productie en distributie van energie verkregen van een windgenerator van het huishoudelijke type. Om echter een dergelijk aantal apparaten langdurig van energie te voorzien, is een voldoende krachtige installatie nodig (+)

In werkelijkheid zal de belasting van een huishouden van drie personen, met een volledige uitrusting van huishoudelijke apparaten, hoger zijn dan in het voorbeeld berekend. Ook in termen van de aansluitduur van de belasting overschrijdt de parameter de gekozen 4 uur. Bijgevolg zal een krachtigere omvormer voor het windenergiesysteem nodig zijn.

Een voorlopige berekening van de windmolen is niet alleen nuttig voor de eigen montage, maar ook noodzakelijk om de optimale parameters te bepalen bij de keuze van een kant-en-klare windgenerator.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Hoe de analyse van de invoergegevens verloopt en hoe de formules worden toegepast, wordt getoond in de video:

Het is in ieder geval noodzakelijk om de berekende gegevens te gebruiken. Of het nu om een industriële energie-installatie gaat of om een voor huishoudelijk gebruik gemaakte installatie, de berekening van elke component leidt altijd tot maximale efficiëntie van het apparaat en, belangrijker nog, tot veiligheid tijdens de exploitatie.

Vooraf uitgevoerde berekeningen bepalen de haalbaarheid van de projectrealisatie en helpen vaststellen hoe kostbaar of zuinig het project uitpakt.

Heeft u ervaring met het oplossen van dergelijke taken? Of heeft u nog vragen over het onderwerp? Deel dan uw vaardigheden op het gebied van berekening en ontwerp van een windgenerator. U kunt reacties achterlaten en vragen stellen in het onderstaande formulier.