Расчёт мощности и КПД генератора, подбор винта

Видео версия данной статьи представлена в этом видео материале. Ниже под видео текстовый вариант расчёта генератора и подбора винта.



В этой статье я буду говорить о том как рассчитать мощность генератора и подобрать винт с учётом КПД генератора.

Многие вообще не учитывают КПД генератора, и получается так что винт не тянет генератор, особенно на малом ветре. Собственно по этому часто при мощности винта к примеру в 200-300 вт мы получаем всего половину его мощности на заряд аккумулятора, а если поставить винт слабее то он не тянет, упирается и не хочет развивать обороты.

Для расчёта мощности ветрогенератора понадобятся точные данные по мощности и оборотам самих винтов, и данные по мощности и оборотам генератора.

И так: чтобы подобрать винт под генератор нужно сначало узнать мощность генератора. Как это сделать? Можно покрутить генератор зажав в токарный станок, подключить аккумулятор с измерительными приборами, и записывать мощность генератора на разных оборотах, а потом по этой мощности и оборотам подбирать винт.

Но вы не учтёте КПД генератора, и если не сделаете большой запас по мощности винта то может так оказаться что винт не сможет нормально тянуть генератор. В итоге вы будете недополучать много энергии, и потом придётся делать новый винт.

Можно конечно сразу ставить винт с большим запасом по мощности, но получится что винт будет недогружен, и генератор он не может крутить быстрее, хотя мощности очень много, но винт не может дать больше оборотов. Из-за этого могут возникнуть проблемы при сильном ветре, недогруженный винт может пойти вразнос, и при запредельных для него оборотах винт может развалится.

Вообще не у каждого есть возможность снять данные по мощности генератора на станке. Но это даже хорошо, ведь рассчитать мощность генератора при работе на аккумулятор совсем не сложно. Для расчёта всего лишь нужно знать какое напряжение выдаёт генератор, и сопротивление одной из фаз генератора.

Напряжение можно даже примерно узнать если покрутить генератор держа в руках секундомер. Тоесть крутить его со скоростью один оборот в секунду, и мерить напряжение мультиметром. В результате получится напряжение генератора при 60 об/м. Ошибка в 1-2 вольта тут не так страшна, просто подбирайте винт с небольшим запасом по мощности на какие то просчёты и неточности измерений.

С напряжением думаю понятно, его достаточно измерить при 60 об/м, или при любых других оборотах. Напряжение имеет линейную зависимость, и его легко узнать при любых оборотах. Например если у вас получилось 10 вольт при 60 об/м, значит при 300 об/м будет 50 вольт, а при 600об/м будет 100 вольт.

И для расчёта мощности генератора нужно знать сопротивление фазы. Его можно измерить мультиметром, но во избежании погрешности измерений, а мультиметры, особенно дешёвые не очень точно измеряют именно Омы, и могут ошибаться на целый Ом, лучше вычислить длину провода в фазе и умножить на сопротивление одного метра этого провода.

Таблицу сопротивлений медного провода можно найти на сайте - Таблица сопротивлений медного провода различных диаметров

К примеру катушки моего аксиального генератора намотаны проводом диаметром 1.05 мм, метр такого провода имеет сопротивлением 0.0224 Ом. В катушках по 75 витков, средняя длина витка в катушке около 14 см, соответственно получается 10.5 метров провода в катушке, и так как у меня в фазе четыре катушки, то в фазе длина провода 42 метра. И умножив 42 метра на 0.0224 Ом я получаю сопротивление фазы 0,95 Ом.

Но при расчёче нужно учитывать полное сопротивление включая провода от ветрогенератора до аккумулятора, и прочие потери. У меня получается с учётом потерь сопротивление фазы около 1.1 Ом.

И так, наконец перехожу к сути расчёта, а суть в том что зная напряжение холостого хода генератора при определённых оборотах можно вычислить ток заряда аккумулятора, и мощность заряда. Для этого от напряжения холостого хода генератора нужно вычесть падение напряжения при работе на АКБ. К примеру если у вас при 200 об/м напряжение холостого хода 21 вольт, то при работе на АКБ 12 вольт напряжение просядет, то есть опустится до напряжения аккумулятора, к примеру до 13 вольт.

Значит 21 вольт минус 13 вольт будет равно 8 вольт. Вот эти 8 вольт нужно поделить на сопротивление генератора. К примеру сопротивление у вашего генератора 3 ома, значит 8 разделить на 3 и получится 2.66 ампер на заряд аккумулятора. А мощность вычисляется путем умножения ампер на вольт, то есть 2.66 ампер умножить на 13 вольт, и получится 34.6 ватта.

Если генератор соеденён звездой то сопротивление нужно брать равным сопротивлению двух фаз. А если соединение треугольником то нужно брать в расчёт сопротивление одной фазы. Также если фазы соединены параллельно.

Чтобы было более наглядно давайте вычислим мощность моего генератора. Я знаю что напряжение моего генератора при 60 об/м 8 вольт, соединение фаз звезда. А сопротивление фазы как я уже говорил выше 1.1 Ом, значит при соединении звездой сопротивление будет 2.2 Ома, тоесть сопротивление удваивается.

При примерно 90-100 об/м начнётся зарядка 12В АКБ, при 100 об/м напряжение будет 13.3 вольта. Так как напряжение растёт линейно то при 180 об/м напряжение будет 24 вольта. Отнимаю падение напряжения на аккумулятор, и получается 24 минус 13 вольт равно 11, разделить на 2.2 Ома равно 5 Ампер. Тоесть ток заряда аккумулятора при 180 об/м будет 5 ампер, а мощность, 5 умножим на 13 равно 65 ватт.

Если вы сейчас не поняли смысл то лучше прочитайте ещё раз с начала так как далее будет ещё сложнее. А смысл в том что ток заряда аккумулятора исчисляется путем деления падения напряжения на сопротивление генератора.

Получилось при 180 об/м 5А тока заряда и мощность 65 ватт, но при подборе винта нужно знать насколько генератор нагрузит сам винт. Ведь генератор имеет свой КПД и отдавая мощность 65 ватт в аккумулятор сам генератор потребляет больше механической мощности.

Чтобы узнать КПД генератора и полную потребляемую им мощность нужно напряжение падения, то есть то напряжение которое просело при работе на АКБ умножить на ток заряда аккумулятора. На моём генераторе напряжение падения составило 11 вольт, значи 11 умножим на 5 ампер и получится 55 ватт. Далее прибавим эти 55 ватт к 65 ватт и получится полная мощность 120 вт. Именно эту мощность должен развивать винт при 180 об/м чтобы потянуть генератор. КПД генератора в данном случае 54%.

Таким образом рассчитывается мощность при других оборотах. Я обычно при расчёте делаю шаг в 60 об/м, то есть вычисляю мощность при 120, 180, 240, 300, и так далее. Ниже я вычислил мощность моего генератора при работе на 12В акб. Получилась вот такая картина

мощность генератора в зависимости от оборотов

Как видно КПД генератора при работе на 12В АКБ очень плохой. Попробуем к нему подобрать винт из ПВХ трубы и посмотрим что получится. В видео я показал как подбираю винт к генератору в эксельке по расчёту трубных лопастей.

Получается что к нему подойдёт винт из ПВХ трубы диаметром 2.6 метра, и по мощности при 11 м/с будет 23А тока заряда и 300 ватт мощности. А при 5 м/с мощность 60 ватт. Если поставить профильный винт то мощность будет выше так как прибавятся обороты. При ветре 13-15 м/с с этого генератора можно получить и 40 ампер тока заряда и мощность до 600 ватт.

Но из-за низкого КПД скорее всего генератор долго не проработает и сгорит статор от перегрева. Вообще сгоревший статор это не редкость так как делают генераторы стремясь получить высокое напряжение, чтобы зарядка началась как можно раньше. Но так получается высокое сопротивление обмоток, и статор перегревается при высоких оборотах из-за низкого КПД.

Но для наглядности я пересчитал мощность генератора при соединении фаз звездой на 24 вольта, и вот что получилось.

мощность генератора в зависимости от оборотов

Как видно КПД стал лучше вдвойне, а это значит что можно ставить винт меньшего диаметра и получать больше мощности с генератора за счёт увеличения оборотов. Давайте снова посмотрим на то какой винт подойдёт генератору, смотрите в видео. В итоге к нему подошол винт виаметром 2.2м.

Но у меня система на 12 вольт, поэтому я соединил фазы параллельно, это тоже самое что и треугольник, но треугольник у меня работает плохо, поэтому фазы выпрямлены через диодные мосты и запараллелил. Я рассчитал мощность и вот что получилось. Напряжение фазы у меня при 60 об/м 4 вольта, точнее 4.2 вольта, но я округлю.

мощность генератора в зависимости от оборотов

Как видно из картинки при параллельном соединении фаз КПД генератора значительно лучше при работе на 12В АКБ, чем при соединении звездой. Можно уменьшать диаметр винта и получать больше мощности что я и сделал. Самый первый винт для этого генератора я делал диаметром 2.6м, но как вы уже поняли из-за низкой мощности ветрогенератора в целом, я уменьшил диаметр винта, и соединил фазы параллельно чтобы не перематывать.

Сейчас у меня на ветрогенераторе стоит профильный деревянный винт, в последних видео на ютуб канале можно увидеть как я делал этот винт и что в итоге получилось по мощности.