Расчёт генератора для ветряка

Начиная делать новый ветрогенератор я решил подробно описать весь процесс создания ветрогенератора. Это первая начальная статья, (далее будут описаны следующие этапы), описывающая расчёт генератора. На этот раз я делаю ветрогенератор с дисковым аксиальным генератором, но принцип расчёта одинаков для всех типов генераторов. Ранее я уже неоднократно описывал процесс расчёта на разных примерах, но сейчас я попробую снова всё описать, тем-более что я рассчитываю генератор для себя.

Расчёт мощности генератора строится по закону Ома, характеристики генератора зависят от выходного напряжения, и сопротивления фаз генератора. Задача спроектировать генератор так, чтобы он работая в паре с ветроколесом (винтом), был максимально эффективен. Я хочу получить максимально возможное на ветре 4-7м/с, но чтобы зарядка АКБ начиналась как можно раньше, желательно с 2м/с.

Расчёт дискового аксиального генератора должен начинаться с чертежей, чтобы понять какой диаметр дисков нужен, какие размеры катушек, и какого диаметра заливать смолой статор генератора. Без рисования ничего не получится, а рисовать можно хоть на бумаге (вспомнив уроки геометрии), или на компьютере. Но потом всё равно придётся рисовать на фанере, чтобы точно разместить катушки перед заливкой статора.

Все размеры генератора строятся исходя из размеров магнитов. Я купил 16 магнитов размером 50×30×10 мм, магниты дорогие, поэтому денег хватило только на 16 штук. Вкратце скажу что прямоугольные магниты лучше чем круглые, и чем крупнее магниты, тем потом легче делать катушки, так-как и катушки тогда тоже будут по размерам крупнее. Генератор трёхфазный, по этому если магнитов 16шт, то будет по 8 шт на дисках, а катушек 12шт,

Расчёт диаметра дисков генератора

 Оптимальное расположение магнитов по кругу должно быть с расстоянием между магнитами равным половине ширины магнитов. У меня магниты 50×30×10 мм. Ширина магнитов 30 мм, прибавляем половину ширины (30+15=45 мм), и умножаем на 8 магнитов, и делим на π(3.14). Внутренний диаметр по магнитам (30+15*8:π= 114.5 мм) равен 114мм. Чтобы узнать внешний диаметр нужно прибавить высоту магнитов, у меня высота магнитов 50 мм. Значит (114+50+50=214 мм). Теперь я знаю диаметр дисков, я сделаю диски диаметром не 214 мм, а 220 мм, добавлю 6мм в диаметре.

Для примера: если вы хотите например поставить по 12 магнитов на дисках, а магниты размером 40×40×10 мм, то тогда получится (40+20*12:π+40+40) диаметр 309мм. Или если магниты 45*25*8 мм, то (45+22,5*12:π+45+45) диаметр дисков получится 347 мм. В общем не важно какие по размерам магниты, и их число по кругу, диаметр дисков строится от ширины магнитов, и расстояния между магнитами должно быть равным половине ширины магнитов.

У меня получилось вот так, я рисовал не на бумаге, а в планшете. Потом снова придётся рисовать уже на реальных дисках. Я думаю проблем с разметкой на дисках быть не должно, размечается диск на секторы, в моём случае на 8 секторов, и наклеиваем магниты.

расчёт дискового аксиально генератора, расположение магнитов на дисках

Расчёт размеров статора и катушек

 Теперь вычислим размеры статора и катушек. Так-как у нас внешний диаметр по магнитам 214мм, то рисуем круг диаметром 214мм. Высота магнитов 50 мм, значит (214-50-50=114 мм), рисуем второй круг внутри первого диаметром 114мм. Катушек у нас должно быть 12 штук, значит делим круг на 13 секторов, это по 30° на сектор.

В каждый сектор должна поместится катушка, при этом внутреннее отверстие катушки по высоте должно быть равно высоте магнита, то-есть 50 мм. А внешняя высота будет зависеть от ширины намотки катушки, А ширина катушки должна быть равна размерам сектора. Ниже на рисунке я думаю всё понятно.

Катушки треугольной формы будут лучше, так-как чем прямей витки тем выше эффективность катушки.

расчёт размеров статора и катушек аксиального дискового генератора

Расчёт катушек сколько поместится витков провода

 Теперь когда нам известны размеры катушек тот можно подумать каким проводом мотать катушки и сколько витков поместится. Если магниты шириной 10мм, то статор должен быть по ширине 8 м, так-как расстояние между магнитами на противоположных дисках должно быть 10 мм. Но я хочу сделать статор толщиной 10 мм, а расстояние между магнитами получится тогда 12 мм. Статор толщиной 10 мм, и по 1мм это зазор между статором и магнитами.

Ширина борта катушки у меня получилась 14 мм, можно сделать и меньше, можно чуть больше уменьшив внутреннее отверстие катушки. Я выбрал оптимально 14 мм. Если мотать проводом диаметром 1 мм, то поместится ровно 14 витков по ширине борта катушки. Толщина статора 10 мм, значит и толщина катушки 10 мм, но так как провод начала катушки выходит сбоку, то он съедает 1мм, и остаётся 9 мм. Таким образом размеры под витки провода 14*9мм, это 126 витков.

Если провод будет например 1,5 мм в диаметре, то поместится (14:1.5=9.3), (9:1.5=6), (6*9=45) 45 витков. Думаю с этим понятно, есть площадь, а сколько витков поместится зависит от диаметра провода.

расчёт размеров катушек аксиального дискового генератора

Расчёт Напряжения, сопротивления, и мощности генератора

 Напряжение генератора зависит от магнитной индукции магнитов (Тл), скорости движения магнитов, количества витков в катушках, и длины активного проводника. Напряжение или будет правильней - ЭДС (электродвижущая сила) зависит от магнитной индукции магнитов. Неодимовые магниты имеют индукцию на поверхности магнита 1.2-1.6 Тесла. Но какая индукция будет в зазоре между магнитами мы не можем знать, если у нас нет измерителя. Поэтому при расчёте генератора если расстояние между магнитами равно ширине магнитов, то магнитную индукцию магнитов можно брать как 0.8-1 Тл. Ели магниты марки N35 то 0.8Тл, если N52 то 1Тл, но в реальном генераторе может быть всё не так.

Если расстояние больше то понятно что магнитная индукция в зазоре будет ниже, ну а если ближе то выше. Магнитная индукция магнитов нужна при расчёте напряжения генератора. Формула расчёта ЭДС генератора выглядит так:

Формула E=B*V*L где:
  • Е-напряжение проводника при скорости движения магнитов 1об/с или 60об/м (V)
  • B-магнитная индукция магнитов(Тл)
  • V-скорость движения магнитов (м/с)
  • L-активная длина проводника (м)


    • (B)- я буду брать как 0.8 Тл, так как мгниты у маня толщиной 10мм, а зазор между магнитами 12 мм, если будет больше то хорошо,а так будем исходить из меньшего.

    (V)- скорость движения магнитов зависит от длины окружности, по которой они описывают круг за один оборот. В с лучае с дисковым генераторам окружность берётся по середине магнитов. У нас как мы помним внешний диаметр по магнитам 214 мм, значит по середине магнита диаметр будет (214-2,5-2,5=209 мм). Чтобы узнать длину окружности воспользуемся формулой 2*πr^22*(3.14*(104*104)=339 мм), то есть 0.34 метра.

    (L)- Активная длина проводника это та часть, которая попадает под магнит. У меня магнит по высоте 50 мм, значит активная длина 50 мм, или 0.05 метра.

    Теперь соберём полученные цифры, (0.8*0.34*0.05=0.0136V), напряжение одного витка у нас получилось 0.0136V. В катушках у нас по 126, а катушек в одной фазе 4, значит (0.0136*126*4=6.8V). Таким образом напряжение одной фазы генератора при 60об/м будет 6.8 вольта. При соединении фаз звездой напряжение возрастёт в 1.7 раза,и составит 11.5 вольт. Напряжение линейно зависит от скорости движения магнитов, по этому если увеличить скорость в 5 раз, то и напряжение увеличится в 5 раз, если в 10 раз увеличить скорость, то напряжение увеличится в 10 раз. Например при 600 об/м напряжение составит 115 вольт, а при 300 об/м 57.5 вольт.

    Сопротивление фазы генератора рассчитывается очень просто, нужно вычислить общую длину медного провода в фазе. У меня средняя длинна витка в катушках равна примерно 0.16 метра, значит (0.16*126*4=80.64 м). В фазе 80.64 метра провода, провод диаметром 1 мм, сопротивление одного метра провода сечением 1 мм равно 0,0224 Ом. Значит (80.64*0.0224=1.8 Ом). Сопротивление проводов различного диаметра можно посмотреть здесь Таблица сопротивлений медного провода

    Расчёт мощности генератора

    Теперь зная напряжение генератора, и сопротивление обмотки можно вычислить мощность генератора при разных оборотах. Напряжение генератора будет проседать до напряжения аккумулятора, а сила тока при просадке напряжения будет зависеть от сопротивления обмотки генератора. Например при 300 об/м напряжение генератора соединённого звездой 57.5 вольт, отнимем напряжение аккумулятора (13V), тогда (57-13=44V). То-есть при 300 об/м напряжение генератора при заряде акб просядет на 44 вольта. А ток заряда заряда АКБ зависит от сопротивления обмоток. При соединении звездой сопротивление увеличивается в два раза от сопротивления одной фазы, по-этому сопротивление (1.8*2=3.6 Ом). Теперь делим 44 на 3.6 и получим (44:3.6=12.2А). В итоге при 300 об/м ток зарядки АКБ составит 12.2А, а мощность (12.2*13=158 ватт).

    Вот так можно вычислить мощность на любых оборотах. Но нужно ещё помнить про КПД генератора, чем больше просадка напряжения тем ниже КПД. При садке напряжения на треть КПД около 80%, а дальше он только ухудшается. Это нужно помнить при расчёте винта, чтобы подобрать правильно мощность винта, чтобы она соответствовала мощности генератора.

    У меня получилась вот такая картина по мощности генератора соединённого звездой.

    Начало заряда при 70 об/м 13,7 вольта.
    обороты/напряжение ХХ/ток заряда/мощность

    60/11,5//0/0/
    120/23/2,7/36
    180/34/6/77
    240/46/9/120
    300/57/12/160
    360/69/15/202
    420/80/19/243
    480/92/22/285
    540/103/25/326
    600/115/28/368

    В итоге при соединении звездой мощность не впечатлила, и слишком рано начинается зарядка АКБ. Быстроходный винт подобрать не получается, а с тихоходным обороты получаются низкие. Вообще вот когда вы рассчитаете мощность генератора, только после этого нужно подбирать винт. Винт нужно смотреть в программе, смотреть на мощность винта, его обороты, быстроходность, КИЭВ, и подгонять под генератор.

    Этот генератор будет работать на АКБ 24 гораздо лучше при соединении фаз звездой, на я собираюсь заряжать 12в АКБ, по-этому придётся генератор соединить треугольником. При этом сопротивление генератора станет равно фазному, это 1.8 Ом, и напряжение станет равно напряжению одной фазы, то-есть 6.8 вольт.

    Значит начало заряда при 120 об/м,
    обороты/напряжение ХХ/ток заряда/мощность
    120/13.6/0/0
    180/20/4/53
    240/27/7.8/102
    300/34/11.6/151
    360/41/15.5/200
    420/47/19/249
    480/54/23/300
    540/61/27/350
    600/68/30/400

    Расчёт винта для ветрогенератора

    Теперь когда параметры будущего генератора известны можно рассчитать винт для него. В программе по расчёту лопастей из ПВХ труб я прикинул винт диаметром 2,6 метра, с быстроходностью Z7. Я долго подгонял размеры винта, и размеры лопастей чтобы и зарядка начиналась как можно раньше, и чтобы винт был максимально эффективен в широком диапазоне.

    Начало зарядки акб у меня получилось при 2,5 м/с. При 4 м/с мощность ветрогенератора составит 50-55 ватт, при этом мощность винта при 180 об/м составит 75 ватт. Запас по мощности это на КПД генератора. При 5 м/с мощность ветрогенератора составит около 100 ватт. А при 6 м/с будет уже 200 ватт, и винт будет иметь максимальный КИЭВ 0.45, обороты при этом 300-310 об/м. При 10 м/с с падением КИЭВ до 0.27 винт сможет раскрутить генератор до 600-650 об/м. Мощность у винта при этом будет около 850 ватт, а генератор сможет дать около 500 ватт мощности.

    В общем с этим винтом ветрогенератор получится мощностью 500 ватт при 10 м/с, и максимальная эффективность будет при ветре 5-7 м/с. При этом работать ветряк будет с 2,5 м/с. Стартовый момент таких быстроходных лопастей очень низкий, всего 0.13 Нм, но так-как генератор не имеет залипания я думаю проблем со стартом не будет, и ветряк будет запускаться с 2-3м/с.

    Ниже скриншоты из программы по расчёту лопастей. Первый это основные данные винта, а второй это данные для вырезания лопасти из трубы.

    винт ветрогенератора диаметром 2,6 метра
    данные для вырезания лопасти из пвх трубы

    При подборе винта для генератора нужно понимать что у винта есть быстроходность, обороты, и КИЭВ, который изменяется. Например Я сначало взял винт диаметром 3 метра, посмотрел и понял что у винта не хватает оборотов при хорошем КИЭВ. Если увеличивать быстроходность то КИЭВ резко падает, а при среднем и сильном ветре у вита перебор по мощности так-как он не может крутить генератор быстро. То-есть несоответствие мощности винта и генератора, от этого общий КПД ветрогенератора очень низкий.

    Тогда я стал уменьшать диаметр сначала добившись чтобы при ветре 3-4 м/с мощность генератора и винта была одинаковой. Я уменьшил винт до 2,4 метра, и поставил 5 лопастей. При слабом ветре 3-4 м/с стало не плохо, КИЭВ 0,45, но оборотов маловато. Тогда я оставил три лопасти и поднял диаметр до 2.6 метра. При этом я получил и хороший показатель на ветре 3-4 м/с с оборотами при этом ветре 120-180 с КИЭВ 0,35-0,40. И максимальная эффективность достигается при 6 м/с с КИЭВ 0,45. При этом винт максимально быстроходный, и так-сказать тяговитый в широком диапазоне ветра, и быстроходности.

    Если бы я сделал тихоходный пяти-лопастной винт, то я бы получал на 30% меньше энергии в сравнении с этим трёх-лопастным. Шести-лопастной дал бы результат ещё, так-как у него обороты в два раза ниже чем у трёх-лопастного. По-этому я отказался от тихоходных винтов, что я зря такие деньги потратил на магниты, провод и прочее, чтобы потом получать намного меньше чем это возможно.

    Хотя если сделать двухлопастной винт, ро можно ещё на 30% увеличить обороты и мощность ветрогенератора. Но тогда придется делать всё очень точно и сбалансировано, иначе будут вибрации при работе, что очень не приятно. Также двух и однолопастные винты сильно "колбасит" при разворотах, и это тоже неприятно. По-это трёхлопастной винт это оптимально для ветрогенератора, что в принципе давно определили производители.

    Следующий этап это по имеющимся размерам сделать чертежи деталей генератора, об этом в следующей части... Чертежи деталей для генератора