Расчет вертикальных ветрогенераторов

Самодельный вертикальный ветрогенератор

Для примера фото вертикального ветряка типа "Бочка"

Для расчета есть простая формула:

P=0.6*S*V^3

где

P- мощность Ватт

S- площадь ометания лопастей кв.м.

V^3- Скорость ветра в кубе м/с

0.6 - это скорость ветра. Ветер движущийся в пространстве принимается за единицу, но ветер при подходе к любому препятствию теряет свою скорость и мощность. Так-как потери в скорости нам не известны, то будем брать 0.6, это с учетом того что ветер потеряет скорость на 33%.

Дополнительно формула расчета площади круга S=πr2, где

π- 3,14

r- радиус окружности в квадрате

Вообще вертикальные ветряки подобно рекламным щитам ветер тормозят очень сильно, и перед препятствием образуется воздушная подушка, натыкаясь на которую новые порции ветра расходятся по сторонам и 30-40% энергии ветра уходит не принимая участия в давлении на лопасти. По-этому общий КПД, или по правильному КИЭВ ветроколеса у вертикальных ветряков достаточно низкий и составляет всего 10-20% от энергии ветра.

Из анализа самодельных вертикальных ветряков КИЭВ в основном 10% всего, но мы-же оптимисты, по-этому я буду брать КИЭВ 0.2, хотя здесь еще не учитывается КПД генератора и трансмиссии.

Далее по формуле подставляя данные для этого ветроколеса получается что:

0.6*6*2*2*2*0.2=5,76 ватт при 2м/с

0.6*6*3*3*3*0.2=19,44 ватт при 3м/с

0.6*6*4*4*4*0.2=46,08 ватт при 4м/с

0.6*6*5*5*5*0.2=90 ватт при 5м/с

0.6*6*7*7*7*0.2=246 ватт при 7м/с

0.6*6*10*10*10*0.2=720 ватт при 10м/с

Теперь понятно на что способен данный ротор. Далее нам нужно подогнать генератор к этому ротору чтобы генератор смог вырабатывать максимально возможную мощность, которая имеется на роторе, и при этом не перегружать ротор - чтобы он мог вращаться и его обороты сильно не падали. Иначе толку не будет, выработка энергии сильно упадет. Чтобы подогнать генератор нам нужно узнать обороты ветроколеса на каждой скорости ветра.

В отличие от горизонтальных ветряков, где скорость вращения кончиков лопастей обычно в 5 раз быстрее скорости ветра, вертикальный ветрогенератор не может вращаться быстрее скорости ветра. Это связано с тем что тут ветер просто толкает лопасть, и она начинает двигаться с потоком проходящего ветра. А горизонтальный винт работает за счет подъемной силы, которая образуется у тыльной части лопасти, и она выдавливает лопасть вперед, и тут обороты ограничиваются только аэродинамическими свойствами лопасти и подъемной силой.

Вдаваться в подробности не будем, и вернемся к нашему ветроколесу. Чтобы высчитать обороты ротора размером 2*3 метра, где ширина ротора 2 метра, нужно узнать длину окружности ротора. 2*3,14=6.28 метра, то-есть за один оборот кончик лопасти проходит путь в 6.28 метра. Это значит что в идеале полный оборот ротор сделает за проходящий поток ветра длинной 6.28 метра. Но так-как энергия тратится на вращение, на трансмиссию, да еще и на вращение генератора - который нагружен аккумулятором, то обороты упадут в среднем в два раза. И того полный оборот ротор сделает за 12 метров потока ветра.

Тогда получается так, если ветер 3м/с, то при этом ветре за секунду ротор сделает 0,4 оборота, а за 4 секунды полный оборот. А за минуту при ветре 3м/с будет 60:4=15об/м.

При 3м/с 12:3=4, 60:4=15об/м

При 4м/с будет 12:4=3, 60:3=20об/м.

При ветре 5м/с 12:5=2.4, 60:2.4=25об/м.

При 7м/с 12:7=1.71, 60:1,71=35об/м

При 10м/с 12:10=1.2, 60:1.2=50об/м

С оборотами ветроколеса я думаю теперь понятно, и они известны. Чем больше в диаметре ветроколесо, тем меньше его обороты относительно скорости ветра. Так к примеру ветроколесо диаметром 1 метр будет крутится в два раза быстрее чем ветроколесо 2м в диаметре.

Теперь нужен генератор, который на этих оборотах должен вырабатывать мощность не более чем может выдать ветроколесо. А если генератор будет мощнее, то он перегрузит ротор, и тот не сможет раскрутится до своих оборотов, и в итоге обороты будут низкие и общая мощность. При ветре 3м/с у нас 15 об/м, и мощность ветроколеса 19 ватт, вот нужно чтобы генератор нагружал ротор не более 19ватт. Это с учетом КПД редуктора (если он имеется) и КПД самого генератора. КПД редуктора и генератора обычно не известны, но на них тоже значительные потери, и в общем на этом теряется 20-50% энергии, и на выходе на аккумулятор уже поступает всего 50%, это в нашем случае 10ватт примерно.

Если генератор перегрузит ветроколесо, то его обороты не выйдут на номинальные, и будут значительно ниже скорости ветра. От этого упадут обороты генератора и его мощность. Плюс еще значительно медленные по скорости лопасти относительно ветра, будут его сильно тормозить и ветер будет разбегаться в стороны, в итоге мощность ветроколеса упадет еще больше. Так со слишком мощным генератором энергии на аккумулятор будет в разы меньше чем могло бы быть. Или наоборот, когда генератор слишком слабый и при 15об/м ветроколеса не может на полную нагрузить ветроколесо, то то-же получается что мы берем гораздо меньше энергии от возможной.

В итоге генератор должен соответствовать по мощности ветроколесу, только так мы можем снять максимально возможную мощность ветроколеса. Это можно сказать самая сложная задача так-как генератор может абсолютно разных характеристик напряжения и тока к оборотам. Чтобы подобрать генератор его нужно покрутить на аккумулятор и измерить отдаваемую энергию, или просчитать по формулам. А далее уже пробовать подгонять к ветроколесу.

К примеру у вашего генератора при 300об/м 1Ампет на АКБ 14вольт, это примерно 14ватт, а ветроколесо выдает 19ватт при 15об/м. Значит мультипликатор нужен 1:20 чтобы генератор крутился при этом на 300об/м. При 5м/с обороты ветроколеса 25об/м, а генератор значит будет вращаться со скоростью 500об/м. Мощность ветроколеса у нас при этом всего 90ватт, а генератор превышает по мощности и дает 200ватт. Так не пойдет ветроколесо просто будет медленно вращаться и свои 90ватт не выдаст - а 200ватт тем-более. Выход - или жертвовать началом зарядки и делать редуктор 1:15, или увеличивать по высоте ветроколесо в два раза чтобы ветроколесо потянуло генератор.

Так нужно чтобы генератор соответствовал по мощности и оборотам на всем диапазоне вращения ветроколеса. А если генератор не-дотягивает по мощности, то нужно или увеличивать передаточное число мультипликатора, или уменьшать ротор чтобы добиться баланса между оборотами и мощностью ветроколеса и генератора. Часто люди вообще без всяких расчетов ставят генераторы от чего найдут, и строят ветроколесо насмотревшись видео с ютюба, а в итоге получается что ветрогенератор не работает на малом ветру и по мощности просто мизер совсем.