Какая ответственность работодателя за нарушение трудового законодательства. Суммы штрафов за нарушение трудовых прав работников. Что делать работнику, если нарушаются требования законодательства

Ниже формула расчета мощности энергии ветра P=0.6*S*V^3 , где

P- мощность Ватт

S- площадь ометания кв.м.

V^3- Скорость ветра в кубе м/с

Дополнительно формула расчета площади круга S=πr2 , где

R- радиус окружности в квадрате

К примеру если взять площадь винта 3кв.м. и посчитать мощность на ветре 10 м/с, то получится 0,6*3*10*10*10=1800ватт. Но это мощность ветрового потока, а винт заберет часть мощности, которая в теории может достигать 57%, но на практике для горизонтальных трехлопастных ветрогенераторов этот параметр 35-45%. А для вертикальных типа Савониус 15-25%.

Тогда в среднем для горизонтального трехлопастного винта коэффициент использования энергии ветра поставим 40% и посчитаем, 1800*0,4= 720 ватт. Винт заберет 720 ватт у ветра, но еще есть КПД генератора, который у генераторов на постоянных магнитах примерно 0,8 , а с электровозбуждением 0,6. Тогда 720*0,8=576 ватт.

Но на практике все может быть гораздо хуже, так-как генератор не во всех режимах работы имеет высокий КПД, так-же eсть потери в проводах, на диодном мосту, в контроллере, и в аккумуляторе. Поэтому можно скинуть смело еще 20% мощности и останется примерно 576-20%=640,8 ватт.

У вертикального ветрогенератора это параметр будет еще меньше так-как во-первых КИЭВ всего 20%, а так-же мультипликатор, КПД которого 70-90%. Тогда изначальные из 1800 ватт мощности ветра лопасти отнимут 1800*0,2=360ватт. Минус КПД генератора 0,8 и мультипликатора 0,8 равно 360*0,8*0,8=230,4ватт. И еще минус 20% на потери в проводах, диодном мосту, контроллере и АКБ., и останется 230,4-20%=183,6ватт.

Из реальной жизни практический расчет мощности ветрогенератора.

На фото два реальных самодельных ветрогенератора, первый горизотальный трехлопастной с диаметром винта 1,5м., второй вертикальный шириной 1м высотой 1,8м. Не считая данные сразу напишу что мощность горизонтального на ветру 10м/с около 90 ватт, и вертикального 60ватт. КИЭВ первого так-как лопасти сделаны на глазок наверно 0,3 , а второго вертикального вроде хорошо сделанного 0,2.

Теперь вычислим площадь винта ометаемую ветром, для первого это 1,76м, для второго вертикального 1,8м.

Значит для горизонтального 0,6*1,76*10*10*10=1056*0,3*0,8-20%=202ватт.

Значит для вертикального 0,6*1,8*10*10*10=1080*0,2*0,8-20%=138ватт.

Получились вот такие теоретические данные, но зная реальные становится становится понятно что КИЭВ обоих ветрогенераторов и КПД их генераторов далек от хороших показателей. В таком случае для большинства самодельных генераторов, которые делаются на глазок без расчетов можно смело скидывать еще 50% и получить в итоге реальную ожидаемую мощность от ветроустановки с ветроколесом определенной площади.

Реальная мощность самодельного ветрогенератора.

Вертикальный ветрогенератор мощностью 138ватт.-50%=69ватт,а реальных 60ватт.

Уже продолжительное время интересуясь ветрогенераторами я сделал (может и ошибочный) вывод что большинство самодельных ветроустановок далеки от заводских аналогов. Только лишь с применением точных расчетов можно добиться высокого КПД всей ветроустановки и это удается не многим.

А с большинства самодельных ветрогенераторов можно при расчете мощности смело скидывать половину ожидаемой мощности и сразу делать ветрогенератор в два раза мощнее чем нужен, чтобы компенсировать все недочеты домашней сборки и применяемых материалов.

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 и 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 – 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

• 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.

Общая длина провода одной катушки генератора – 7250 мм.

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.

От штиля до урагана

Прежде чем перейти к разговору о том, как сделать точный расчёт ветрогенератора, познакомимся с простейшей схемой определения силы ветра. Выйдите в чистое поле или на опушку леса в тихий солнечный день сентября. Дымок от вашего костра поднимается вертикально, деревья не шелохнутся. И лишь осиновые листья еле вздрагивают, словно испугались вашего взгляда. Воздух затих, словно отдыхает перед предстоящей большой работой. Полный штиль. Теперь – внимание.

1. Через несколько минут дымок заметно начал отклоняться в сторону, вы ощутили мимолётно-нежное прикосновение воздуха к вашему лицу. Ветром такое явление назвать ещё трудно, но движение явно началось. Знайте – скорость в данный момент составляет от 30 сантиметров до одного метра в секунду. Английский адмирал Бофорт назвал такое движение тихим ветерком.
2. Прошло ещё полчаса и зашелестели листья, закачалась трава, лицо ощутило еле уловимую прохладу воздуха. Скорость его движения составила уже до 3 метров в секунду – это лёгкий ветер по знаменитой шкале Бофорта.
3. Заколыхались тонкие веточки деревьев, затрепетали листочки, всё ниже пригибается степной ковыль, ваш костёр уже заметно раздувается и ярче горит, дым стелется к земле. Скорость уже доходит до 5 метров – слабый ветер начал резвиться у вас на глазах.
4. А вот и верхушки деревьев ожили, зашептались громче ветви, начала подниматься пыль на степной дороге. Скорость доходит до 8 метров. Уже на угнаться за движением воздуха даже босиком. Сдержанно набрал свою силу и пока сохраняет её до определённого времени умеренный ветер.
5. Терпению его приходит конец и начинают сильнее колебаться ветки, закачались стволы деревьев, ветер достигает скорости почти 11 метров в секунду и превращается в свежий.
6. Сдержанно загудел лес, начали посвистывать провода на столбах, закачались толстые ветки и стволы. Ветер успевает преодолеть расстояние 14 метров в секунду и приобретает характеристику сильного.
7. Дружно закачались под напором воздуха все стволы деревьев, лес заглушает голоса, идти против ветра уже затруднительно. Знайте – скорость достигла 17 метров и ветер приобрёл крепкий характер.
8. Раскачались все деревья с такой силой, что начали ломаться небольшие ветки, ходить почти невозможно, хочется приникнуть к земле и ползти в укрытие. Значит скорость достигла 20 метров и ветер уже имеет очень крепкий характер.
9. За короткое время передвижение воздуха набирает силу. На улицах города находиться опасно: летят предметы, сносит старые крыши. В лесу с треском ломаются и летят толстые ветки, волна в море поднимает и опускает корабли на 3-4 метра вниз-вверх, скорость ветра достигла 24 метров в секунду. По определению адмирала Бофорта это уже начался шторм.
10. Деревья не выдерживают натиска, с оглушительным треском ломаются, многие вырываются с корнем, рушатся старые здания, летят крыши как огромные птицы смерти, ветер преодолевает за секунду 28 метров – сильный шторм.
11. Начались массовые разрушения сооружений, колобками катятся автомашины, ветер сметает всё на своём пути, волна на море достигает высоты более пяти метров и корабль бросает, как щепку, в десятиметровую пропасть и снова выносит на поверхность, прижимая матросов к палубе с неимоверной силой. Ветер превышает скорость 30 метров в секунду. Вступил в свои права жестокий шторм.
12. И, наконец, (не дай Бог никому его испытать ни на море, ни на суше), — ураган, когда разрушительный ветер превышает 33 метра в секунду. Всё сметается с лица земли, море свирепеет и треплет корабль, как голодный волк ягнёнка.

Вот мы и познакомились с характеристиками движения воздуха от штиля до урагана, которые названы в честь автора шкалой Бофорта. Это 12-балльная шкала скорости ветров. Теперь мы можем визуально определять скорость ветра и брать его за основу, когда надо сделать расчет мощности ветрогенератора.

При расчете ветряка основным параметром выступает скорость ветра. Для каждого ветрогенератора этот параметр индивидуален. В большинстве установок лопасти приводятся в движение при воздействии на них ветра от 2 м/с. И только при 7-11 м/с (с учетом самой установки) КПД ветряка будет максимальным. Первая скорость – начальная, вторая – номинальная. Оба этих параметра указываются производителем на упаковке каждой модели ветряка.

– это вполне реально. Так, чтобы делать расчет мощности ветрогенератора, сначала придется проанализировать скорость ветра в вашем регионе. Для этого придется потратить не один месяц. Максимально вероятные параметры скорости ветра не вычислить за 1-2 раза. Потребуется сделать десятки замеров. Если времени на такие исследования нет, то можно запросить данные у местной метеостанции.

Чтобы электроэнергия вырабатывалась постоянно, при расчете необходимо учитывать среднюю скорость ветра в конкретном регионе. Ее можно узнать даже из прогноза погоды или изучив карту ветров. Номинальную скорость рекомендуется измерять специальными приборами прямо на участке, где будет располагаться ветряк. Это важно, поскольку дом может находиться на возвышении или, наоборот, в низине, где ветра практически нет.

P = r · V 3 · S/2,

где r – показатель плотности воздуха (1,225 кг/м 3), V – значение, отражающее с какой скоростью движется поток (м/с), S – площадь потока (м 2).

Чтобы рассчитать ветрогенератор, можно для примера взять площадь винта в 3 м 2 , а скорость ветра – 10 м/с. Тогда получится следующее значение: 1,225 · 10 3 · 3/2 = 1837,5 Вт. Что касается винтов, то для небольшого дома их радиус должен быть хотя бы 3-4 м. Тогда диаметр ограничивается значениями в 6-8 м. Такие параметры используются, если ветряк должен обеспечивать электроэнергией весь дом, т. е. его применяют в качестве основного, а не дополнительного источника.

В рассчитанной мощности ветрового потока не были учтены потери. Конечное значение будет еще несколько ниже. Для получения точного результата его умножают на коэффициент, равный:

• 35-45% – для ветрогенераторов с 3 горизонтальными лопастями;
• 15-25% – для ветряков типа Савониус с вертикальными лопастями.

С учетом коэффициента использования энергии ветра мощность ветрогенератора может составить 1837,5 · 40% = 735 Вт (для горизонтальной установки) и 1837,5 · 20% = 367,5 Вт.

На следующем шаге расчета должен быть учтен еще КПД самого генератора, равный:

• 80% – для установок, в основе работы которых лежат магниты;
• 60% – для генератора с электровозбуждением.

Тогда для ветряка с горизонтальными лопастями требуемая мощность составит 735 · 80% = 588 Вт. Еще 20% из этого значения вычитаются на потери в контроллерах, проводах и диодном мосту. Тогда от изначального значения в 1837,5 Вт остается 588 – 20% = 470,4 Вт.

Так, при расчете мощности ветрогенератора для дома и дачи ожидаемое значение можно смело делить пополам. Лучше сразу проектировать установку в 2 раза мощнее, чем требуется по расчетам. Так вы компенсируете все недостатки, включая те или иные свойства используемых материалов и нюансы сборки в домашних условиях. Такой ветрогенератор будет обеспечивать ваше жилище необходимой электроэнергией без перебоев.

В связи с ростом цен на энергоносители, все больше владельцев частных домов обращаются к возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (ВНИЭ), таких как ветровая, солнечная, гидроэнергия и геотермальная. Здесь расскажем, как рядовому гражданину нашей страны рационально и доступно, с финансовой точки зрения, можно воспользоваться энергией ветра.

Перед тем как будет продемонстрирован пример выбора ветроэлектростанции (ВЭС), следует узнать, каким образом поток воздуха трансформируется в электрическую энергию и сколько такой энергии можно будет получить на своем участке. По приведенной формуле можно рассчитать энергию, которая «гуляет» вашим участком:

P = V 3 ρ S

Например, на площадь, равной 3 кв.м дует воздушный поток обычной плотности со скоростью 5 м/с. При таких условиях получим:

P = V 3 ρ S = 5 3 1,25 12,5 = 1953,125

Где,
V - скорость ветра, единица измерения - м/с

S - площадь, на которую дует (пожимает) воздушный поток, единица измерения - м2

Почти 2 кВт, в идеале, если не учитывать ту часть потока, которая пойдет на завихрения, обтекание объекта и т.д. В реальных условиях максимально мы можем получить 30-40% от потенциальной энергии воздушного потока. Это ограничение связано с технологическим и физическим выполнением ветрогенератора. Более точный расчет можно сделать по следующей формуле:

P = ξ π R 2 0,5 V 3 ρ ηред ηген

Где,
ξ - коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум ξmax = 0,4 ÷ 0,5), безмерная величина
R - радиус ротора, единица измерения - м
V - скорость воздушного потока, единица измерения - м / с
ρ - плотность воздуха, единица измерения - кг/м3
ηред - КПД редуктора, единица измерения - проценты
ηген - КПД генератора, единица измерения - проценты

Для следующих данных:
ξ = 0,45
R = 2 м
V = 5 м / с
ρ = 1,25 кг/м3
ηред = 0,9
ηген = 0,85

Рассчитываем:

P = ξ π R 2 0,5 V 3 ρ ηред ηген = 0,45 π 2 2 0,5 5 3 1,25 0,9 0,85

Ветроэнергетика на практике

Рассматриваемые модель имеет номинальную мощность 5кВт и следующие важные для нас технические параметры:

По данным инженерного центра компании WindElectric модель WE3000 имеет следующую характеристику (мощность в зависимости от скорости ветра): При скорости ветра 10 метров в секунду такая установка будет генерировать более 3кВт ч, такого количества энергии полностью хватит для маленького коттеджа, но стоит помнить, что в нашей стране далеко не всегда ветренно.

Пришло время выяснить важнейший вопрос, сколько же это будет стоить и через какое время окупится? Стоимость электроэнергии приближенно можно определить по следующей схеме:

Где,
В - полная стоимость ВЭС, единица измерения - грн, рубли, $ и т.д.
ЕВ - эксплуатационные расходы за год, единица измерения - (грн / год, рубли / год, $ / год)
Р - количество произведенной энергии за год, единица измерения - кВт время
Т - срок службы ветрогенератора в годах (считается Т = 20 лет)

Ориентирование в потребностях

Совершая покупку, мы не всегда точно знаем, что с ней делать и насколько она нам необходима. В случае с ветроэлектростанцией это следует непременно выяснить.Вариант первый: Я хочу частично обеспечить свою квартиру независимым источником энергии (мой дом подключен к внешней сети. В таком случае мощность установки будет зависеть от количества энергии, которую вы хотите получать не из сети, а генерировать самостоятельно.Вариант второй: Я хочу обеспечить свою квартиру независимым источником энергии, поэтому выбираю вариант ВЭС (мой дом не подключен к внешней сети. В этом случае нужно точно знать свои потребности в электроэнергии.В чем отличие этих двух вариантов? В обоих случаях требуется ВЭС, но необходимо знать, в какой мере она будет использоваться, следовательно, какой мощности установка будет нам нужна.Подготовка к выбору ВЭС... правильнее будет написать подготовка к разговору с компанией-специалистом, кто же еще сможет предоставить услуги по установке, настройке и гарантийного обслуживания? Прежде чем сделать вам предложения, компания должна иметь некоторые сведения. Попробуем узнать о них. Это заинтересует и вас. Для двух приведенных выше вариантов подготовка имеет несколько общих пунктов:1. Потребности. Если вы решили купить сок, то сначала оцениваете силу жажды, которую чувствуете. После этого покупаете бутылку сока соответствующего объема. Для установки ВЭС нужно знать свои «аппетиты». Под «аппетитами» в нашем случае следует иметь в виду количество потребляемой электроэнергии за сутки, месяц, время года. Необходимо также установить границу верхней нагрузки (к примеру, в праздничные дни в вашем доме работают одновременно два телевизора, музыкальный центр, компьютер, освещение в нескольких комнатах, микроволновая печь и т.д.), т.е. верхний предел нагрузки - это максимальное энергопотребление вашего жилища. Необходимо также знать продолжительность этой максимальной нагрузки. Установить общее энергопотребление очень просто, однако это потребует от вас изрядной тщательности. Ваша задача - выяснить мощность каждого электроприбора в помещении и время его работы, а после внести сведения в таблицу.2. Размещение. Следующим подготовительным этапом будет ориентировочный (!) выбор места расположения ВЭС. Ориентировочный, поскольку только специалисты смогут определить наилучший вариант для Вашего индивидуального случая. Однако есть несколько пунктов, которые позволяют лучше представить возможное расположение ВЭС. Следует помнить 3 золотых правила:
* Турбулентность. Ветротурбина должна размещаться на 10 метров выше наивысшиего объекта в радиусе 100 метров (включая ЛЭП).
* По возможностью, ВЭС должны размещаться на открытых участках (берегах рек, морей, озер).
* Орография местности. Следует учитывать, что в природных ущельях, каньонах поток воздуха имеет свойство сжиматься и, как следствие, увеличивается его скорость. Подобную ситуацию можно наблюдать на пригорках.3. В случае, если ваш загородный дом не планируется подключать к общей сети, то следует рассмотреть вариант комбинированных систем:
* ВЭС + Солнечные батареи
* ВЭС + ДизельКомбинированные варианты помогут решить проблемы в регионах, где ветер переменчивый или зависит от времени года, а также данный вариант является актуальным для солнечных батарей.

Запасы энергии ветра рассчитаны в сумме 170 трлн кВт ч в год. Ветроэнергетика уже настолько исследована, что каждый дом может себе позволить установить ветряк небольшой мощности для собственных нужд.

Однако энергия ветра имеет ряд недостатков. Среди них можно выделить рассеяность в пространстве, колебания скорости ветра. Ветряки отражают радиоволны, мешают полетам птиц и насекомых.

В настоящее время разработаны ветряки, способные работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается. Помимо этого активно применяются циклонные электростанции мощностью до ста тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный циклон, который тем временем турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей и обычных ветряков.

Ветрогенераторы

Ветрогенераторы являются единственными производителями электроэнергии из энергии ветра. Они представляют собой башню с корпусом на конце и вращающимися лопастями (рис. 3). Внутри корпуса находятся преобразователи энергии от каждой лопасти. Число лопастей может быть самое разное, однако большинство потребителей предпочитают ветрогенераторы с тремя лопастями. Высота штифта может быть самой разной вплоть до 5-7 метров в высоту.

Принцип действия и виды ветрогенераторов

Лопасти ротора ветротурбины получают мощность от ветра, замедляя его. Они оказывают сопротивление ветру, и ветер налегает на них с той же силой. Сила напора используется в самых ранних ветряках. Лопасти с горизонтальной осью не могут двигаться по направлению ветра, таким образом они не могут получить никакой пользы от силы напора. Вместо этого они используют подъемную силу.

Ветрогенераторы различаются по следующим основным признакам:

Количеству лопастей;

Материалам изготовления лопастей;

Расположению оси вращения по отношению к земле;

Шаговому признаку винта.

По числу лопастей они бывают одного-двух-трех и многолопастные. Последние начинают свое вращение при малейшем движении воздуха, но применимы лишь для таких целей, где важен сам факт вращения, а не вырабатываемая электроэнергия. То есть, они незаменимы, скажем, при перекачке воды из глубоких колодцев.

По материалам, из чего сделаны лопасти, различают жёсткие и парусные ветрогенераторы. Парусные намного дешевле жёстких, сделанных из стеклопластика, или из металла..

По расположению оси вращения к поверхности почвы различают горизонтальные ветрогенераторы и вертикальные. Их отличия настолько деликатны, что при разных условиях они меняются местами в своём превосходстве. С вертикальной осью ветряки сразу схватывают малейшие дуновения ветерка, не требуют флюгера, но они менее мощные, чем горизонтальные.

По шаговому признаку винта ветрогенераторы бывают с изменяемым и фиксированным шагом. Изменяемый шаг, бесспорно, даёт возможность увеличить скорость вращения, но конструкция сложна. Она увеличивает вес ветряка, то есть, требует лишних затрат. Куда более прост и надёжен фиксированный шаг.

Расчет ветрогенератора

При расчете лопасти необходимо определить ширину хорды и угол установки лопасти в нескольких сечениях по длине лопасти. В каждом сечении необходимо определить правильную форму лопасти, чтобы получить лучшее усилие (подъемную силу) от каждой порции ветра, с которой это сечение будет иметь дело.

Процесс вычисления наилучшей нагрузки и соответствующего ей наилучшего профиля, известный как метод конечных элементов, рассматривает лопасть как совокупность отдельных элементов.

Рассчитаем мощность ветряного потока по формуле:

где V - скорость ветра, м/с; с - плотность воздуха, кг/м 3 ; S - площадь воздействия воздушного потока, м 2 .

В связи с технологическими особенностями большинства ветрогенераторов расчет мощности производится по более точной формуле:

где о - коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум о max = 0,4 ч 0,5), безмерная величина; R - радиус ротора, м; V - скорость воздушного потока, м/с; с - плотность воздуха, кг/м 3 ; з р - КПД редуктора, %; з г - КПД генератора, %.

Для примера расчета примем следующие значения:

с = 1,25 кг/м 3 ;

В итоге, согласно формуле (3.2), получаем следующее значение:

Очевидно, что для выбора наиболее оптимального диаметра винта ветрогенератора необходимо знать среднюю скорость ветра на месте планируемой установки. Количество электроэнергии произведенной ветрогенератором возрастает в кубическом соотношении с повышением скорости ветра. Например, если скорость ветра увеличится в 2 раза, то кмнетическая энергия выработанная ротором увеличится в 8 раз. Поэтому можно сделать вывод, что скорость ветра является самым важным фактором, влияющим на мощность ветрогенератора.

Для выбора места установки ветрогенератора наиболее подойдет участок с минимальным количеством преград для ветра (большие деревья, постройки) на расстоянии не менее 25-30 м. Высота ветровой электростанции должна быть не менее 3-5 м высоты ближайших построек. На линии ветреного прохода деревьев и построек быть не должно. Для расположения ветрогенератора наиболее подойдут холмы или горные хребты с открытым ландшафтом.