Cách tính toán máy phát điện gió: công thức + ví dụ tính toán thực tế

Năng lượng thay thế thu được từ các nhà máy điện gió đang được xã hội quan tâm nhiều.Có rất nhiều bằng chứng về điều này ở mức độ thực hành thực tế hàng ngày.

Các chủ sở hữu bất động sản ở nông thôn tự tay xây dựng cối xay gió và hài lòng với kết quả đạt được, mặc dù hiệu quả có thể chỉ tồn tại trong thời gian ngắn. Nguyên nhân là do máy phát điện gió chưa được tính toán hợp lý trong quá trình lắp ráp.

Đồng ý, tôi không muốn tốn thời gian và tiền bạc để thực hiện dự án và kết thúc bằng việc cài đặt không hiệu quả. Vì vậy, điều quan trọng là phải hiểu cách tính toán một máy phát điện gió và dựa vào những thông số nào để chọn các bộ phận vận hành chính của tuabin gió.

Bài viết được dành để giải quyết những vấn đề này. Phần lý thuyết của tài liệu được bổ sung các ví dụ minh họa và khuyến nghị thực tế để lắp ráp máy phát điện gió.

Tính toán tuabin gió

Bắt đầu tính toán hệ thống phát điện từ năng lượng gió từ đâu? Xét rằng chúng ta đang nói về một máy phát điện gió, việc phân tích sơ bộ về gió tăng ở một khu vực cụ thể có vẻ hợp lý.

Các thông số tính toán như tốc độ gió và hướng đặc trưng của nó cho một vùng lãnh thổ nhất định là các thông số thiết kế quan trọng. Ở một mức độ nào đó, họ xác định mức công suất tuabin gió thực sự có thể đạt được.

Thật khó để tưởng tượng những máy phát điện gió có sức mạnh như vậy. Nhưng những thiết kế như vậy vẫn tồn tại và hoạt động hiệu quả.Tuy nhiên, tính toán các cấu trúc như vậy cho thấy công suất tiêu thụ tương đối thấp so với các nguồn năng lượng truyền thống.

Điều đáng chú ý là quá trình này có tính chất lâu dài (ít nhất 1 tháng), điều này khá rõ ràng. Không thể tính toán các thông số có thể xảy ra lớn nhất của tốc độ gió và hướng thường xuyên nhất của nó bằng một hoặc hai phép đo.

Hàng chục phép đo sẽ được yêu cầu. Tuy nhiên, hoạt động này thực sự cần thiết nếu có mong muốn xây dựng một hệ thống sản xuất hiệu quả.

Cách tính công suất của cối xay gió

Máy phát điện gió dùng trong gia đình, đặc biệt là những máy được làm thủ công, chưa bao giờ khiến người ta ngạc nhiên về công suất cao. Điều này có thể hiểu được. Người ta chỉ cần tưởng tượng một cột buồm khổng lồ cao 8-10 m được trang bị một máy phát điện có sải cánh cánh quạt dài hơn 3 m, và đây không phải là hệ thống lắp đặt mạnh mẽ nhất. Chỉ khoảng 2 kW.

Để phục vụ các tuabin gió có công suất này, máy bay trực thăng và đội chuyên gia lên tới hàng chục người được sử dụng. Để tính toán một nhà máy điện như vậy, cần có sự tham gia của số lượng người biểu diễn lớn hơn

Nói chung, nếu bạn dựa vào một bảng tiêu chuẩn thể hiện mối quan hệ giữa công suất của máy phát điện gió và khoảng cách yêu cầu của các cánh quạt thì có điều gì đó đáng ngạc nhiên. Theo bảng trên, cối xay gió 10 W cần có cánh quạt dài 2 mét.

Thiết kế 500 watt sẽ yêu cầu cánh quạt có đường kính 14 m, hơn nữa, thông số nhịp cánh phụ thuộc vào số lượng của chúng. Càng nhiều lưỡi thì nhịp càng nhỏ.

Nhưng đây chỉ là lý thuyết, với điều kiện tốc độ gió không vượt quá 4 m/giây.Trong thực tế, mọi thứ có phần khác nhau và công suất lắp đặt trong gia đình thực sự hoạt động trong thời gian dài chưa bao giờ vượt quá 500 W.

Vì vậy, việc lựa chọn công suất ở đây thường giới hạn ở mức 250-500 W với tốc độ gió trung bình 6-8 m/giây.

Bảng về sự phụ thuộc công suất của hệ thống năng lượng gió vào đường kính rôto và số lượng cánh quạt. Bảng này có thể được sử dụng để tính toán, nhưng có tính đến việc tổng hợp các thông số tốc độ gió lên tới 4 m/giây (+)

Từ vị trí lý thuyết, công suất của nhà máy điện gió được tính theo công thức:

N=p*S*V³/2,

Ở đâu:

• P - mật độ khối không khí;
• S - tổng diện tích thổi của các cánh chân vịt;
• V. - tốc độ dòng không khí;
• N - công suất luồng không khí.

Vì N là thông số ảnh hưởng đáng kể đến công suất của máy phát điện gió nên công suất thực tế của hệ thống sẽ gần với giá trị tính toán của N.

Tính toán cánh quạt tuabin gió

Khi chế tạo cối xay gió người ta thường sử dụng 2 loại cánh quạt:

• có cánh - quay trong mặt phẳng ngang;
• Rôto Savonius, rôto Darrieus - quay trong mặt phẳng thẳng đứng.

Thiết kế trục vít quay trong bất kỳ mặt phẳng nào có thể được tính bằng công thức:

Z=L*W/60/V

Ở đâu:

• Z - tốc độ (tốc độ thấp) của chân vịt;
• L - kích thước chiều dài của vòng tròn được mô tả bởi các lưỡi dao;
• W - tốc độ (tần số) quay của chân vịt;
• V. - tốc độ dòng khí.

Dựa vào công thức này, bạn có thể dễ dàng tính được số vòng quay W - tốc độ quay.

Đây là thiết kế của chiếc vít có tên là “Darieu Rotor”. Phiên bản cánh quạt này được coi là hiệu quả trong việc sản xuất máy phát điện gió có công suất và kích thước nhỏ.Việc tính toán vít có một số tính năng

Và mối quan hệ giữa số vòng quay và tốc độ gió có thể được tìm thấy trong các bảng có sẵn trên Internet. Ví dụ, đối với một cánh quạt có hai cánh và Z=5, mối quan hệ sau đây đúng:

Ngoài ra, một trong những chỉ số quan trọng của cánh quạt cối xay gió là độ cao.

Tham số này có thể được xác định bằng công thức:

H=2πR* tan α,

Ở đâu:

• 2π – hằng số (2*3,14);
• R - bán kính được mô tả bởi lưỡi dao;
• tân α - góc cắt.

Thông tin bổ sung về việc chọn hình dạng và số lượng lưỡi dao, cũng như hướng dẫn chế tạo chúng, được cung cấp trong bài viết này.

Lựa chọn máy phát điện cho tuabin gió

Có giá trị tính toán của số vòng quay trục vít (W), thu được bằng phương pháp được mô tả ở trên, bạn đã có thể chọn (sản xuất) máy phát thích hợp.

Ví dụ: với tốc độ Z=5, số lượng cánh quạt bằng 2 và tốc độ 330 vòng/phút. Với tốc độ gió 8 m/s. Công suất máy phát điện phải xấp xỉ 300 W.

Mặt cắt ngang của một máy phát điện nhà máy điện gió. Ví dụ minh họa về một trong những thiết kế khả thi của máy phát điện hệ thống điện gió gia đình, được lắp ráp độc lập

Với các thông số này, lựa chọn phù hợp làm máy phát điện cho nhà máy điện gió trong nước có thể là động cơ được sử dụng trong thiết kế xe đạp điện hiện đại. Tên truyền thống của bộ phận này là động cơ xe đạp (sản xuất tại Trung Quốc).

Đây là hình dáng của một động cơ xe đạp điện, trên cơ sở đó người ta đề xuất chế tạo một máy phát điện cho cối xay gió gia đình. Thiết kế của động cơ xe đạp là lý tưởng để thực hiện mà hầu như không cần tính toán hoặc sửa đổi. Tuy nhiên, sức mạnh của họ thấp

Các đặc tính của động cơ xe đạp điện xấp xỉ như sau:

Một đặc điểm tích cực của động cơ xe đạp là thực tế chúng không cần phải thay đổi. Chúng được thiết kế có cấu trúc như động cơ điện tốc độ thấp và có thể được sử dụng thành công cho máy phát điện gió.

Để làm một cối xay gió, bạn có thể sử dụng máy phát điện ô tô hoặc thu thập đơn vị máy giặt.

Tính toán và lựa chọn bộ điều khiển sạc

Bất kỳ loại nhà máy điện gió nào cũng cần có bộ điều khiển sạc pin, kể cả thiết kế trong nước.

Việc tính toán thiết bị này bao gồm việc lựa chọn mạch điện của thiết bị phù hợp với các thông số thiết kế của hệ thống gió.

Trong số các tham số này, những tham số chính là:

• điện áp định mức và điện áp tối đa của máy phát điện;
• công suất máy phát tối đa có thể;
• dòng sạc pin tối đa có thể;
• điện áp pin;
• nhiệt độ môi trường xung quanh;
• mức độ ẩm môi trường xung quanh.

Dựa vào các thông số đã trình bày, cụm điều khiển sạc tự làm hoặc chọn một thiết bị làm sẵn.

Bộ điều khiển sạc cho pin được sử dụng như một phần của nhà máy điện gió. Là thiết bị được sản xuất công nghiệp, khi lựa chọn bạn chỉ cần nghiên cứu kỹ các đặc tính kỹ thuật để phối hợp chính xác với hệ thống hiện có

Tất nhiên, nên chọn (hoặc lắp ráp) một thiết bị có mạch cung cấp chức năng khởi động dễ dàng trong điều kiện luồng không khí yếu. Một bộ điều khiển được thiết kế để hoạt động với pin có điện áp khác nhau (12, 24, 48 volt) cũng được hoan nghênh.

Cuối cùng, khi tính toán (chọn) mạch điều khiển, không nên quên sự hiện diện của chức năng như điều khiển biến tần.

Lựa chọn pin cho hệ thống

Trong thực tế, nhiều loại pin khác nhau được sử dụng và hầu hết tất cả đều khá phù hợp để sử dụng như một phần của hệ thống năng lượng gió. Nhưng một sự lựa chọn cụ thể sẽ phải được thực hiện trong mọi trường hợp. Tùy thuộc vào thông số của hệ thống cối xay gió mà ắc quy được lựa chọn dựa trên điện áp, công suất và điều kiện sạc.

Các bộ phận truyền thống của cối xay gió gia đình là pin axit chì cổ điển. Họ đã cho thấy kết quả tốt về mặt thực tế.Ngoài ra, giá thành của loại ắc quy này cũng hợp lý hơn so với các loại ắc quy khác.

Pin axit-chì đặc biệt không có điều kiện sạc/xả, nhưng việc đưa chúng vào hệ thống không có bộ điều khiển là không thể chấp nhận được.

Nếu việc lắp đặt tuabin gió có bộ điều khiển sạc được thiết kế chuyên nghiệp với hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh thì việc sử dụng pin AGM hoặc helium có vẻ hợp lý.

Bộ pin máy phát điện gió gia đình. Không phải là lựa chọn tốt nhất để sử dụng do sự hỗn loạn của dây dẫn và yêu cầu bảo quản. Ở trạng thái của các thiết bị lưu trữ năng lượng này, người ta không thể tin tưởng vào khả năng hoạt động lâu dài của chúng.

Cả hai loại thiết bị lưu trữ năng lượng đều có đặc điểm là hiệu suất cao hơn và tuổi thọ dài hơn, nhưng chúng đặt ra yêu cầu cao về điều kiện sạc.

Điều tương tự cũng áp dụng cho cái gọi là pin loại helium bọc thép. Nhưng việc lựa chọn những loại pin này cho cối xay gió gia đình bị hạn chế đáng kể bởi giá cả. Tuy nhiên, tuổi thọ của loại pin đắt tiền này là dài nhất so với tất cả các loại pin khác.

Những loại pin này cũng có chu kỳ sạc/xả dài hơn nhưng chỉ khi sử dụng bộ sạc chất lượng cao.

Tính toán biến tần cho cối xay gió gia đình

Cần lưu ý ngay: nếu thiết kế của một tuabin gió gia đình có một pin 12 volt thì việc lắp đặt một bộ biến tần trên hệ thống như vậy chẳng ích gì.

Trung bình, mức tiêu thụ điện năng của hộ gia đình ít nhất là 4 kW khi tải cao điểm.Do đó, kết luận: số lượng pin sạc cho nguồn điện như vậy phải ít nhất là 10 chiếc và tốt nhất là có điện áp 24 volt. Đối với số lượng pin như vậy, việc lắp đặt một bộ biến tần là điều hợp lý.

Tuy nhiên, để cung cấp đầy đủ năng lượng cho 10 pin có điện áp 24 W mỗi pin và duy trì điện tích ổn định, cần có một cối xay gió có công suất ít nhất 2-3 kW. Rõ ràng, các cấu trúc hộ gia đình đơn giản không thể chịu được sức mạnh như vậy.

Biến tần công suất thấp (600 W), có thể được sử dụng để lắp đặt nguồn điện nhỏ tại nhà. Bạn có thể cấp nguồn cho TV hoặc tủ lạnh nhỏ từ những thiết bị như vậy với điện áp 220 volt. Không còn đủ dòng điện cho đèn trong đèn chùm

Tuy nhiên, bạn có thể tính toán công suất biến tần như sau:

1. Tổng hợp sức mạnh của tất cả người tiêu dùng.
2. Xác định thời điểm tiêu thụ.
3. Xác định tải trọng đỉnh

Trong một ví dụ cụ thể nó sẽ trông như thế này.

Hãy để các thiết bị điện gia dụng làm phụ tải: đèn chiếu sáng - 3 chiếc. Mỗi chiếc 40 W, đầu thu tivi - 120 W, tủ lạnh nhỏ gọn 200 W. Chúng tôi tổng hợp công suất: 3*40+120+200 và chúng tôi nhận được 440 W ở đầu ra.

Hãy xác định công suất của người tiêu dùng trong khoảng thời gian trung bình là 4 giờ: 440*4=1760 W. Dựa trên giá trị công suất thu được theo thời gian tiêu thụ, có vẻ hợp lý khi chọn một bộ biến tần trong số các thiết bị như vậy có công suất đầu ra từ 2 kW trở lên.

Dựa trên giá trị này, đặc tính dòng điện-điện áp của thiết bị được yêu cầu được tính toán: 2000*0,6=1200 V/A.

Một sơ đồ cổ điển để tái tạo và phân phối năng lượng thu được từ máy phát điện gió gia đình. Tuy nhiên, để cung cấp năng lượng lâu dài cho số lượng thiết bị như vậy cần có một hệ thống lắp đặt đủ mạnh (+)

Trên thực tế, tải trọng của một gia đình ba người được trang bị đầy đủ các thiết bị gia dụng sẽ cao hơn so với tính toán trong ví dụ. Thông thường, thời gian tải kết nối cũng vượt quá yêu cầu 4 giờ. Theo đó, bộ biến tần của hệ thống điện gió sẽ cần một bộ biến tần mạnh hơn.

Tính toán sơ bộ của cối xay gió không chỉ hữu ích cho việc tự lắp ráp. Cũng cần phải xác định các thông số tối ưu khi chọn máy phát điện gió làm sẵn.

Kết luận và video hữu ích về chủ đề này

Cách phân tích dữ liệu nguồn và cách áp dụng các công thức được trình bày trong video:

Cần phải sử dụng dữ liệu được tính toán trong mọi trường hợp. Dù là nhà máy điện công nghiệp hay sản xuất để sử dụng trong gia đình thì việc tính toán từng tổ máy luôn đảm bảo hiệu suất tối đa của thiết bị và quan trọng nhất là an toàn vận hành.

Các tính toán sơ bộ xác định tính khả thi của việc thực hiện dự án và giúp xác định mức độ tốn kém hoặc kinh tế của dự án.

Bạn có kinh nghiệm giải quyết các vấn đề tương tự không? Hoặc vẫn còn thắc mắc về chủ đề này? Hãy chia sẻ kỹ năng tính toán và thiết kế tuabin gió của bạn. Bạn có thể để lại ý kiến ​​và đặt câu hỏi theo mẫu bên dưới.