So berechnen Sie einen Windgenerator: Formeln + praktisches Berechnungsbeispiel

Alternative Energie aus Windkraftanlagen erfreut sich eines hohen gesellschaftlichen Interesses.Auf der Ebene der realen Alltagspraxis gibt es hierfür zahlreiche Belege.

Besitzer von Landgrundstücken bauen Windmühlen mit eigenen Händen und sind mit dem Ergebnis zufrieden, auch wenn die Wirkung nur von kurzer Dauer sein kann. Der Grund liegt darin, dass der Windgenerator bei der Montage nicht richtig berechnet wurde.

Ich stimme zu, ich möchte nicht Zeit und Geld in die Umsetzung des Projekts investieren und am Ende eine ineffektive Installation erhalten. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie ein Windgenerator berechnet wird und anhand welcher Parameter die Hauptbetriebskomponenten einer Windkraftanlage ausgewählt werden.

Der Artikel widmet sich der Lösung dieser Probleme. Der theoretische Teil des Materials wird durch anschauliche Beispiele und praktische Empfehlungen für den Aufbau eines Windgenerators ergänzt.

Berechnung einer Windkraftanlage

Wo soll mit der Berechnung einer Anlage zur Stromerzeugung aus Windenergie begonnen werden? Wenn man bedenkt, dass es sich um einen Windgenerator handelt, erscheint eine vorläufige Analyse der Windrose in einem bestimmten Gebiet logisch.

Berechnungsparameter wie die Windgeschwindigkeit und ihre charakteristische Richtung für ein bestimmtes Gebiet sind wichtige Entwurfsparameter. Sie bestimmen gewissermaßen die tatsächlich erreichbare Leistung der Windkraftanlagen.

Es ist schwer, sich Windgeneratoren mit einer solchen Leistung überhaupt vorzustellen. Aber solche Designs existieren und funktionieren effektiv.Berechnungen solcher Strukturen zeigen jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Energiequellen eine relativ geringe Leistung

Bemerkenswert ist, dass dieser Prozess langfristiger Natur ist (mindestens 1 Monat), was durchaus offensichtlich ist. Es ist unmöglich, mit ein oder zwei Messungen die maximal wahrscheinlichen Parameter der Windgeschwindigkeit und ihrer häufigsten Richtung zu berechnen.

Es werden Dutzende Messungen erforderlich sein. Dieser Vorgang ist jedoch wirklich notwendig, wenn der Wunsch besteht, ein effektives Produktivsystem aufzubauen.

So berechnen Sie die Leistung einer Windmühle

Windgeneratoren für den Hausgebrauch, insbesondere solche, die von Hand gefertigt wurden, haben die Menschen noch nie mit hoher Leistung überrascht. Das ist verständlich. Man muss sich nur einen massiven Mast mit einer Höhe von 8 bis 10 m vorstellen, der mit einem Generator mit einer Propellerblattspannweite von mehr als 3 m ausgestattet ist. Und dies ist nicht die leistungsstärkste Anlage. Knapp 2 kW.

Für die Wartung von Windkraftanlagen dieser Leistung werden Hubschrauber und Spezialistenteams von bis zu einem Dutzend Personen eingesetzt. Um ein solches Kraftwerk zu berechnen, sind noch mehr Leistungsträger beteiligt

Wenn Sie sich im Allgemeinen auf eine Standardtabelle verlassen, die den Zusammenhang zwischen der Leistung eines Windgenerators und der erforderlichen Spannweite der Propellerblätter zeigt, gibt es etwas zu überraschen. Laut Tabelle benötigt eine 10-W-Windmühle einen zwei Meter langen Propeller.

Eine 500-Watt-Konstruktion erfordert einen Propeller mit einem Durchmesser von 14 m. Darüber hinaus hängt der Parameter der Blattspannweite von ihrer Anzahl ab. Je mehr Flügel vorhanden sind, desto kleiner ist die Spannweite.

Dies ist jedoch nur eine Theorie, vorausgesetzt, dass die Windgeschwindigkeit 4 m/s nicht überschreitet.In der Praxis ist alles etwas anders und die Leistung von Haushaltsinstallationen, die tatsächlich über einen längeren Zeitraum in Betrieb sind, hat 500 W nie überschritten.

Daher ist die Auswahl der Leistung hier meist auf den Bereich von 250–500 W bei einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 6–8 m/s beschränkt.

Tabelle zur Abhängigkeit der Leistung einer Windenergieanlage vom Durchmesser des Rotors und der Anzahl der Rotorblätter. Diese Tabelle kann für Berechnungen verwendet werden, jedoch unter Berücksichtigung ihrer Zusammenstellung für Windgeschwindigkeitsparameter bis 4 m/s (+)

Theoretisch berechnet sich die Leistung einer Windkraftanlage nach der Formel:

N=p*S*V³/2,

Wo:

• P – Dichte der Luftmassen;
• S – Gesamtanblasfläche der Propellerblätter;
• V — Luftströmungsgeschwindigkeit;
• N – Luftstromleistung.

Da N ein Parameter ist, der die Leistung eines Windgenerators radikal beeinflusst, wird die tatsächliche Leistung der Anlage nahe am berechneten Wert von N liegen.

Berechnung von Windturbinenpropellern

Beim Bau einer Windmühle werden üblicherweise zwei Arten von Propellern verwendet:

• geflügelt — Drehung in der horizontalen Ebene;
• Savonius-Rotor, Darrieus-Rotor — Drehung in einer vertikalen Ebene.

Schraubenkonstruktionen mit Drehung in einer beliebigen Ebene können mit der Formel berechnet werden:

Z=L*B/60/V

Wo:

• Z – Geschwindigkeitsgrad (niedrige Geschwindigkeit) des Propellers;
• L – die Größe der Länge des von den Klingen beschriebenen Kreises;
• W – Geschwindigkeit (Frequenz) der Drehung des Propellers;
• V – Luftströmungsgeschwindigkeit.

Anhand dieser Formel können Sie ganz einfach die Anzahl der Umdrehungen W – Rotationsgeschwindigkeit – berechnen.

So sieht das Design der Schraube namens „Darieu Rotor“ aus. Diese Version des Propellers gilt als wirksam bei der Herstellung von Windgeneratoren kleiner Leistung und Größe.Die Berechnung der Schraube weist einige Besonderheiten auf

Und den Zusammenhang zwischen Drehzahl und Windgeschwindigkeit finden Sie in Tabellen, die im Internet verfügbar sind. Für einen Propeller mit zwei Blättern und Z=5 gilt beispielsweise die folgende Beziehung:

Einer der wichtigen Indikatoren eines Windkraftpropellers ist auch die Steigung.

Dieser Parameter kann mit der Formel ermittelt werden:

H=2πR* tan α,

Wo:

• 2π – konstant (2*3,14);
• R – vom Sägeblatt beschriebener Radius;
• tan α – Abschnittswinkel.

Weitere Informationen zur Auswahl der Form und Anzahl der Klingen sowie Anweisungen zu deren Herstellung finden Sie in Dieser Artikel.

Auswahl von Generatoren für Windkraftanlagen

Mit dem berechneten Wert der Schraubenumdrehungszahl (W), der mit der oben beschriebenen Methode ermittelt wurde, können Sie bereits den passenden Generator auswählen (herstellen).

Beispielsweise beträgt die Drehzahl Z=5, die Anzahl der Schaufeln 2 und die Drehzahl 330 U/min. Bei einer Windgeschwindigkeit von 8 m/s. Die Generatorleistung sollte ca. 300 W betragen.

Querschnittsansicht eines Windkraftanlagengenerators. Anschauliches Beispiel für eine der möglichen Ausführungen eines selbst zusammengebauten Heimwindkraftanlagengenerators

Angesichts dieser Parameter könnte der Motor, der in der Konstruktion moderner Elektrofahrräder verwendet wird, eine geeignete Wahl als Generator für eine heimische Windkraftanlage sein. Der traditionelle Name des Teils ist Fahrradmotor (hergestellt in China).

So sieht ein elektrischer Fahrradmotor aus, auf dessen Grundlage vorgeschlagen wird, einen Generator für eine Heimwindmühle herzustellen. Das Design des Fahrradmotors lässt sich praktisch ohne Berechnungen oder Modifikationen umsetzen. Allerdings ist ihre Leistung gering

Die Eigenschaften eines elektrischen Fahrradmotors sind ungefähr wie folgt:

Ein positives Merkmal von Fahrradmotoren ist, dass sie praktisch nicht verändert werden müssen. Sie wurden konstruktiv als langsamlaufende Elektromotoren konzipiert und können erfolgreich für Windgeneratoren eingesetzt werden.

Sie können eine Windmühle bauen Verwenden Sie einen Autogenerator oder sammeln Waschmaschineneinheit.

Berechnung und Auswahl des Ladereglers

Ein Batterieladeregler ist für jede Art von Windkraftanlage erforderlich, auch für den Hausbau.

Bei der Berechnung dieses Geräts geht es darum, den Stromkreis des Geräts auszuwählen, der den Auslegungsparametern des Windsystems entspricht.

Die wichtigsten dieser Parameter sind:

• Nenn- und Maximalspannung des Generators;
• maximal mögliche Generatorleistung;
• maximal möglicher Batterieladestrom;
• Batteriespannung;
• Umgebungstemperatur;
• Umgebungsfeuchtigkeit.

Basierend auf den vorgestellten Parametern, Ladereglerbaugruppe Machen Sie es selbst oder wählen Sie ein fertiges Gerät.

Laderegler für Batterien, die in einer Windkraftanlage eingesetzt werden. Ein industriell gefertigtes Gerät, bei dessen Auswahl Sie lediglich die technischen Eigenschaften sorgfältig studieren müssen, um eine genaue Abstimmung mit dem bestehenden System zu gewährleisten

Natürlich ist es ratsam, ein Gerät auszuwählen (oder zusammenzubauen), dessen Schaltung bei schwachen Luftströmen eine einfache Startfunktion bietet. Willkommen ist auch ein Controller, der für den Betrieb mit Batterien unterschiedlicher Spannung (12, 24, 48 Volt) ausgelegt ist.

Schließlich wird empfohlen, bei der Berechnung (Auswahl) der Steuerschaltung das Vorhandensein einer Funktion wie der Wechselrichtersteuerung nicht zu vergessen.

Auswahl einer Batterie für das System

In der Praxis kommen unterschiedliche Batterietypen zum Einsatz und fast alle eignen sich gut für den Einsatz als Teil einer Windenergieanlage. Aber in jedem Fall muss eine konkrete Wahl getroffen werden. Abhängig von den Parametern des Windkraftsystems wird die Batterie anhand von Spannung, Kapazität und Ladebedingungen ausgewählt.

Traditionelle Komponenten für Heimwindmühlen sind klassische Blei-Säure-Batterien. Sie zeigten in praktischer Hinsicht gute Ergebnisse.Darüber hinaus sind die Kosten für diesen Batterietyp im Vergleich zu anderen Batterietypen günstiger.

Blei-Säure-Batterien sind hinsichtlich der Lade-/Entladebedingungen besonders unprätentiös, es ist jedoch nicht akzeptabel, sie in ein System ohne Controller einzubinden.

Wenn die Windkraftanlage über einen professionell konzipierten Laderegler mit einem vollwertigen Automatisierungssystem verfügt, erscheint es sinnvoll, AGM- oder Heliumbatterien zu verwenden.

Batteriesatz für einen Heimwindgenerator. Angesichts des Chaos an Kabeln und Speicheranforderungen nicht die beste Option. In diesem Zustand der Energiespeicher kann man sich nicht auf deren Langzeitbetrieb verlassen.

Beide Arten von Energiespeichern zeichnen sich durch eine höhere Effizienz und eine lange Lebensdauer aus, stellen jedoch hohe Anforderungen an die Ladebedingungen.

Gleiches gilt für die sogenannten gepanzerten Heliumbatterien. Die Auswahl dieser Batterien für eine Haushaltswindmühle wird jedoch durch den Preis erheblich eingeschränkt. Allerdings ist die Lebensdauer dieser teuren Batterien im Vergleich zu allen anderen Typen am längsten.

Auch diese Akkus haben einen längeren Lade-/Entladezyklus, allerdings nur, wenn ein hochwertiges Ladegerät verwendet wird.

Berechnung eines Wechselrichters für eine Heimwindmühle

Es sollte gleich angemerkt werden: Wenn die Konstruktion einer Heimwindkraftanlage eine 12-Volt-Batterie enthält, macht es keinen Sinn, in einem solchen System einen Wechselrichter zu installieren.

Im Durchschnitt liegt der Stromverbrauch im Haushalt bei Spitzenlast bei mindestens 4 kW.Daher die Schlussfolgerung: Die Anzahl der Akkus für eine solche Leistung sollte mindestens 10 Stück betragen und vorzugsweise eine Spannung von 24 Volt haben. Bei einer solchen Anzahl an Batterien ist es sinnvoll, einen Wechselrichter zu installieren.

Um jedoch 10 Batterien mit einer Spannung von jeweils 24 W vollständig mit Energie zu versorgen und ihre Ladung stabil zu halten, ist eine Windmühle mit einer Leistung von mindestens 2-3 kW erforderlich. Offensichtlich können einfache Haushaltsstrukturen mit dieser Macht nicht umgehen.

Wechselrichter mit geringer Leistung (600 W), der für kleine Heiminstallationen verwendet werden kann. Mit solchen Geräten können Sie einen Fernseher oder einen kleinen Kühlschrank mit einer Spannung von 220 Volt versorgen. Der Strom für die Lampen im Kronleuchter reicht nicht mehr aus

Sie können die Wechselrichterleistung jedoch wie folgt berechnen:

1. Fassen Sie die Leistung aller Verbraucher zusammen.
2. Bestimmen Sie den Zeitpunkt des Verzehrs.
3. Spitzenlast ermitteln.

In einem konkreten Beispiel wird es so aussehen.

Als Last sollen elektrische Haushaltsgeräte vorhanden sein: Beleuchtungslampen - 3 Stk. Jeweils 40 W, Fernsehempfänger - 120 W, Kompaktkühlschrank 200 W. Wir summieren die Leistung: 3*40+120+200 und erhalten am Ausgang 440 W.

Bestimmen wir die Leistung der Verbraucher für einen durchschnittlichen Zeitraum von 4 Stunden: 440*4=1760 W. Basierend auf dem erhaltenen Leistungswert über die Verbrauchszeit erscheint es logisch, einen Wechselrichter aus solchen Geräten mit einer Ausgangsleistung von 2 kW oder mehr auszuwählen.

Basierend auf diesem Wert wird die Strom-Spannungs-Kennlinie des benötigten Geräts berechnet: 2000*0,6=1200 V/A.

Ein klassisches Schema zur Reproduktion und Verteilung der von einem Haushaltswindgenerator gewonnenen Energie. Um eine solche Anzahl an Geräten langfristig mit Energie zu versorgen, ist jedoch eine ausreichend leistungsstarke Installation erforderlich (+)

In der Realität wird die Haushaltsbelastung einer dreiköpfigen Familie, die vollständig mit Haushaltsgeräten ausgestattet ist, höher sein als im Beispiel berechnet. Typischerweise überschreitet auch die Lastzuschaltzeit die geforderten 4 Stunden. Dementsprechend benötigt der Wechselrichter der Windkraftanlage einen leistungsstärkeren Wechselrichter.

Die Vorberechnung einer Windmühle ist nicht nur für deren Selbstmontage sinnvoll. Es ist auch notwendig, die optimalen Parameter zu bestimmen Auswahl eines fertigen Windgenerators.

Schlussfolgerungen und nützliches Video zum Thema

Wie die Quelldaten analysiert und die Formeln angewendet werden, wird im Video dargestellt:

Es ist in jedem Fall erforderlich, berechnete Daten zu verwenden. Ganz gleich, ob es sich um ein Industriekraftwerk oder um ein für den Hausgebrauch hergestelltes Kraftwerk handelt, die Berechnung jeder einzelnen Einheit sorgt stets für maximale Effizienz des Geräts und vor allem für die Betriebssicherheit.

Vorläufige Berechnungen ermitteln die Machbarkeit der Projektumsetzung und helfen dabei, festzustellen, wie kostspielig oder wirtschaftlich das Projekt ist.

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