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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Berechnung einer Windkraftanlage. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Der Hauptbestandteil einer Windkraftanlage ist das Windrad. Dadurch wird die kinetische Energie des Windes in mechanische Energie umgewandelt. Wir möchten Sie daran erinnern, dass Windräder in zwei Gruppen unterteilt werden – mit horizontaler und vertikaler Drehachse. Wir betrachten ein Windrad mit horizontaler Rotationsachse. Es kann eine oder mehrere Schaufeln haben, die in einem bestimmten Winkel zur Rotationsebene angebracht sind. Das Windrad kann schnell oder langsam laufen. Je nach Durchmesser und Anzahl der Flügel ist die Geschwindigkeit des Windrades bei gleicher Windgeschwindigkeit unterschiedlich. Dieser Indikator wird als Geschwindigkeit des Windrads bezeichnet und wird durch das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit der Blattspitze zur Windgeschwindigkeit bestimmt: Z = L * B / 60 / V, wobei: W – Drehzahl des Windrads (U/min); V – Windgeschwindigkeit (m/s); L - Umfang (m). Allerdings kennen wir zunächst nicht die Drehzahl des Windrades, die von seiner Bauart abhängt. Wenn Luft durch die Rotorblätter strömt, bleibt eine „gestörte“ Spur zurück, die die Drehung des Windrades verlangsamt. Und je mehr Rotorblätter, desto geringer die Geschwindigkeit. Um die Geschwindigkeit des Windrades grob zu berechnen, nehmen wir die Geschwindigkeit (Z) als Grundlage. Praktisch etabliert für Windräder mit unterschiedlicher Flügelanzahl:
Mit der folgenden Formel berechnen wir die Geschwindigkeit des Windrads: B=V/L*Z*60. Die Leistungsfähigkeit der gesamten Struktur und der sichere Betrieb der Anlage hängen von der Gestaltung des Windrades ab. Mehrblattkonstruktionen haben eine niedrige Geschwindigkeit und daher sind die Zentrifugal- und Kreiselkräfte deutlich geringer als bei Hochgeschwindigkeitskonstruktionen. Da die Technologien zur Herstellung von Windrädern unter Amateurbedingungen zu wünschen übrig lassen, werden mehrblättrige Windräder mit einer Anzahl von mindestens fünf Blättern empfohlen – solche Konstruktionen sind nicht so kritisch gegenüber Auswuchtfehlern und stellen keine Anforderungen an die Aerodynamik Design des Schaufelprofils und konkave Schaufeln können erfolgreich eingesetzt werden. Blade-Installation Legt man eine Sperrholzplatte schräg zum anströmenden Luftstrom, so liegt die maximale Auftriebskraft bei gleicher Luftgeschwindigkeit bei einem Einbauwinkel von 45°. Wenn der Winkel kleiner oder größer wird, nimmt auch die Auftriebskraft ab und der Strömungswiderstand nimmt entsprechend ab oder zu. Nehmen wir daher als Ausgangspunkt einen Winkel von 45°. Damit ein Windrad die Windenergie jedoch möglichst effizient nutzt und keine Bremszonen aufweist, muss das Rad eine gekrümmte Form haben: Je weiter das Blattelement von der Drehachse entfernt ist, desto kleiner ist der Einbauwinkel erforderlich Schraubenabstand Einer der Indikatoren zur Berechnung des Blattes ist die Steigung des Propellers – die Distanz, über die sich die Luftmasse bei einer Umdrehung bewegt, wenn man sich diese Luftmasse in Form einer Mutter vorstellt, deren Durchmesser 2R beträgt, und Der Winkel des Gewindes ist gleich dem Winkel zwischen der Sehne des aufgenommenen Abschnitts und der Rotationsebene des Propellers. Die Propellersteigung wird durch die Formel bestimmt: H = 2πR*tgα, wobei: H = Tonhöhe des ausgewählten Abschnitts (m); R = Abschnittsradius (m); α = Einbauwinkel des Abschnitts (Grad). Der Einbauwinkel des Querschnitts der Windradblätter wird durch die transformierte Formel bestimmt: α (Einbauwinkel) = Arctg (H/2πR). Beispiel für die Berechnung der Blattverdrehung Blattabstand = 1 Meter, Windraddurchmesser = 3 Meter. Mit diesen Einstellungen sollte das Windrad im Idealfall, ohne Berücksichtigung des Widerstands des Windrads, bei einer Windgeschwindigkeit von 3 m/s 3 Umdrehungen pro Sekunde oder 3 * 60 = 180 U/min machen. Aber das ist ideal. Tatsächlich wird die Rotationsgeschwindigkeit des Windrads durch die Turbulenzen der Strömung des vorherigen Rotorblatts, die von den Rotorblättern selbst erzeugte Reibung und die Reaktion des Generators in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Last beeinflusst. Und in Wirklichkeit wird sich die Geschwindigkeit des Windrads den berechneten Werten annähern, tatsächlich wird sie jedoch deutlich niedriger sein. Windströmungskraft Der nächste Indikator bei der Berechnung eines Windrads ist die Kraft des Windstroms, der durch die Kehrfläche des Windrads strömt. Die Berechnung erfolgt recht genau nach der allgemein anerkannten Methode: P \u0,5d XNUMX * Q * S * V3, wobei P die Leistung (W) ist; Q – Luftdichte (1,23 kg/m3); S - Rotorkehrfläche (m:); V – Windgeschwindigkeit (m/s). Da es unmöglich ist, eine Energieart vollständig in eine andere umzuwandeln, beginnen wir, Verluste abzuziehen. Ein Windrad hat einen bestimmten Nutzungskoeffizienten (Umwandlung) der Windenergie. Der Maximalwert der theoretischen Nutzung der Windenergie für ideale Hochgeschwindigkeits-Flügelrad-Windräder beträgt 0,593. Für die besten Beispiele von Hochgeschwindigkeits-Windrädern mit aerodynamischem Profil liegt dieser Wert zwischen 0,42 und 0,46. Bei mehrflügeligen Windrädern mit niedriger Drehzahl liegt dieser Indikator je nach Verarbeitungsqualität zwischen 0,27 und 0,35 und wird in Berechnungen mit dem Symbol Av bezeichnet. Um die Drehzahl eines langsam laufenden Windrads und eines Generators anzupassen, ist der Einsatz eines Übersetzungsgetriebes erforderlich, dessen Wirkungsgrad je nach Übersetzungsverhältnis und Bauart zwischen 0,7 und 0,9 liegt. Durch die Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie entstehen auch Verluste. Daher spiegeln wir sie im Generatorwirkungsgrad Ng von 0,6 (für Auto- und Traktorgeneratoren mit Erregerwicklung) bis 0,8 (für Generatoren mit Erregung durch Permanentmagnete) wider. P \u0,5d 3 * Q * S * VXNUMX * Cp * Ng * Nb, wobei P die Leistung (W) ist; Q – Luftdichte (1,23 kg/m3); S - Rotorkehrfläche (m2); V – Windgeschwindigkeit (m/s); CP – Windenergienutzungskoeffizient (0,35 ist ein gutes Design); Ng – Generatoreffizienz (Automobil 0,6, Permanentmagnet 0,8); Nb – Wirkungsgrad des Boost-Getriebes (0,7–0,9). Ersetzen wir die Daten durch ein 6-Meter-Windrad mit sechs Flügeln und finden wir heraus, wie viel Leistung von einer Windkraftanlage mit einem Permanentmagnetgenerator und einem Getriebe mit einem Wirkungsgrad von 3 bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 0.9 m/s gewonnen werden kann: P \u0,5d 1,23 * 3,14 * (1,5 * (1,5 * 5)) * (5 * 5 * 0,35) * 0,8 * 0,9 * 136 \uXNUMXd XNUMX Watt. In diesem Fall werden die Umdrehungen des Windrads sein. W = V / L * Z * 60 = 5 / 9,42 * 3 * 60 = 95,5 U / min. Es bleibt die Übersetzung in Abhängigkeit von der Generatordrehzahl zu wählen. Autor: Evgeny Boyko
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