Come calcolare un generatore eolico: formule + esempio pratico di calcolo

L'energia alternativa, ricavata dagli impianti eolici, suscita un elevato interesse nella società. Le conferme a livello di pratica domestica reale sono numerose.

I proprietari di immobili in campagna costruiscono pale eoliche con le proprie mani e si accontentano del risultato ottenuto, anche se l'effetto può essere di breve durata. Il motivo – durante l'assemblaggio non è stato eseguito un calcolo adeguato del generatore eolico.

Concorderà che non vorrebbe spendere tempo e risorse per realizzare un progetto e ottenere un impianto poco efficiente. Pertanto, è importante capire come eseguire il calcolo del generatore eolico e in base a quali parametri selezionare i principali componenti funzionanti della turbina eolica.

Questo articolo è dedicato alla soluzione di tali questioni. La parte teorica del materiale è integrata con esempi illustrativi e raccomandazioni pratiche per l'assemblaggio dell'impianto eolico.

Calcolo dell'impianto eolico

Da dove iniziare a calcolare il sistema di produzione di energia elettrica dal vento? Considerando che si tratta di un generatore eolico, appare logico un'analisi preliminare della rosa dei venti nella località specifica.

Parametri di calcolo come la velocità del vento e la sua direzione caratteristica per il territorio in questione sono importanti parametri di calcolo. Essi determinano, in una certa misura, il livello di potenza della turbina eolica che sarà effettivamente raggiungibile.

È difficile persino immaginare generatori eolici di tale potenza. Tuttavia, tali strutture esistono e funzionano efficacemente. I calcoli di queste costruzioni mostrano però una potenza relativamente ridotta rispetto alle fonti energetiche tradizionali.

È interessante notare che questo processo ha una natura a lungo termine (almeno 1 mese), il che è del tutto ovvio. Calcolare i parametri di massima probabilità della velocità del vento e la sua direzione più frequente non è possibile con una o due misurazioni.

Sarà necessario eseguire decine di misurazioni. Tuttavia, questa operazione è realmente necessaria se si desidera costruire un sistema efficiente e produttivo.

Come calcolare la potenza di una turbina eolica

I generatori eolici per uso domestico, soprattutto quelli fatti in casa, non hanno mai potuto stupire la gente con potenze elevate. E si capisce. Basta immaginare un traliccio massiccio alto 8-10 m, dotato di un generatore con un'apertura alare dell'elica superiore a 3 m. E non è nemmeno l'impianto più potente. Solo circa 2 kW.

Per la manutenzione di aerogeneratori di tale potenza si impiegano elicotteri e squadre di specialisti, fino a una decina di persone. Per effettuare il calcolo di un impianto energetico di questo tipo, viene coinvolto un numero ancora maggiore di addetti.

In generale, basandosi sulla tabella standard che mostra il rapporto tra la potenza del generatore eolico e l'apertura alare richiesta delle pale dell'elica, c'è di che sorprendersi. Secondo la tabella, per un aerogeneratore da 10 W è necessaria un'elica di due metri.

Per una costruzione da 500 watt, sarà invece necessaria un'elica con un diametro di 14 m. In questo caso, il parametro dell'apertura alare dipende dal loro numero. Più pale ci sono, minore sarà l'apertura.

Ma questa è solo una teoria, condizionata da una velocità del vento non superiore a 4 m/s. Nella pratica, le cose stanno diversamente, e la potenza degli impianti a uso domestico effettivamente funzionanti per lungo tempo non ha mai superato i 500 W.

Pertanto la scelta della potenza, in questo caso, è generalmente limitata alla gamma 250-500 W con una velocità media del vento di 6-8 m/s.

Tabella della relazione tra la potenza del sistema eolico e il diametro dell'elica di lavoro e il numero di pale. Questa tabella può essere utilizzata per i calcoli, ma tenendo conto che è stata compilata per un parametro di velocità del vento fino a 4 m/s (+).

Da un punto di vista teorico, la potenza di una centrale eolica si calcola con la formula:

N=p*S*V³/2,

dove:

• p – densità delle masse d'aria;
• S – superficie totale spazzata dalle pale dell'elica;
• V – velocità del flusso d'aria;
• N – potenza del flusso d'aria.

Poiché N è un parametro che influisce in modo determinante sulla potenza del generatore eolico, la potenza effettiva dell'impianto sarà vicina al valore calcolato di N.

Calcolo delle eliche per gli impianti eolici

Nella progettazione di un aerogeneratore si utilizzano generalmente due tipi di eliche:

• ad asse orizzontale – rotazione nel piano orizzontale;
• rotore Savonius, rotore Darrieus – rotazione nel piano verticale.

Le costruzioni di eliche con rotazione in uno qualsiasi dei piani possono essere calcolate con la formula:

Z= L*W/60/V

dove:

• Z – grado di rapidità (lentezza) dell'elica;
• L – lunghezza della circonferenza descritta dalle pale;
• W – velocità (frequenza) di rotazione dell'elica;
• V – velocità del flusso d'aria.

Basandosi su questa formula, si può facilmente calcolare il numero di giri W – la velocità di rotazione.

Ecco come appare la struttura dell'elica chiamata 'Rotore Darrieus'. Questo tipo di elica è considerato efficiente per la realizzazione di generatori eolici di piccola potenza e dimensioni. Il calcolo dell'elica presenta alcune particolarità.

Il rapporto operativo tra giri e velocità del vento si può trovare in tabelle disponibili in rete. Ad esempio, per un'elica a due pale e con Z=5, vale la seguente relazione:

Un altro parametro importante dell'elica del generatore eolico è il passo.

Questo parametro si può determinare utilizzando la formula:

H=2πR* tg α,

dove:

• 2π – costante (2*3,14);
• R – raggio descritto dalla pala;
• tg α – angolo della sezione.

Ulteriori informazioni sulla scelta della forma e del numero di pale, nonché le istruzioni per la loro fabbricazione, sono fornite in questo articolo.

Selezione dei generatori per le turbine eoliche

Avendo il valore calcolato del numero di giri dell'elica (W), ottenuto con il metodo sopra descritto, è possibile selezionare (realizzare) il generatore corrispondente.

Ad esempio, con un coefficiente di velocità Z=5, numero di pale pari a 2 e frequenza di rotazione di 330 giri/min. Con una velocità del vento di 8 m/s, la potenza del generatore dovrebbe essere approssimativamente di 300 W.

Generatore di un impianto eolico 'in sezione'. Esempio rappresentativo di una delle possibili costruzioni di un generatore per un sistema eolico domestico assemblato autonomamente.

Con questi parametri, una scelta adatta come generatore per una centrale eolica domestica potrebbe essere un motore utilizzato nelle moderne biciclette elettriche. Il nome tradizionale del componente è 'motore da bici elettrica' (prodotto in Cina).

Ecco come appare un motore elettrico per bicicletta, sulla base del quale si propone di realizzare un generatore per una turbina eolica domestica. La struttura del motore per bicicletta è ideale per l'implementazione praticamente senza calcoli e modifiche. Tuttavia, la loro potenza è modesta.

Le caratteristiche del motore elettrico per bicicletta sono approssimativamente le seguenti:

Una caratteristica positiva dei motori per bicicletta elettrica è che non richiedono quasi alcuna modifica. Sono stati progettati come motori elettrici a bassa velocità e possono essere utilizzati con successo per generatori eolici.

Per costruire una turbina eolica è possibile utilizzare un alternatore per auto o assemblare un dispositivo proveniente da una lavatrice.

Calcolo e scelta del regolatore di carica

Il regolatore di carica della batteria è necessario per qualsiasi tipo di impianto eolico, compresa la versione domestica.

Il calcolo di questo dispositivo si riduce alla scelta dello schema elettrico del dispositivo che corrisponda ai parametri di progetto del sistema eolico.

Tra questi parametri, i principali sono:

• tensione nominale e massima del generatore;
• potenza massima possibile del generatore;
• corrente di carica massima possibile della batteria;
• tensione sulla batteria;
• temperatura dell'aria ambiente;
• livello di umidità ambientale.

In base ai parametri presentati, si procede all'assemblaggio del controller di carica fai-da-te o alla selezione di un dispositivo già pronto.

Controller di carica delle batterie utilizzate nell'impianto eolico. Un dispositivo di produzione industriale, per la cui scelta è sufficiente studiare attentamente le specifiche tecniche per un preciso abbinamento con il sistema esistente.

Naturalmente, è consigliabile scegliere (o assemblare) un dispositivo il cui schema garantisca una funzione di avvio facile in condizioni di flusso d'aria debole. È gradito anche un controller progettato per il funzionamento con batterie a diversa tensione (12, 24, 48 volt).

Infine, nel calcolo (scelta) dello schema del controller, si consiglia di non dimenticare la presenza di una funzione come il controllo dell'inverter.

Scelta della batteria di accumulatori per il sistema

In pratica, vengono utilizzati diversi tipi di batterie e quasi tutti sono adatti per l'uso in un sistema eolico. Ma la scelta specifica dovrà essere fatta in ogni caso. In base ai parametri del sistema eolico, la scelta della batteria viene effettuata in base a tensione, capacità e condizioni di carica.

I componenti tradizionali per i generatori eolici domestici sono le classiche batterie al piombo-acido. Hanno mostrato buoni risultati in termini pratici. Inoltre, il costo di questo tipo di batterie è più accettabile rispetto ad altri tipi.

Le batterie al piombo-acido sono particolarmente poco esigenti riguardo alle condizioni di carica/scarica, ma è inammissibile inserirle nel sistema senza un controller.

Se l'impianto eolico è dotato di un controller di carica professionale con un sistema di automazione completo, l'uso di batterie di tipo AGM o al gel sembra razionale.

Blocco batterie di un generatore eolico domestico. Non è la migliore opzione di funzionamento, considerando il caos di cavi e i requisiti di stoccaggio. Con questo stato degli accumulatori di energia, non ci si può aspettare un funzionamento a lungo termine.

Entrambi i tipi di accumulatori di energia sono caratterizzati da maggiore efficienza e lunga durata, ma impongono requisiti elevati alle condizioni di carica.

Lo stesso vale per le cosiddette batterie al gel corazzate. Ma la scelta di queste batterie per una turbina eolica domestica è notevolmente limitata dal prezzo. Tuttavia, la durata di queste costose batterie è la più lunga rispetto a tutti gli altri tipi.

Queste batterie si distinguono anche per un ciclo di carica/scarica più ampio, ma a condizione che venga utilizzato un caricabatterie di qualità.

Calcolo dell'inverter per una turbina eolica domestica

Va subito precisato: se la struttura di un impianto eolico domestico comprende una sola batteria da 12 volt, non ha assolutamente senso installare un inverter in tale sistema.

In media, la potenza consumata da un nucleo domestico non è inferiore a 4 kW nei carichi di picco. Da ciò si deduce: il numero di batterie per tale potenza deve essere non inferiore a 10 unità e preferibilmente con una tensione di 24 volt. Con un numero così elevato di batterie, ha senso installare un inverter.

Tuttavia, per fornire completamente energia a 10 batterie con una tensione di 24 volt ciascuna e mantenerne stabile la carica, è necessario un generatore eolico con una potenza non inferiore a 2-3 kW. Ovviamente, per semplici costruzioni domestiche, non è possibile sostenere tale potenza.

Inverter di bassa potenza (600 W), che può essere utilizzato per un piccolo impianto energetico domestico. Da tale apparecchiatura è possibile alimentare un televisore o un piccolo frigorifero con una tensione di 220 volt. Non ci sarà abbastanza corrente per le lampade del lampadario.

Ciononostante, è possibile calcolare la potenza dell'inverter nel modo seguente:

1. Sommare la potenza di tutti i consumatori.
2. Determinare il tempo di consumo.
3. Determinare il carico di picco.

In un esempio concreto apparirà così.

Supponiamo che come carico ci siano elettrodomestici: lampade da illuminazione – 3 pezzi da 40 W, televisore – 120 W, frigorifero compatto 200 W. Sommiamo le potenze: 3*40+120+200 e otteniamo 440 W.

Determiniamo la potenza dei consumatori per un periodo medio di 4 ore: 440*4=1760 W. Sulla base del valore di potenza ottenuto in funzione del tempo di consumo, sembra logico scegliere un inverter tra tali apparecchi con una potenza in uscita da 2 kW.

Basandosi su questo valore, si calcola la caratteristica volt-ampere del dispositivo richiesto: 2000*0,6=1200 V/A.

Schema classico di produzione e distribuzione dell'energia ottenuta da un generatore eolico di tipo domestico. Tuttavia, per fornire energia a lungo termine a un tale numero di apparecchi, è necessario un impianto sufficientemente potente (+)

In realtà, il carico di un nucleo domestico di tre persone, dotato di completa attrezzatura domestica, sarà superiore a quello calcolato nell'esempio. Di solito, anche il parametro del tempo di collegamento del carico supera le 4 ore considerate. Di conseguenza, sarà necessario un inverter più potente per il sistema eolico.

Il calcolo preliminare della turbina eolica è utile non solo per il suo assemblaggio fai-da-te. È necessario determinare i parametri ottimali anche nella scelta di un generatore eolico già pronto.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Come avviene l'analisi dei dati iniziali e come si applicano le formule, è presentato nel video:

È necessario utilizzare i dati di calcolo in ogni caso. Che si tratti di un impianto energetico industriale o di uno realizzato per uso domestico, il calcolo di ogni componente comporta sempre la massima efficienza del dispositivo e, soprattutto, la sicurezza operativa.

I calcoli preliminari determinano la fattibilità della realizzazione del progetto. Aiutano a stabilire quanto costoso o economico possa essere.

Ha esperienza nella risoluzione di problemi simili? O ha ancora domande sull'argomento? Per favore, condivida le Sue competenze di calcolo e progettazione di un generatore eolico. Può lasciare commenti e fare domande nel modulo qui sotto.