Cómo calcular un aerogenerador: fórmulas + ejemplo práctico de cálculo

La energía alternativa obtenida de las centrales eólicas es de gran interés para la sociedad.Hay mucha evidencia de esto en el nivel de la práctica cotidiana real.

Los propietarios de fincas construyen molinos de viento con sus propias manos y están satisfechos con el resultado, aunque el efecto puede durar poco. La razón es que el generador eólico no se calculó correctamente durante el montaje.

De acuerdo, no me gustaría gastar tiempo y dinero en implementar el proyecto y terminar con una instalación ineficaz. Por lo tanto, es importante comprender cómo calcular un generador eólico y con qué parámetros seleccionar los principales componentes operativos de una turbina eólica.

El artículo está dedicado a resolver estos problemas. La parte teórica del material se complementa con ejemplos ilustrativos y recomendaciones prácticas para el montaje de un aerogenerador.

Cálculo de aerogeneradores

¿Por dónde empezar a calcular un sistema de generación de electricidad a partir de energía eólica? Teniendo en cuenta que estamos hablando de un aerogenerador, parece lógico un análisis preliminar de la rosa de los vientos en una zona concreta.

Parámetros de cálculo como la velocidad del viento y su dirección característica para un territorio determinado son parámetros de diseño importantes. Hasta cierto punto, determinan el nivel de potencia de las turbinas eólicas que realmente se podrá alcanzar.

Es difícil siquiera imaginar generadores eólicos de tal potencia. Pero esos diseños existen y funcionan eficazmente.Sin embargo, los cálculos de tales estructuras muestran una potencia relativamente baja en comparación con las fuentes de energía tradicionales.

Lo que es digno de mención es que este proceso es de largo plazo (al menos 1 mes), lo cual es bastante obvio. Es imposible calcular los parámetros máximos probables de la velocidad del viento y su dirección más frecuente con una o dos mediciones.

Se necesitarán decenas de mediciones. Sin embargo, esta operación es realmente necesaria si se desea construir un sistema productivo eficaz.

Cómo calcular la potencia de un molino de viento

Los aerogeneradores de uso doméstico, especialmente los fabricados a mano, nunca han sorprendido a la gente por su gran potencia. Esto es comprensible. Basta imaginar un enorme mástil de 8 a 10 m de altura, equipado con un generador con una envergadura de palas de hélice de más de 3 m, y no es la instalación más potente. Aproximadamente 2 kW.

Para el mantenimiento de aerogeneradores de esta potencia se utilizan helicópteros y equipos de especialistas de hasta una docena de personas. Para calcular una central eléctrica de este tipo, se necesita un número aún mayor de artistas.

En general, si se basa en una tabla estándar que muestra la relación entre la potencia de un aerogenerador y la envergadura requerida de las palas de la hélice, hay algo de qué sorprenderse. Según la tabla, un molino de viento de 10 W requiere una hélice de dos metros.

Para un diseño de 500 vatios se necesitará una hélice con un diámetro de 14 m y el parámetro de envergadura de las palas depende de su número. Cuantas más palas, menor es la envergadura.

Pero esto es sólo una teoría, condicionada a que la velocidad del viento no supere los 4 m/s.En la práctica, todo es algo diferente y la potencia de las instalaciones domésticas que realmente funcionan durante mucho tiempo nunca ha superado los 500 W.

Por lo tanto, la elección de potencia aquí suele limitarse al rango de 250-500 W con una velocidad media del viento de 6-8 m/s.

Tabla de dependencia de la potencia de un sistema de energía eólica del diámetro del rotor y del número de palas. Esta tabla se puede utilizar para cálculos, pero teniendo en cuenta su elaboración para parámetros de velocidad del viento de hasta 4 m/seg (+)

Desde una posición teórica, la potencia de una central eólica se calcula mediante la fórmula:

N=p*S*V³/2,

Dónde:

• pag – densidad de masas de aire;
• S – área total soplada de las palas de la hélice;
• V — velocidad del flujo de aire;
• norte – potencia del flujo de aire.

Dado que N es un parámetro que afecta radicalmente a la potencia de un aerogenerador, la potencia real de la instalación estará próxima al valor calculado de N.

Cálculo de hélices de aerogeneradores.

A la hora de construir un molino de viento se suelen utilizar dos tipos de hélices:

• con alas — rotación en el plano horizontal;
• Rotor Savonius, rotor Darrieus — rotación en un plano vertical.

Los diseños de tornillos con rotación en cualquier plano se pueden calcular mediante la fórmula:

Z=largo*ancho/60/V

Dónde:

• z – grado de velocidad (baja velocidad) de la hélice;
• l – el tamaño de la longitud del círculo descrito por las palas;
• W. – velocidad (frecuencia) de rotación de la hélice;
• V – velocidad del flujo de aire.

Con base en esta fórmula, puede calcular fácilmente el número de revoluciones W - velocidad de rotación.

Así es el diseño del tornillo llamado “Darieu Rotor”. Esta versión de la hélice se considera eficaz en la fabricación de aerogeneradores de pequeña potencia y tamaño.El cálculo del tornillo tiene algunas características.

Y la relación de trabajo entre las revoluciones y la velocidad del viento se puede encontrar en tablas que están disponibles en Internet. Por ejemplo, para una hélice de dos palas y Z=5, es válida la siguiente relación:

Además, uno de los indicadores importantes de la hélice de un molino de viento es el paso.

Este parámetro se puede determinar mediante la fórmula:

H=2πR* tan α,

Dónde:

• 2π – constante (2*3,14);
• R – radio descrito por la pala;
• bronceado α – ángulo de sección.

Se proporciona información adicional sobre la elección de la forma y el número de palas, así como instrucciones para su fabricación, en Este artículo.

Selección de generadores para aerogeneradores.

Teniendo el valor calculado del número de revoluciones del tornillo (W), obtenido mediante el método descrito anteriormente, ya puede seleccionar (fabricar) el generador adecuado.

Por ejemplo, con un grado de velocidad Z=5, el número de palas es igual a 2 y una velocidad de 330 rpm. Con una velocidad del viento de 8 m/s. La potencia del generador debe ser de aproximadamente 300 W.

Vista transversal de un generador de una central eólica. Ejemplo demostrativo de uno de los posibles diseños de un generador de sistema eólico doméstico, ensamblado de forma independiente.

Teniendo en cuenta estos parámetros, una opción adecuada como generador para una central eólica doméstica puede ser el motor utilizado en los diseños de las bicicletas eléctricas modernas. El nombre tradicional de la pieza es motor de bicicleta (fabricado en China).

Así es un motor de bicicleta eléctrica, a partir del cual se propone fabricar un generador para un molino de viento doméstico. El diseño del motor de bicicleta es ideal para su implementación prácticamente sin cálculos ni modificaciones. Sin embargo, su poder es bajo.

Las características de un motor de bicicleta eléctrica son aproximadamente las siguientes:

Una característica positiva de los motores de bicicleta es que prácticamente no es necesario modificarlos. Fueron diseñados estructuralmente como motores eléctricos de baja velocidad y pueden usarse con éxito en generadores eólicos.

Para hacer un molino de viento puedes usar generador de auto o recoger unidad de lavadora.

Cálculo y selección de controlador de carga.

Se requiere un controlador de carga de batería para cualquier tipo de planta de energía eólica, incluidas las de diseño doméstico.

El cálculo de este dispositivo se reduce a seleccionar el circuito eléctrico del dispositivo, que correspondería a los parámetros de diseño del sistema eólico.

De estos parámetros, los principales son:

• tensión nominal y máxima del generador;
• máxima potencia posible del generador;
• corriente de carga de batería máxima posible;
• voltaje de la batería;
• temperatura ambiente;
• nivel de humedad ambiental.

Según los parámetros presentados, conjunto del controlador de carga hágalo usted mismo o seleccione un dispositivo ya preparado.

Controlador de carga para baterías utilizadas como parte de una planta de energía eólica. Un dispositivo fabricado industrialmente, a la hora de elegirlo basta con estudiar detenidamente las características técnicas para una coordinación precisa con el sistema existente.

Por supuesto, es aconsejable seleccionar (o montar) un dispositivo cuyo circuito proporcione una función de arranque fácil en condiciones de flujos de aire débiles. También es bienvenido un controlador diseñado para funcionar con baterías de diferentes voltajes (12, 24, 48 voltios).

Finalmente, al calcular (seleccionar) el circuito controlador, se recomienda no olvidarse de la presencia de una función como el control del inversor.

Seleccionar una batería para el sistema

En la práctica, se utilizan diferentes tipos de baterías y casi todas son bastante adecuadas para su uso como parte de un sistema de energía eólica. Pero en cualquier caso habrá que hacer una elección concreta. Dependiendo de los parámetros del sistema de molino de viento, la batería se selecciona en función del voltaje, la capacidad y las condiciones de carga.

Los componentes tradicionales de los molinos de viento domésticos son las clásicas baterías de plomo-ácido. Mostraron buenos resultados en un sentido práctico.Además, el coste de este tipo de batería es más razonable en comparación con otros tipos.

Las baterías de plomo-ácido son especialmente sencillas en cuanto a condiciones de carga/descarga, pero es inaceptable incluirlas en un sistema sin controlador.

Si la instalación de la turbina eólica contiene un controlador de carga diseñado profesionalmente con un sistema de automatización completo, parece racional utilizar baterías AGM o de helio.

Paquete de baterías para generador eólico doméstico. No es la mejor opción de uso, dado el caos de cables y requisitos de almacenamiento. En este estado de los acumuladores de energía, no se puede contar con su funcionamiento a largo plazo.

Ambos tipos de acumuladores de energía se caracterizan por una mayor eficiencia y una larga vida útil, pero exigen mucho a las condiciones de carga.

Lo mismo se aplica a las denominadas baterías blindadas de helio. Pero la elección de estas baterías para un molino de viento doméstico está significativamente limitada por el precio. Sin embargo, la vida útil de estas costosas baterías es la más larga en comparación con todos los demás tipos.

Estas baterías también tienen un ciclo de carga/descarga más largo, pero sólo si se utiliza un cargador de alta calidad.

Cálculo de un inversor para un molino de viento doméstico.

Cabe señalar de inmediato: si el diseño de una turbina eólica doméstica contiene una batería de 12 voltios, no tiene sentido instalar un inversor en dicho sistema.

En promedio, el consumo de energía de los hogares es de al menos 4 kW en cargas máximas.De ahí la conclusión: el número de baterías recargables para tal potencia debe ser de al menos 10 unidades y preferiblemente con un voltaje de 24 voltios. Para tal cantidad de baterías, tiene sentido instalar un inversor.

Sin embargo, para proporcionar energía completa a 10 baterías con un voltaje de 24 W cada una y mantener su carga de manera estable, necesitará un molino de viento con una potencia de al menos 2-3 kW. Obviamente, las estructuras domésticas simples no pueden soportar tal poder.

Inversor de baja potencia (600 W), que se puede utilizar para instalaciones domésticas de pequeña potencia. Puede alimentar un televisor o un refrigerador pequeño desde dicho equipo con un voltaje de 220 voltios. Ya no hay suficiente corriente para las lámparas de la lámpara de araña.

Sin embargo, puede calcular la potencia del inversor de la siguiente manera:

1. Resuma el poder de todos los consumidores.
2. Determinar el tiempo de consumo.
3. Determinar la carga máxima.

En un ejemplo específico se verá así.

Deje que haya electrodomésticos como carga: lámparas de iluminación - 3 piezas. 40 W cada uno, receptor de televisión - 120 W, frigorífico compacto 200 W. Sumamos la potencia: 3*40+120+200 y obtenemos 440 W en la salida.

Determinemos la potencia de los consumidores durante un período medio de 4 horas: 440*4=1760 W. Según el valor de potencia obtenido durante el tiempo de consumo, parece lógico seleccionar un inversor entre estos dispositivos con una potencia de salida de 2 kW o más.

A partir de este valor se calcula la característica corriente-tensión del dispositivo requerido: 2000*0,6=1200 V/A.

Un esquema clásico para la reproducción y distribución de energía obtenida de un aerogenerador doméstico. Sin embargo, para dotar de energía a largo plazo a tal número de dispositivos se necesita una instalación suficientemente potente (+)

En realidad, la carga doméstica en una familia de tres personas, que está completamente equipada con electrodomésticos, será mayor que la calculada en el ejemplo. Normalmente, el tiempo de conexión de la carga también supera las 4 horas requeridas. En consecuencia, el inversor del sistema de energía eólica necesitará uno más potente.

El cálculo preliminar de un molino de viento es útil no sólo para su autoensamblaje. También es necesario determinar los parámetros óptimos cuando elegir un generador eólico ya hecho.

Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.

En el vídeo se presenta cómo se analizan los datos de origen y cómo se aplican las fórmulas:

Es necesario utilizar datos calculados en cualquier caso. Ya sea una central industrial o una fabricada para uso doméstico, el cálculo de cada unidad garantiza siempre la máxima eficiencia del dispositivo y, lo más importante, la seguridad operativa.

Los cálculos preliminares determinan la viabilidad de implementar el proyecto y ayudan a determinar qué tan costoso o económico es el proyecto.

¿Tiene experiencia en la resolución de problemas similares? ¿O todavía tienes preguntas sobre el tema? Comparta sus habilidades de cálculo y diseño de turbinas eólicas. Puede dejar comentarios y hacer preguntas en el siguiente formulario.