РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО ВЕТРОГЕНЕРАТОРА

Аннотация: Разработан лабораторный стенд для изучения работы ветрогенератора. Произведён аэродинамический расчёт ветроколеса. Сформулирована формула для вычисление напряжения генератора на определенных оборотах. Подобран подходящий контроллер для лабораторного стенда. С помощью стенда можно проводить лабораторные исследования процессов преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию.

Abstract: Developed laboratory bench to study the work of the wind turbine. Promoted aerodynamic calculation of the propeller. Formulated formula for calculating the voltage of the generator at certain speeds. Find a suitable controller for laboratory bench. With the help of the stand can be carried out laboratory studies of processes to convert the kinetic energy of the wind into electrical energy.

Ключевые слова: Ветрогенератор, генератор, мощность ветроустановки, аккумулятор, контроллер.

Keywords: wind turbine, generator, wind turbine power, battery, controller.

В разработке лабораторного ветрогенератора понадобилась три составные части: генератор, контроллер и аккумулятор. Напряжение и ток от генератора зависит от многочисленных факторов, таких как обороты генератора, мощность магнитов, скорость движения магнитов на роторе, количество витков в обмотках участвующих в выработке электричества за единицу времени и другие. В генераторе переменного тока напряжение прямо пропорционально скорости движения магнитов. Например, если оборот увеличился в два раза то и напряжения соответственно увеличится в два раза. Чтобы вычислить напряжение генератора на определенных оборотах нужно магнитную индукцию магнитов B (Тл) умножить на активную длину проводника L (м), и умножить на скорость движения магнитов V (м/с).

E=B*V*L,                                                                                                                                                         (1)

Чтобы вычислить силу тока на аккумулятор 12 вольт нужно от напряжения генератора отнять напряжение аккумулятора и полученную сумму разделить на общее сопротивление генератора+аккумулятора. Формула расчета силы тока выглядит так, Ug-Ua=U/(R+r)=I, где Ug-напряжение генератора без нагрузки, Ua-напряжение аккумулятора, U-разность напряжений, (R+r)-общее сопротивление всех элементов в цепи, I -сила тока [1].

Аэродинамический расчёт ветроколеса

Конструкционная схема 3-лопостного ветроколеса дана на рисунке 1, где L-длина лопасти, R-радиус окружности, D-ометаемая площадь ветроколеса [2].

Рис. 1. Схема ветроколеса.

 =  ,                                                                                                                                             (2)

Где N_ву– мощность ветроустановки при исходной нагрузке, кВт (N_ву=0,6 кВт);;

N – исходная среднесуточная эквивалентная мощность нагрузки, кВт (N=0,2 кВт);;

Nвур – расчетная мощность ветроустановки при другой нагрузке, кВт;

Nр – расчетная среднесуточная эквивалентная мощность нагрузки, кВт.

Из пропорции (1) следует:

Nвур = 2Nр                                                                                                                                       (2.1)

Размеры ветроколеса при этом можно определить по формуле:

Dву =  ,                                                                                                      (3)

где Dву – расчетный диаметр ветроустановки, м;

Vр – текущее значение рабочей скорости ветра, м/с.

С этого следует что длина лопастей равно L=x/2, а диаметр ветроколеса D=x.

На 2 рисунке приведён пример зависимости вырабатываемой мощности от скорости ветра для ветрового генератора номинальной мощностью 600 Вт.

Рис. 2. График зависимости вырабатываемой мощности от скорости ветра.

Выбор контроллера

В схеме используется операционный усилитель TL-084, реле и небольшое количество других радиоэлектронных компонентов. Схема используется для отсоединения источника зарядка от аккумулятора, после его полной зарядки. Подойдет как для 12В, так и для 24В аккумуляторов [3].

В схеме зарядного устройства используется 2 подстроечных резистора для установки верхнего и нижнего предела напряжения. Когда напряжение аккумулятора превышает заданное значение, то на обмотки реле подается напряжение и оно включается. Реле будет включено, пока напряжение не понизится ниже заданного уровня.

Обычно, для ветряков используются аккумуляторы 12В, тогда верхний предел напряжения устанавливается на 15В, а нижний - 12В. Источник электроэнергии (ветрогенератор, либо солнечная панель) подключаются к аккумулятору через нормально замкнутые контакты реле. Когда напряжение аккумулятора превышает заданные 15В, контроллер замыкает контакты реле, тем самым переключая источник электроэнергии с аккумулятора на нагрузочный балласт (который не рекомендуется ставить для солнечных панелей, но который обязательно нужен для ветрогенераторов).

Когда напряжение падает ниже 12В (задается подстроечным резистором), контроллер отключает реле и источник подключается с аккумулятору для его заряда.

Рис. 3. Схема контроллера.

В устройстве используется 2 светодиода, один показывает наличие питания, второй светодиод (Dump On) загорается когда аккумулятор полностью заряжен и ток протекает через нагрузочный балласт.

В заключении стоит отметить, что разработанная лабораторная ветроустановка  предназначена для обучения студентов и учащихся в профессиональных образовательных учреждениях. И  с помощью мультиметра мы можем наблюдать влияние скорости ветра на напряжение и тока внутри генератора и построить диаграмму зависимость передаваемой энергии ветроустоновки от скорости ветра.

ЛИТЕРАТУРА

1.       С.М. Воронин Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2007. – 204 с.

2.       Г.Ф. Быстрицкий Общая энергетика: Учеб. пособие для сред. проф. образования: - М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 208 с.

3.       И. М. Мухити «Электротехника», г. Алматы, 2005.–229 с.