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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Cálculo de aerogeneradores. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía La parte principal de la turbina eólica es la rueda de viento. A través de él, la energía cinética del viento se convierte en energía mecánica. Las turbinas eólicas recordadas se dividen en dos grupos: con un eje de rotación horizontal y vertical. Consideraremos una turbina eólica con un eje de rotación horizontal. Puede tener una o más palas, que están instaladas en algún ángulo con respecto al plano de rotación. La rueda de viento puede ser rápida o lenta. Dependiendo del diámetro y el número de palas, la velocidad de la rueda de viento a la misma velocidad del viento será diferente. Este indicador se denomina velocidad de la rueda de viento y está determinado por la relación entre la velocidad circunferencial del extremo de la pala y la velocidad del viento: Z = L * An / 60 / V, donde: W - frecuencia de rotación del aerogenerador (rpm); V - velocidad del viento (m/s); L - circunferencia (m). Pero inicialmente no sabemos la velocidad del aerogenerador, que depende de su diseño. Cuando el aire pasa a través de las aspas, queda un rastro "perturbado", lo que ralentiza la rotación de la rueda de viento. Y por lo tanto, cuantas más cuchillas, menos velocidad se vuelve. Para calcular aproximadamente la velocidad de la rueda de viento, tomamos como base la velocidad (Z). establecido de forma práctica para aerogeneradores con diferente número de palas:
Usando la siguiente fórmula, calculamos la velocidad de la rueda de viento: W=V/L*Z*60. El rendimiento de toda la estructura y el funcionamiento seguro de la planta dependen del diseño del aerogenerador. Los diseños multipala son de baja velocidad y, por lo tanto, las fuerzas centrífugas y giroscópicas son mucho menores que las de los de alta velocidad. Teniendo en cuenta que las tecnologías de fabricación de aerogeneradores en condiciones de aficionados dejan mucho que desear, se recomiendan aerogeneradores de palas múltiples con al menos cinco palas; estos diseños no son tan críticos para los errores de equilibrio, no exigen el diseño aerodinámico del perfil de la pala, y las cuchillas cóncavas se pueden utilizar con éxito. Instalación de cuchillas Si se coloca una lámina de madera contrachapada en ángulo con respecto al flujo de aire que se aproxima, la fuerza de elevación máxima a la misma velocidad del aire estará en un ángulo de instalación de 45 °. A medida que el ángulo disminuye o aumenta, la fuerza de sustentación también disminuirá y la resistencia al flujo disminuirá o aumentará, respectivamente. Por lo tanto, tomamos un ángulo de 45° como punto de partida. Pero para que la rueda de viento haga el uso más eficiente de la energía eólica y no tenga zonas de frenado, la rueda debe tener una forma curva: cuanto más lejos esté el elemento de pala del eje de rotación, menor será el ángulo de instalación requerido. Paso de tornillo Uno de los indicadores para calcular la cuchilla es el paso del tornillo: la distancia que la masa de aire se moverá en una revolución, si imaginamos esta masa de aire en forma de tuerca cuyo diámetro es 2R, y el ángulo de la rosca es igual al ángulo entre la cuerda de la sección tomada y el plano de rotación del tornillo. El paso del tornillo está determinado por la fórmula: H = 2πR * tgα, donde: H = paso del tramo seleccionado (m.); R = radio de la sección (m); α = ángulo de instalación de la sección (grados). El ángulo de instalación de la sección de las palas del aerogenerador viene determinado por la fórmula transformada: α (ángulo de instalación) = Arctg (H/2πR). Ejemplo de cálculo de giro de pala Paso de pala = 1 metro, diámetro de rueda de viento = 3 metros. Con estos ajustes, idealmente, sin tener en cuenta la resistencia de la rueda de viento, a una velocidad de viento de 3 m/s, la rueda de viento debería dar 3 revoluciones por segundo o 3 * 60 = 180 rpm. Pero esto es ideal. De hecho, la velocidad de rotación de la rueda de viento se ve afectada por la turbulencia del flujo de la pala anterior, la fricción creada por las propias palas, dependiendo la respuesta del generador de la carga eléctrica aplicada. Y en realidad, la velocidad de la rueda de viento tenderá a los indicadores calculados, pero en realidad resultarán mucho más bajos. Energía de flujo de viento El siguiente indicador en el cálculo de la rueda de viento es la potencia del flujo de viento que pasa por el área de barrido de la rueda de viento. Se calcula con bastante precisión según el método generalmente aceptado: P \u0,5d XNUMX * Q * S * V3, donde P - potencia (W); Q - densidad del aire (1,23 kg/m3); S - área de barrido del rotor (m:); V - velocidad del viento (m/s). Dado que la conversión al cien por cien de un tipo de energía en otro es imposible, comenzaremos a restar pérdidas. La rueda de viento tiene un cierto coeficiente de uso (conversión) de energía eólica. El valor máximo del uso teórico de la energía eólica para aerogeneradores de paletas ideales de alta velocidad es 0,593. Para las mejores muestras de ruedas de viento de alta velocidad con un perfil aerodinámico, esta cifra oscila entre 0,42 y 0,46. Para turbinas eólicas de múltiples palas de baja velocidad, este indicador oscila entre 0,27 y 0,35, dependiendo de la calidad de la mano de obra, y se indica en los cálculos con el símbolo Ср. Para igualar la velocidad de una rueda de viento de baja velocidad y un generador, es necesario utilizar una caja de cambios elevadora y su eficiencia oscila entre 0,7 y 0,9, según la relación de transmisión y el diseño. Al convertir energía mecánica en energía eléctrica, también incurrimos en pérdidas. Por lo tanto, los reflejamos en la eficiencia del generador Ng desde 0,6 (para generadores de autotractor con devanado de excitación) hasta 0,8 (para generadores con excitación de imanes permanentes). P \u0,5d 3 * Q * S * VXNUMX * Cp * Ng * Nb, donde P - potencia (W); Q - densidad del aire (1,23 kg/m3); S es el área de barrido del rotor (m2); V - velocidad del viento, (m/s); CP - factor de utilización de la energía eólica (0,35 es un buen diseño); Ng - eficiencia del generador (0,6 para automóviles, 0,8 para imanes permanentes); Nb - eficiencia de la caja de cambios elevadora (0,7-0,9). Sustituyamos los datos por un aerogenerador de 6 palas de 3 metros y averigüemos qué potencia se puede obtener en un aerogenerador con un generador de imanes permanentes y una caja de cambios con un factor de eficiencia de 0.9 a una velocidad media de 5 m/s: P \u0,5d 1,23 * 3,14 * (1,5 * (1,5 * 5)) * (5 * 5 * 0,35) * 0,8 * 0,9 * 136 \uXNUMXd XNUMX vatios. En este caso, serán las revoluciones de la rueda de viento. W = V / L * Z * 60 = 5 / 9,42 * 3 * 60 = 95,5 rpm. Queda por elegir la relación de transmisión de la caja de cambios, dependiendo de la velocidad del generador. Autor: Eugeny Boyko
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