風力タービンの計算。スキーム、説明

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風車の計算。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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風力タービンの主要部分は風車です。それを通じて、風の運動エネルギーが機械エネルギーに変換されます。

風車は水平回転軸と垂直回転軸を持つ XNUMX つのグループに分けられることを思い出してください。水平回転軸を持つ風車を考えます。回転面に対して特定の角度で取り付けられた XNUMX つまたは複数のブレードを備えている場合があります。

風車は高速または低速にすることができます。羽根の直径と枚数によって、同じ風速でも風車の速度が異なります。この指標は風車の速度と呼ばれ、風速に対するブレードの先端の周速の比によって決まります。

Z = L * W / 60 / V、

ここで、 W - 風車の回転速度 (rpm)。 V - 風速 (m/s); L - 円周 (m)。

しかし、最初は風車の回転速度はわかりません。これはその設計に依存します。空気がブレードを通過すると、「乱れた」跡が残り、風車の回転が遅くなります。したがって、ブレードの数が増えるほど、速度は低下します。風車の速度を大まかに計算するには、速度 (Z) を基準とします。さまざまな数のブレードを備えた風車用に実際に確立されています。

1 - ブレード付き風車 Z = 9,0;
2 - ブレード付き風車 Z = 7,0;
3 - ブレード付き風車 Z = 5,0;
6枚羽根の風車Z=3,0;
12 ブレード風車 Z = 1,2。

以下の式を使用して、風車の速度を計算します。

W = V / L * Z*60。

構造全体の性能と設置の安全な操作は、風車の設計に依存します。

マルチブレード設計は低速であるため、遠心力とジャイロ力は高速のものに比べて大幅に小さくなります。アマチュア条件で風力車を製造する技術にはまだ改善の余地が多くあることを考慮すると、少なくとも XNUMX 枚のブレードを備えたマルチブレード風力車が推奨されます。このような設計は、バランス誤差がそれほど重要ではなく、空気力学にも負担がかかりません。ブレードプロファイルの設計により、凹型ブレードも問題なく使用できます。

ブレードの取り付け

合板を対向気流に対して斜めに設置すると、同じ気流速度での最大揚力は設置角度 45° になります。角度が減少または増加すると、揚力も減少し、それに応じて流れに対する抵抗も減少または増加します。したがって、開始点として 45° の角度を取ります。しかし、風車が風力エネルギーを可能な限り効率的に利用し、制動ゾーンを持たないようにするには、風車の形状が湾曲している必要があります。ブレード要素が回転軸から遠ざかるほど、必要な取り付け角度は小さくなります。

スクリューピッチ

ブレードを計算するための指標の 2 つは、プロペラのピッチです。これは、空気の質量を直径 XNUMXR に等しいナットの形で想像した場合、空気の質量が XNUMX 回転で移動する距離です。ねじ山の角度は、断面の翼弦とプロペラの回転面との間の角度に等しい。プロペラのピッチは次の式で決まります。

H = 2πR * tgα,

ここで、 H = 選択されたセクションのピッチ (m)。 R = 断面半径 (m); α =セクションの設置角度（度）。

風車ブレードの断面の取り付け角度は、次の変換された式によって決定されます。

α （取り付け角度）= Arctg（H / 2πR)。

ブレードツイスト計算例

ブレードピッチ＝1メートル、風車直径＝3メートル。

これらの設定では、理想的には、風車の抵抗を考慮せず、風速 3 m/s で風車は 3 秒あたり 3 回転、つまり 60 * 180 = XNUMX rpm になるはずです。

しかし、これは理想的です。実際、風車の回転速度は、前のブレードからの流れの乱流、ブレード自体によって生じる摩擦、および加えられた電気負荷に応じた発電機の反応によって影響を受けます。そして実際には、風車の速度は計算値に近づく傾向がありますが、実際にはかなり低くなります。

風の流れの力

風車を計算するときの次の指標は、風車の掃引領域を通過する風の流れの力です。これは、一般に受け入れられている方法を使用して非常に正確に計算されます。

P \u0,5d XNUMX * Q * S * V³,

ここで、P は電力 (W) です。 Q - 空気密度 (1,23 kg/m3)。 S - ローターの掃引領域 (m:); V - 風速 (m/s)。

ある種類のエネルギーを別の種類のエネルギーに完全に変換することは不可能であるため、損失を差し引いていきます。風車には、風力エネルギーの特定の使用 (変換) 係数があります。理想的な高速ベーン風車の理論上の風力エネルギー使用量の最大値は 0,593 です。空力プロファイルを備えた高速風車の最良の例では、この数値の範囲は 0,42 ～ 0,46 です。多翼の低速風車の場合、この指標は仕上がりの品質に応じて 0,27 から 0,35 の範囲であり、計算では記号 Av で示されます。低速風力車と発電機の速度を一致させるには、ステップアップギアボックスを使用する必要があり、その効率はギア比と設計に応じて 0,7 ～ 0,9 の範囲になります。

機械エネルギーを電気エネルギーに変換することにより、損失も発生します。したがって、発電機効率 Ng に 0,6 (励磁巻線を備えた自動車およびトラクター発電機の場合) から 0,8 (永久磁石による励磁を備えた発電機の場合) まで反映させます。

P \ u0,5d 3 * Q * S * VXNUMX * Cp * Ng * Nb、

ここで、P は電力 (W) です。 Q - 空気密度 (1,23 kg/m3); S - ローター掃引面積 (m2); V - 風速、(m/s); CP - 風力エネルギー利用係数 (0,35 が適切な設計)。 Ng - 発電機効率 (自動車用 0,6、永久磁石 0,8)。 Nb - ブーストギアボックスの効率 (0,7-0,9)。

データを 6 枚の羽根を持つ 3 メートルの風力車に置き換えて、永久磁石発電機と効率 = 0.9 のギアボックスを備えた風力タービンから平均速度 5 m/s でどのくらいの電力が得られるかを調べてみましょう。

P \u0,5d 1,23 * 3,14 * (1,5 * (1,5 * 5)) * (5 * 5 * 0,35) * 0,8 * 0,9 * 136 \uXNUMXd XNUMX ワット。

この場合、風車の回転数はになります。

W = V / L * Z * 60 = 5 / 9,42 * 3 * 60 =95,5rpm。

発電機の速度に応じてギア比を選択する必要があります。

著者：エフゲニーボイコ

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