Comment calculer une éolienne : formules + exemple pratique de calcul

L'énergie alternative obtenue à partir des centrales éoliennes suscite un grand intérêt dans la société.Il existe de nombreuses preuves de cela au niveau de la pratique quotidienne réelle.

Les propriétaires ruraux construisent des moulins à vent de leurs propres mains et sont satisfaits du résultat, même si l'effet peut être de courte durée. La raison en est que l'éolienne n'a pas été calculée correctement lors du montage.

D'accord, je ne voudrais pas consacrer du temps et de l'argent à la mise en œuvre du projet et me retrouver avec une installation inefficace. Par conséquent, il est important de comprendre comment calculer une éolienne et par quels paramètres sélectionner les principaux composants opérationnels d'une éolienne.

L'article est consacré à la résolution de ces problèmes. La partie théorique du matériel est complétée par des exemples illustratifs et des recommandations pratiques pour l'assemblage d'une éolienne.

Calcul d'éolienne

Par où commencer le calcul d'un système de production d'électricité à partir de l'énergie éolienne ? Considérant qu’il s’agit d’une éolienne, une analyse préliminaire de la rose des vents dans une zone précise semble logique.

Les paramètres de calcul tels que la vitesse du vent et sa direction caractéristique pour un territoire donné sont des paramètres de conception importants. Dans une certaine mesure, ils déterminent le niveau de puissance éolienne qui sera réellement réalisable.

Il est même difficile d’imaginer des éoliennes d’une telle puissance. Mais de telles conceptions existent et fonctionnent efficacement.Cependant, les calculs de telles structures montrent une puissance relativement faible par rapport aux sources d'énergie traditionnelles.

Ce qui est remarquable, c’est que ce processus s’inscrit dans la durée (au moins 1 mois), ce qui est assez évident. Il est impossible de calculer les paramètres maximaux probables de la vitesse du vent et de sa direction la plus fréquente avec une ou deux mesures.

Des dizaines de mesures seront nécessaires. Mais cette opération est réellement nécessaire si l’on veut construire un système productif efficace.

Comment calculer la puissance d'un moulin à vent

Les éoliennes à usage domestique, en particulier celles fabriquées à la main, n'ont jamais surpris les gens avec une puissance élevée. C'est compréhensible. Il suffit d'imaginer un mât massif de 8 à 10 m de haut, équipé d'un générateur avec une envergure de pales d'hélice de plus de 3 m. Et ce n'est pas l'installation la plus puissante. Environ 2 kW.

Pour entretenir des éoliennes de cette puissance, des hélicoptères et des équipes de spécialistes comptant jusqu'à une douzaine de personnes sont utilisés. Pour calculer une telle centrale électrique, un nombre encore plus grand d'interprètes sont impliqués

En général, si l'on se fie à un tableau standard montrant la relation entre la puissance d'une éolienne et l'envergure requise des pales de l'hélice, il y a de quoi être surpris. D'après le tableau, une éolienne de 10 W nécessite une hélice de deux mètres.

Une conception de 500 watts nécessitera une hélice d'un diamètre de 14 M. De plus, le paramètre d'envergure des pales dépend de leur nombre. Plus il y a de pales, plus la portée est petite.

Mais ce n’est qu’une théorie, conditionnée par des vitesses de vent ne dépassant pas 4 m/sec.Dans la pratique, tout est quelque peu différent et la puissance des installations domestiques qui fonctionnent réellement depuis longtemps n'a jamais dépassé 500 W.

Par conséquent, le choix de la puissance ici est généralement limité à la plage de 250 à 500 W avec une vitesse moyenne du vent de 6 à 8 m/sec.

Tableau de la dépendance de la puissance d'un système éolien sur le diamètre du rotor et le nombre de pales. Ce tableau peut être utilisé pour les calculs, mais en tenant compte de sa compilation pour des paramètres de vitesse du vent jusqu'à 4 m/sec (+)

D'un point de vue théorique, la puissance d'une centrale éolienne se calcule à l'aide de la formule :

N=p*S*V³/2,

Où:

• p – densité des masses d'air ;
• S – surface totale soufflée des pales de l'hélice ;
• V — vitesse du flux d'air ;
• N – puissance du débit d’air.

Puisque N est un paramètre qui affecte radicalement la puissance d’une éolienne, la puissance réelle de l’installation sera proche de la valeur calculée de N.

Calcul des hélices d'éoliennes

Lors de la construction d’une éolienne, deux types d’hélices sont généralement utilisés :

• ailé — rotation dans le plan horizontal ;
• Rotor Savonius, rotor Darrieus — rotation dans un plan vertical.

Les conceptions de vis avec rotation dans n'importe quel plan peuvent être calculées à l'aide de la formule :

Z=L*W/60/V

Où:

• Z – degré de vitesse (faible vitesse) de l'hélice ;
• L – la dimension de la longueur du cercle décrit par les pales ;
• W – vitesse (fréquence) de rotation de l'hélice ;
• V – la vitesse du flux d'air.

Sur la base de cette formule, vous pouvez facilement calculer le nombre de tours W - vitesse de rotation.

Voilà à quoi ressemble la conception de la vis appelée « Darieu Rotor ». Cette version de l'hélice est considérée comme efficace dans la fabrication d'éoliennes de petite puissance et de petite taille.Le calcul de la vis a quelques particularités

Et la relation de travail entre les révolutions et la vitesse du vent peut être trouvée dans des tableaux disponibles sur Internet. Par exemple, pour une hélice à deux pales et Z=5, la relation suivante est valable :

En outre, l’un des indicateurs importants d’une hélice d’éolienne est le pas.

Ce paramètre peut être déterminé à l'aide de la formule :

H=2πR* tan α,

Où:

• 2π – constante (2*3,14) ;
• R. – rayon décrit par la lame ;
• bronzage α – angle de coupe.

Des informations complémentaires sur le choix de la forme et du nombre de pales, ainsi que des instructions pour leur fabrication, sont fournies dans Cet article.

Sélection de générateurs pour éoliennes

Ayant la valeur calculée du nombre de tours de vis (W), obtenue selon la méthode décrite ci-dessus, vous pouvez déjà sélectionner (fabriquer) le générateur approprié.

Par exemple, avec un degré de vitesse Z=5, le nombre de pales égal à 2 et une vitesse de 330 tr/min. À une vitesse de vent de 8 m/s. La puissance du générateur doit être d'environ 300 W.

Vue en coupe d'un générateur de centrale éolienne. Exemple démonstratif de l'une des conceptions possibles d'un générateur de système éolien domestique, assemblé indépendamment

Compte tenu de ces paramètres, un choix approprié en tant que générateur pour une centrale éolienne domestique pourrait être le moteur utilisé dans la conception des vélos électriques modernes. Le nom traditionnel de la pièce est moteur de vélo (fabriqué en Chine).

Voilà à quoi ressemble un moteur de vélo électrique, sur la base duquel il est proposé de fabriquer un générateur pour une éolienne domestique. La conception du moteur de vélo est idéale pour une mise en œuvre pratiquement sans calculs ni modifications. Cependant, leur puissance est faible

Les caractéristiques d’un moteur de vélo électrique sont approximativement les suivantes :

Une caractéristique positive des moteurs de vélo est qu’ils n’ont pratiquement pas besoin d’être modifiés. Ils ont été structurellement conçus comme des moteurs électriques à basse vitesse et peuvent être utilisés avec succès pour les éoliennes.

Pour fabriquer un moulin à vent, vous pouvez utiliser un générateur de voiture ou collecter unité de machine à laver.

Calcul et sélection du contrôleur de charge

Un contrôleur de charge de batterie est requis pour tout type de centrale éolienne, y compris une conception domestique.

Le calcul de cet appareil revient à sélectionner le circuit électrique de l'appareil, qui correspondrait aux paramètres de conception du système éolien.

Parmi ces paramètres, les principaux sont :

• tension nominale et maximale du générateur ;
• puissance maximale possible du générateur ;
• courant de charge de batterie maximum possible ;
• Voltage de batterie;
• température ambiante;
• niveau d'humidité ambiante.

Sur la base des paramètres présentés, ensemble contrôleur de charge faites-le vous-même ou sélectionnez un appareil prêt à l'emploi.

Contrôleur de charge pour batteries utilisées dans le cadre d'une centrale éolienne. Un appareil de fabrication industrielle, au moment de choisir lequel il suffit d'étudier attentivement les caractéristiques techniques pour une coordination précise avec le système existant

Bien entendu, il est conseillé de sélectionner (ou d'assembler) un appareil dont le circuit assurerait une fonction de démarrage facile dans des conditions de faibles débits d'air. Un contrôleur conçu pour fonctionner avec des batteries de différentes tensions (12, 24, 48 volts) est également le bienvenu.

Enfin, lors du calcul (sélection) du circuit du contrôleur, il est recommandé de ne pas oublier la présence d'une fonction telle que le contrôle de l'onduleur.

Sélection d'une batterie pour le système

Dans la pratique, différents types de batteries sont utilisés et presque toutes conviennent parfaitement à une utilisation dans le cadre d’un système d’énergie éolienne. Mais il faudra de toute façon faire un choix précis. En fonction des paramètres du système éolien, la batterie est sélectionnée en fonction de la tension, de la capacité et des conditions de charge.

Les composants traditionnels des éoliennes domestiques sont des batteries au plomb classiques. Ils ont montré de bons résultats d’un point de vue pratique.De plus, le coût de ce type de batterie est plus raisonnable par rapport aux autres types.

Les batteries au plomb sont particulièrement sans prétention en termes de conditions de charge/décharge, mais il est inacceptable de les inclure dans un système sans contrôleur.

Si l'installation éolienne contient un contrôleur de charge conçu par des professionnels avec un système d'automatisation à part entière, il semble rationnel d'utiliser des batteries AGM ou à l'hélium.

Batterie pour éolienne domestique. Ce n'est pas la meilleure option d'utilisation, compte tenu du chaos de câbles et des exigences de stockage. Dans cet état des dispositifs de stockage d'énergie, on ne peut pas compter sur leur fonctionnement à long terme.

Les deux types de dispositifs de stockage d'énergie se caractérisent par une plus grande efficacité et une longue durée de vie, mais ils imposent des exigences élevées aux conditions de charge.

Il en va de même pour les batteries dites blindées de type hélium. Mais le choix de ces batteries pour une éolienne domestique est considérablement limité par le prix. Cependant, la durée de vie de ces batteries coûteuses est la plus longue par rapport à tous les autres types.

Ces batteries ont également un cycle de charge/décharge plus long, mais seulement si un chargeur de haute qualité est utilisé.

Calcul d'un onduleur pour une éolienne domestique

Il faut le noter d'emblée : si la conception d'une éolienne domestique contient une batterie de 12 volts, cela n'a aucun sens d'installer un onduleur sur un tel système.

En moyenne, la consommation électrique des ménages est d'au moins 4 kW aux charges de pointe.D'où la conclusion : le nombre de piles rechargeables pour une telle puissance doit être d'au moins 10 pièces et de préférence avec une tension de 24 volts. Pour un tel nombre de batteries, il est logique d'installer un onduleur.

Cependant, pour fournir pleinement de l'énergie à 10 batteries d'une tension de 24 W chacune et maintenir leur charge de manière stable, une éolienne d'une puissance d'au moins 2-3 kW sera nécessaire. De toute évidence, de simples structures familiales ne peuvent pas gérer un tel pouvoir.

Onduleur de faible puissance (600 W), qui peut être utilisé pour les petites installations électriques domestiques. Vous pouvez alimenter un téléviseur ou un petit réfrigérateur à partir d'un tel équipement avec une tension de 220 volts. Il n'y a plus assez de courant pour les lampes du lustre

Cependant, vous pouvez calculer la puissance de l'onduleur comme suit :

1. Résumez le pouvoir de tous les consommateurs.
2. Déterminez l’heure de la consommation.
3. Déterminez la charge de pointe.

Dans un exemple spécifique, cela ressemblera à ceci.

Qu'il y ait des appareils électroménagers comme charge : lampes d'éclairage - 3 pcs. 40 W chacun, récepteur télévision - 120 W, réfrigérateur compact 200 W. On résume la puissance : 3*40+120+200 et on obtient 440 W en sortie.

Déterminons la puissance des consommateurs pour une durée moyenne de 4 heures : 440*4=1760 W. Sur la base de la valeur de puissance obtenue au fil du temps de consommation, il semble logique de sélectionner un onduleur parmi de tels appareils avec une puissance de sortie de 2 kW ou plus.

Sur la base de cette valeur, la caractéristique courant-tension de l'appareil requis est calculée : 2000*0,6=1200 V/A.

Un schéma classique pour la reproduction et la distribution de l'énergie obtenue à partir d'une éolienne domestique. Cependant, pour fournir de l'énergie à long terme à un tel nombre d'appareils, il faut une installation suffisamment puissante (+)

En réalité, la charge domestique d’une famille de trois personnes entièrement équipée en appareils électroménagers sera plus élevée que celle calculée dans l’exemple. En règle générale, le temps de connexion de la charge dépasse également les 4 heures requises. En conséquence, l’onduleur du système éolien aura besoin d’un onduleur plus puissant.

Le calcul préliminaire d'une éolienne n'est pas seulement utile pour son auto-assemblage. Il est également nécessaire de déterminer les paramètres optimaux lorsque choisir une éolienne prête à l'emploi.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

La façon dont les données sources sont analysées et comment les formules sont appliquées est présentée dans la vidéo :

Il est nécessaire d'utiliser des données calculées dans tous les cas. Qu'il s'agisse d'une centrale électrique industrielle ou fabriquée pour un usage domestique, le calcul de chaque unité garantit toujours une efficacité maximale de l'appareil et, surtout, la sécurité de fonctionnement.

Les calculs préliminaires déterminent la faisabilité de la mise en œuvre du projet et aident à déterminer le coût ou la rentabilité du projet.

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