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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Calcul d'éolienne. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives La partie principale d’une éolienne est la roue éolienne. Grâce à lui, l'énergie cinétique du vent est convertie en énergie mécanique. Rappelons que les éoliennes sont divisées en deux groupes - avec un axe de rotation horizontal et vertical. Nous considérerons une éolienne à axe de rotation horizontal. Il peut comporter une ou plusieurs pales installées à un certain angle par rapport au plan de rotation. La roue éolienne peut être à grande ou à faible vitesse. En fonction du diamètre et du nombre de pales, la vitesse de la roue éolienne à la même vitesse du vent sera différente. Cet indicateur est appelé vitesse de la roue éolienne et est déterminé par le rapport de la vitesse périphérique de la pointe de la pale à la vitesse du vent : Z = L * L / 60 / V, où : W - vitesse de rotation de la roue éolienne (tr/min) ; V - vitesse du vent (m/s) ; L - circonférence (m). Mais au départ on ne connaît pas la vitesse de rotation de l’éolienne, qui dépend de sa conception. Lorsque l’air traverse les pales, il reste une traînée « perturbée », ce qui ralentit la rotation de l’éolienne. Et par conséquent, plus il y a de pales, moins cela devient rapide. Afin de calculer approximativement la vitesse de la roue éolienne, nous prenons comme base la vitesse (Z). établi pratiquement pour des éoliennes avec différents nombres de pales :
En utilisant la formule ci-dessous, nous calculons la vitesse de la roue du vent : W=V/L*Z*60. Les performances de l’ensemble de la structure et le fonctionnement sûr de l’installation dépendent de la conception de l’éolienne. Les conceptions multipales sont à faible vitesse et, par conséquent, les forces centrifuges et gyroscopiques sont nettement inférieures à celles des conceptions à grande vitesse. Considérant que les technologies de fabrication d'éoliennes dans des conditions amateurs laissent beaucoup à désirer, des éoliennes multipales avec un nombre de pales d'au moins cinq sont recommandées - de telles conceptions ne sont pas si critiques pour les erreurs d'équilibrage, ne sont pas exigeantes en termes d'aérodynamisme. la conception du profil de la lame et les lames concaves peuvent être utilisées avec succès. Installation de la lame Si vous placez une feuille de contreplaqué selon un angle par rapport au flux d'air venant en sens inverse, la force de levage maximale à la même vitesse d'air sera à un angle d'installation de 45°. À mesure que l'angle diminue ou augmente, la force de portance diminuera également et la résistance à l'écoulement diminuera ou augmentera en conséquence. Prenons donc comme point de départ un angle de 45°. Mais pour qu'une éolienne utilise l'énergie éolienne le plus efficacement possible et ne comporte pas de zones de freinage, la roue doit avoir une forme incurvée : plus l'élément de pale est éloigné de l'axe de rotation, plus l'angle d'installation est petit. Pas de vis L'un des indicateurs de calcul de la pale est le pas de l'hélice - la distance sur laquelle la masse d'air se déplacera en un tour, si l'on imagine cette masse d'air sous la forme d'un écrou dont le diamètre est égal à 2R, et l'angle du filetage est égal à l'angle entre la corde de la section prélevée et le plan de rotation de l'hélice. Le pas de l'hélice est déterminé par la formule : H = 2πR*tgα, où : H = pas de la section sélectionnée (m) ; R = rayon de section (m) ; α = angle d'installation de la section (deg.). L'angle d'installation de la section transversale des pales de l'éolienne sera déterminé par la formule transformée : α (angle d'installation) = Arctg (H/2πR). Exemple de calcul de torsion de lame Pas de pale = 1 mètre, diamètre de la roue éolienne = 3 mètres. Avec ces réglages, idéalement, sans tenir compte de la résistance de l'éolienne, à une vitesse de vent de 3 m/s, l'éolienne devrait faire 3 tours par seconde soit 3 * 60 = 180 tr/min. Mais c'est l'idéal. En effet, la vitesse de rotation de l'éolienne est influencée par les turbulences de l'écoulement de la pale précédente, les frottements créés par les pales elles-mêmes et la réaction du générateur en fonction de la charge électrique appliquée. Et en réalité, la vitesse de la roue éolienne tendra vers les valeurs calculées, mais en réalité elle sera nettement inférieure. Puissance du vent L'indicateur suivant lors du calcul d'une éolienne est la puissance du flux de vent traversant la zone de balayage de l'éolienne. Il est calculé assez précisément selon la méthode généralement admise : P \u0,5d XNUMX * Q * S * V3, où P est la puissance (W) ; Q - densité de l'air (1,23 kg/m3) ; S - surface de balayage du rotor (m :) ; V - vitesse du vent (m/s). Puisqu’il est impossible de convertir complètement un type d’énergie en un autre, nous commencerons par soustraire les pertes. Une éolienne a un certain coefficient d'utilisation (conversion) de l'énergie éolienne. La valeur maximale de l'utilisation théorique de l'énergie éolienne pour des éoliennes à girouettes idéales à grande vitesse est de 0,593. Pour les meilleurs exemples d'éoliennes à grande vitesse avec un profil aérodynamique, ce chiffre varie de 0,42 à 0,46. Pour les éoliennes multipales à faible vitesse, cet indicateur varie de 0,27 à 0,35 selon la qualité de fabrication et est désigné dans les calculs par le symbole Av. Pour faire correspondre la vitesse d'une éolienne à basse vitesse et d'un générateur, il est nécessaire d'utiliser un réducteur élévateur et son rendement varie de 0,7 à 0,9 selon le rapport de démultiplication et la conception. En convertissant l’énergie mécanique en énergie électrique, nous subissons également des pertes. Par conséquent, nous les reflétons dans le rendement du générateur Ng de 0,6 (pour les générateurs d'automobiles et de tracteurs avec enroulement d'excitation) à 0,8 (pour les générateurs avec excitation par aimants permanents). P \u0,5d 3 * Q * S * VXNUMX * Cp * Ng * Nb, où P est la puissance (W) ; Q - densité de l'air (1,23 kg/m3) ; S - surface de balayage du rotor (m2) ; V - vitesse du vent, (m/s) ; CP - coefficient d'utilisation de l'énergie éolienne (0,35 est une bonne conception) ; Ng - efficacité du générateur (automobile 0,6, aimant permanent 0,8) ; Nb - efficacité de la boîte de vitesses boost (0,7-0,9). Remplaçons les données par une éolienne à 6 pales de 3 mètres et découvrons quelle puissance peut être obtenue d'une éolienne avec un générateur à aimant permanent et une boîte de vitesses avec un rendement = 0.9 à une vitesse moyenne 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 watts. Dans ce cas, les révolutions de la roue éolienne seront. W = V / L * Z * 60 = 5 / 9,42 * 3 * 60 = 95,5 tr/min. Reste à sélectionner le rapport de démultiplication en fonction de la vitesse du générateur. Auteur : Eugeny Boyko
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