Cómo realizar el cálculo de un generador eólico: fórmulas + ejemplo práctico de cálculo

La energía alternativa obtenida de las instalaciones eólicas despierta un gran interés en la sociedad. Hay numerosas pruebas de ello a nivel de la práctica doméstica real.

Los propietarios de viviendas de campo construyen aerogeneradores con sus propias manos y se sienten satisfechos con el resultado, aunque el efecto puede ser de corta duración. La razón – es que durante el montaje no se realizó correctamente el cálculo del aerogenerador.

Estará de acuerdo en que no querría gastar tiempo y dinero en la realización del proyecto para obtener una instalación de baja eficiencia. Por lo tanto, es importante comprender cómo realizar el cálculo del aerogenerador y según qué parámetros seleccionar los componentes principales del mismo.

Este artículo está dedicado a resolver estas cuestiones. La parte teórica del material se complementa con ejemplos ilustrativos y recomendaciones prácticas para el montaje de la instalación del aerogenerador.

Cálculo de la instalación del aerogenerador

¿Por dónde empezar a calcular el sistema de generación de electricidad a partir de la energía eólica? Teniendo en cuenta que se trata de un aerogenerador, parece lógico realizar un análisis previo de la rosa de los vientos en la ubicación concreta.

Parámetros de cálculo como la velocidad del viento y su dirección característica para el territorio dado son parámetros de cálculo importantes. En cierta medida, determinan el nivel de potencia del aerogenerador que será realmente alcanzable.

Es difícil incluso imaginar aerogeneradores de tal potencia. Pero estructuras similares existen y funcionan de manera eficaz. Sin embargo, los cálculos de dichas estructuras muestran una potencia relativamente pequeña en comparación con las fuentes de energía tradicionales.

Es destacable que este proceso es de larga duración (al menos 1 mes), lo cual es bastante evidente. No es posible calcular los parámetros más probables de la velocidad del viento y su dirección más frecuente con una o dos mediciones.

Será necesario realizar decenas de mediciones. Sin embargo, esta operación es realmente necesaria si se desea construir un sistema eficiente y productivo.

Cómo calcular la potencia del aerogenerador

Los aerogeneradores de uso doméstico, especialmente los hechos a mano, aún no han tenido la oportunidad de sorprender a la gente con altas potencias. Es comprensible. Basta imaginar un mástil macizo de 8-10 m de altura, equipado con un generador con una envergadura de palas de hélice de más de 3 m. Y esta no es la instalación más potente. Solo unos 2 kW.

Para el mantenimiento de aerogeneradores de esta potencia se utilizan helicópteros y equipos de especialistas de hasta una decena de personas. Para realizar el cálculo de dicha instalación energética, se requiere un número aún mayor de ejecutores.

En general, si nos basamos en la tabla estándar que muestra la relación entre la potencia del aerogenerador y la envergadura requerida de las palas de la hélice, hay algo que sorprende. Según la tabla, para un aerogenerador de 10 W se necesita una hélice de dos metros.

Para una construcción de 500 W se requerirá ya una hélice de 14 m de diámetro. Además, el parámetro de la envergadura de las palas depende de su número. Cuantas más palas, menor es la envergadura.

Pero esto es solo teoría, condicionada por una velocidad del viento que no supera los 4 m/s. En la práctica, todo es algo diferente, y la potencia de las instalaciones de uso doméstico que realmente funcionan durante un tiempo prolongado nunca ha superado los 500 W.

Por lo tanto, la elección de la potencia aquí suele limitarse al rango de 250-500 W con una velocidad media del viento de 6-8 m/s.

Tabla de dependencia de la potencia del sistema de energía eólica del diámetro del rotor y del número de palas. Esta tabla se puede aplicar para cálculos, pero teniendo en cuenta que fue elaborada para el parámetro de velocidad del viento de hasta 4 m/s (+).

Desde un punto de vista teórico, la potencia de una central de energía eólica se calcula mediante la fórmula:

N=p*S*V³/2,

donde:

• p – densidad de las masas de aire;
• S – área total de barrido de las palas de la hélice;
• V – velocidad del flujo de aire;
• N – potencia del flujo de aire.

Dado que N es un parámetro que influye cardinalmente en la potencia del aerogenerador, la potencia real de la instalación estará cerca del valor calculado de N.

Cálculo de las hélices de las instalaciones eólicas

En el diseño de un aerogenerador se suelen utilizar dos tipos de hélices:

• de palas – rotación en el plano horizontal;
• rotor Savonius, rotor Darrieus – rotación en el plano vertical.

Las estructuras de hélices con rotación en cualquiera de los planos se pueden calcular con la ayuda de la fórmula:

Z= L*W/60/V

donde:

• Z – grado de velocidad (lentitud) de la hélice;
• L – longitud de la circunferencia descrita por las palas;
• W – velocidad (frecuencia) de rotación de la hélice;
• V – velocidad del flujo de aire.

Partiendo de esta fórmula, se puede calcular fácilmente el número de revoluciones W – la velocidad de rotación.

Así es el diseño de una hélice llamada «Rotor Darrieus». Esta variante de hélice se considera eficiente para la fabricación de generadores eólicos de baja potencia y tamaño reducido. El cálculo de la hélice tiene algunas particularidades.

Y la relación operativa entre las revoluciones y la velocidad del viento se puede encontrar en tablas disponibles en internet. Por ejemplo, para una hélice de dos palas y Z=5, se cumple la siguiente relación:

Otro de los parámetros importantes de la hélice de un aerogenerador es el paso.

Este parámetro se puede determinar utilizando la siguiente fórmula:

H=2πR* tg α,

donde:

• 2π – constante (2*3.14);
• R – radio descrito por la pala;
• tg α – ángulo de sección.

Información adicional sobre la elección de la forma y cantidad de aspas, así como las instrucciones para su fabricación, se encuentran en este artículo.

Selección de generadores para aerogeneradores

Teniendo el valor calculado de las revoluciones de la hélice (W), obtenido mediante el método descrito anteriormente, ya se puede seleccionar (fabricar) el generador correspondiente.

Por ejemplo, con un coeficiente de velocidad de punta Z=5, un número de palas igual a 2 y una frecuencia de revoluciones de 330 rpm. Con una velocidad del viento de 8 m/s, la potencia del generador debe ser aproximadamente de 300 W.

Generador de una instalación eólica «en corte». Ejemplo representativo de una de las posibles configuraciones de generador de un sistema eólico doméstico ensamblado por uno mismo.

Con estos parámetros, una opción adecuada como generador para una central eólica doméstica puede ser un motor utilizado en las estructuras de las bicicletas eléctricas modernas. El nombre tradicional de la pieza es motor de bicicleta eléctrica (fabricado en China).

Así es un motor eléctrico de bicicleta, sobre el cual se propone construir un generador para un aerogenerador doméstico. El diseño del motor de bicicleta es ideal para su implementación prácticamente sin cálculos ni modificaciones. Sin embargo, su potencia es baja.

Las características del motor eléctrico de bicicleta son aproximadamente las siguientes:

Una característica positiva de los motores de bicicleta eléctrica es que prácticamente no necesitan modificaciones. Fueron diseñados estructuralmente como motores eléctricos de bajas revoluciones y pueden utilizarse con éxito como generadores eólicos.

Para fabricar un aerogenerador se puede usar un generador de automóvil o ensamblar un conjunto a partir de una lavadora.

Cálculo y selección del controlador de carga

El controlador de carga de la batería es necesario para cualquier tipo de instalación de energía eólica, incluida una construcción doméstica.

El cálculo de este dispositivo se reduce a la selección del esquema eléctrico del aparato, que corresponda a los parámetros calculados del sistema eólico.

De estos parámetros, los principales son:

• voltaje nominal y máximo del generador;
• potencia máxima posible del generador;
• corriente de carga máxima posible de la batería;
• voltaje en la batería;
• temperatura del aire ambiente;
• nivel de humedad del ambiente.

Basándose en los parámetros presentados, se lleva a cabo el montaje del controlador de carga por uno mismo o la selección de un dispositivo ya listo.

Controlador de carga de las baterías utilizadas en una instalación de energía eólica. Es un dispositivo fabricado industrialmente; al elegirlo, solo es necesario estudiar detenidamente las características técnicas para una sincronización precisa con el sistema existente.

Por supuesto, es deseable seleccionar (o ensamblar) un dispositivo cuyo esquema garantice una función de arranque suave en condiciones de flujos de aire débiles. También se recomienda un controlador diseñado para funcionar con baterías de diferentes voltajes (12, 24, 48 voltios).

Finalmente, al calcular (seleccionar) el esquema del controlador, se recomienda no olvidar la presencia de una función como el control del inversor.

Selección de la batería para el sistema

En la práctica, se utilizan baterías de diferentes tipos y casi todas son adecuadas para su uso en un sistema de energía eólica. Pero habrá que hacer una elección concreta en cualquier caso. Dependiendo de los parámetros del sistema eólico, la selección de la batería se realiza según el voltaje, la capacidad y las condiciones de carga.

Los componentes tradicionales para los aerogeneradores domésticos son las clásicas baterías de plomo-ácido. Han demostrado buenos resultados en la práctica. Además, el costo de este tipo de baterías es más aceptable en comparación con otros tipos.

Las baterías de plomo-ácido son particularmente poco exigentes con las condiciones de carga/descarga, pero no se debe incluirlas en el sistema sin un controlador.

Si el aerogenerador cuenta con un controlador de carga profesional con un sistema de automatización completo, resulta racional utilizar baterías de tipo AGM o de gel.

Bloque de baterías de un aerogenerador doméstico. No es la mejor opción de funcionamiento, teniendo en cuenta el caos de cables y los requisitos de almacenamiento. Con ese estado de los acumuladores de energía, no se puede esperar un funcionamiento a largo plazo.

Ambos tipos de acumuladores de energía se caracterizan por una mayor eficiencia y una larga vida útil, pero imponen altos requisitos a las condiciones de carga.

Lo mismo se aplica a las llamadas baterías de gel blindadas. Pero la elección de estas baterías para un aerogenerador doméstico está significativamente limitada por el precio. Sin embargo, la vida útil de estas costosas baterías es la más larga en comparación con todos los demás tipos.

Estas baterías también se distinguen por un ciclo de carga/descarga más significativo, pero siempre que se utilice un cargador de calidad con ellas.

Cálculo del inversor para un aerogenerador doméstico

Inmediatamente hay que aclarar: si el diseño de la instalación eólica doméstica contiene una sola batería de 12 voltios, no tiene ningún sentido instalar un inversor en dicho sistema.

En promedio, la potencia consumida por un hogar es de al menos 4 kW en cargas pico. Por lo tanto, la cantidad de baterías para dicha potencia debe ser de al menos 10 unidades y preferiblemente a una tensión de 24 voltios. Para tal cantidad de baterías, ya tiene sentido instalar un inversor.

Sin embargo, para alimentar completamente con energía 10 baterías con una tensión de 24 vatios cada una y mantener estable su carga, se necesitaría un aerogenerador de al menos 2-3 kW. Evidentemente, para las sencillas construcciones domésticas no se puede soportar esa potencia.

Inversor de pequeña potencia (600 W), que puede ser utilizado para una instalación energética doméstica pequeña. Con esta técnica se puede alimentar a una tensión de 220 voltios un televisor o un pequeño refrigerador. Para las lámparas del candelabro ya no alcanzará la corriente.

No obstante, se puede calcular la potencia del inversor de la siguiente manera:

1. Sumar la potencia de todos los consumidores.
2. Determinar el tiempo de consumo.
3. Determinar la carga máxima.

En un ejemplo concreto se verá así.

Supongamos que como carga hay electrodomésticos: lámparas de iluminación – 3 unidades de 40 W, televisor – 120 W, refrigerador compacto 200 W. Sumamos la potencia: 3*40+120+200 y obtenemos como resultado 440 W.

Determinamos la potencia de los consumidores para un periodo medio de 4 horas: 440*4=1760 W. Basándonos en el valor de potencia obtenido según el tiempo de consumo, parece lógico seleccionar un inversor entre estos dispositivos con una potencia de salida de al menos 2 kW.

Con base en este valor, se calcula la característica voltio-amperio del dispositivo requerido: 2000*0,6=1200 V/A.

Esquema clásico de reproducción y distribución de la energía obtenida de un generador eólico de tipo doméstico. Sin embargo, para proporcionar energía a largo plazo a esa cantidad de aparatos, se necesita una instalación suficientemente potente (+)

Realmente, la carga de un hogar de tres personas con equipamiento completo de electrodomésticos será mayor que la calculada en el ejemplo. Generalmente, el parámetro de tiempo de conexión de la carga también supera las 4 horas tomadas. En consecuencia, se necesitará un inversor más potente para el sistema de energía eólica.

El cálculo preliminar del aerogenerador es útil no solo para su ensamblaje independiente. Es necesario también determinar los parámetros óptimos al elegir un aerogenerador ya listo.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Cómo se realiza el análisis de los datos iniciales y cómo se aplican las fórmulas, se muestra en el video:

Es necesario utilizar los datos calculados en cualquier caso. Ya sea una instalación energética industrial o fabricada para condiciones domésticas, el cálculo de cada componente siempre conlleva la máxima eficiencia del dispositivo y, lo más importante, la seguridad de funcionamiento.

Los cálculos realizados previamente determinan la conveniencia de implementar el proyecto, ayudan a establecer cuán costoso o económico resulta el proyecto.

¿Tiene experiencia en la resolución de problemas similares? ¿O tiene preguntas sobre el tema? Por favor, comparta sus habilidades de cálculo y diseño de un aerogenerador. Puede dejar comentarios y hacer preguntas en el formulario que aparece a continuación.