Como calcular um aerogerador: fórmulas + exemplo prático de cálculo

A energia alternativa obtida de instalações eólicas desperta grande interesse na sociedade. Há muitas confirmações disso na prática doméstica real.

Os proprietários de imóveis rurais constroem aerogeradores com as próprias mãos e ficam satisfeitos com o resultado obtido, embora o efeito às vezes seja de curta duração. O motivo – o cálculo do aerogerador não foi feito adequadamente durante a montagem.

Concorde, você não gostaria de gastar tempo e dinheiro na implementação do projeto para obter uma instalação pouco eficiente. Por isso, é importante entender como calcular um aerogerador e por quais parâmetros selecionar os principais componentes de trabalho do aerogerador.

Este artigo é dedicado à solução dessas questões. A parte teórica do material é complementada com exemplos ilustrativos e recomendações práticas para a montagem da instalação do aerogerador.

Cálculo da instalação do aerogerador

Por onde começar a calcular o sistema de geração de eletricidade a partir da energia eólica? Considerando que se trata de um gerador eólico, parece lógico fazer uma análise preliminar da rosa dos ventos na localidade em questão.

Parâmetros de cálculo como a velocidade do vento e sua direção característica para a área em questão são parâmetros importantes. Eles determinam, em certa medida, o nível de potência do aerogerador que será realmente alcançável.

Geradores eólicos com essa potência são difíceis até de imaginar. Mas construções como essas existem e funcionam de forma eficaz. No entanto, os cálculos para essas estruturas mostram uma potência relativamente pequena em comparação com as fontes de energia tradicionais.

O que é notável, esse processo tem caráter de longa duração (pelo menos 1 mês), o que é bastante óbvio. Calcular os parâmetros mais prováveis de velocidade do vento e sua direção mais frequente é impossível com uma ou duas medições.

Será necessário realizar dezenas de medições. No entanto, essa operação é realmente necessária se você deseja construir um sistema eficiente e produtivo.

Como calcular a potência do aerogerador

Os geradores eólicos de uso doméstico, ainda mais os feitos por conta própria, ainda não tiveram a oportunidade de surpreender ninguém com altas potências. E isso é compreensível. Basta imaginar um mastro maciço de 8 a 10 m de altura, equipado com um gerador cujas pás do rotor têm mais de 3 m de envergadura. E essa não é a instalação mais potente. Apenas cerca de 2 kW.

Para a manutenção de aerogeradores dessa potência, são utilizados helicópteros e equipes de especialistas, com até uma dezena de pessoas. Para realizar o cálculo de uma instalação energética como essa, é envolvido um número ainda maior de profissionais.

De modo geral, se nos basearmos na tabela padrão que mostra a relação entre a potência do aerogerador e a envergadura necessária das pás do rotor, há motivos para se surpreender. Segundo a tabela, para um aerogerador de 10 W é necessária uma hélice de dois metros.

Para uma construção de 500 watts, será necessário um rotor de 14 m de diâmetro. Além disso, o parâmetro de envergadura das pás depende do número delas. Quanto mais pás, menor a envergadura.

Mas isso é apenas teoria, condicionada a uma velocidade do vento que não excede 4 m/s. Na prática, tudo é um pouco diferente, e a potência das instalações de uso doméstico que realmente operam por longos períodos nunca ultrapassou 500 W.

Portanto, a escolha da potência aqui geralmente está limitada à faixa de 250–500 W com velocidade média do vento de 6–8 m/s.

Tabela da relação entre a potência do sistema de energia eólica e o diâmetro do rotor de trabalho e o número de pás. Esta tabela pode ser usada para cálculos, mas levando em conta que foi elaborada para parâmetros de velocidade do vento de até 4 m/s (+)

Do ponto de vista teórico, a potência de uma estação de energia eólica é calculada pela fórmula:

N=p*S*V³/2,

onde:

• p – densidade das massas de ar;
• S – área total varrida pelas pás da hélice;
• V – velocidade do fluxo de ar;
• N – potência do fluxo de ar.

Como N é um parâmetro que influencia fundamentalmente a potência do aerogerador, a potência real da instalação estará próxima do valor calculado de N.

Cálculo das pás de instalações eólicas

Na construção de um aerogerador, geralmente são utilizados dois tipos de hélices:

• de pás – rotação no plano horizontal;
• rotor Savonius, rotor Darrieus – rotação no plano vertical.

As construções de hélices com rotação em qualquer um dos planos podem ser calculadas usando a fórmula:

Z= L*W/60/V

onde:

• Z – grau de velocidade específica (lentidão) da hélice;
• L – comprimento da circunferência descrita pelas pás;
• W – velocidade (frequência) de rotação da hélice;
• V – velocidade do fluxo de ar.

Partindo desta fórmula, pode-se calcular facilmente o número de rotações W – a velocidade de rotação.

Assim é a construção da hélice chamada 'Rotor Darrieus'. Esta variante de hélice é considerada eficiente na fabricação de aerogeradores de pequena potência e tamanho. O cálculo da hélice tem algumas particularidades.

E a relação operacional entre rotações e velocidade do vento pode ser encontrada em tabelas disponíveis online. Por exemplo, para uma hélice de duas pás e Z=5, a seguinte relação é válida:

Além disso, um dos parâmetros importantes da hélice do aerogerador é o passo.

Este parâmetro pode ser determinado usando a fórmula:

H=2πR* tg α,

onde:

• 2π – constante (2*3.14);
• R – raio descrito pela pá;
• tg α – ângulo de seção.

Informações adicionais sobre a escolha da forma e número de pás, bem como instruções para sua fabricação, são fornecidas neste artigo.

Seleção de geradores para aerogeradores

Tendo o valor calculado do número de rotações da hélice (W), obtido pelo método descrito acima, já é possível selecionar (fabricar) o gerador correspondente.

Por exemplo, com grau de velocidade específica Z=5, número de pás igual a 2 e frequência de rotação de 330 rpm. Com velocidade do vento de 8 m/s, a potência do gerador deve ser de aproximadamente 300 W.

Gerador de uma instalação eólica 'em corte'. Exemplo ilustrativo de uma das possíveis construções de gerador de um sistema eólico doméstico montado por conta própria.

Com esses parâmetros, uma escolha adequada como gerador para uma usina eólica doméstica pode ser um motor utilizado nas construções de bicicletas elétricas modernas. O nome tradicional da peça é motor de bicicleta elétrica (fabricação na China).

É assim que se parece um motor de bicicleta elétrico, no qual se propõe construir um gerador para um cata-vento doméstico. A estrutura do motor de bicicleta é ideal para implementação praticamente sem cálculos ou modificações. No entanto, sua potência é pequena.

As características do motor de bicicleta elétrico são aproximadamente as seguintes:

A característica positiva dos motores de bicicleta é que praticamente não precisam ser modificados. Eles foram projetados estruturalmente como motores elétricos de baixa rotação e podem ser usados com sucesso em geradores eólicos.

Para fabricar um cata-vento, você pode usar um gerador automotivo ou montar um conjunto de máquina de lavar.

Cálculo e seleção do controlador de carga

O controlador de carga da bateria é necessário para qualquer tipo de instalação de energia eólica, incluindo uma construção doméstica.

O cálculo deste dispositivo se resume à seleção de um circuito elétrico que corresponda aos parâmetros calculados do sistema eólico.

Dentre esses parâmetros, os principais são:

• tensão nominal e máxima do gerador;
• potência máxima possível do gerador;
• corrente de carga máxima possível da bateria;
• tensão da bateria;
• temperatura do ar ambiente;
• nível de umidade do ambiente.

Com base nos parâmetros apresentados, realiza-se a montagem do controlador de carga manualmente ou a seleção de um dispositivo pronto.

Controlador de carga das baterias usadas no sistema de energia eólica. Dispositivo fabricado industrialmente, que ao escolher, basta estudar cuidadosamente as especificações técnicas para corresponder exatamente ao sistema existente.

Claro, é desejável selecionar (ou montar) um dispositivo cujo esquema garanta a função de partida suave em condições de fluxos de ar fracos. Um controlador projetado para operação com baterias de diferentes tensões (12, 24, 48 volts) também é bem-vindo.

Finalmente, ao calcular (selecionar) o esquema do controlador, é recomendável não esquecer a presença de uma função como o controle do inversor.

Seleção da bateria para o sistema

Na prática, são utilizadas baterias de diferentes tipos e quase todas são adequadas para uso em um sistema de energia eólica. Mas, de qualquer forma, será necessário fazer uma escolha específica. Dependendo dos parâmetros do sistema do aerogerador, a seleção da bateria é feita com base na tensão, capacidade e condições de carga.

Os componentes tradicionais para aerogeradores domésticos são as baterias clássicas de chumbo-ácido. Elas apresentaram bons resultados na prática. Além disso, o custo desse tipo de bateria é mais aceitável em comparação com outros tipos.

As baterias de chumbo-ácido são particularmente pouco exigentes quanto às condições de carga/descarga, mas é inadmissível incluí-las no sistema sem um controlador.

Na presença de um controlador de carga profissional no sistema do aerogerador, com um sistema de automação completo, parece racional o uso de baterias do tipo AGM ou de gel.

Conjunto de baterias de um aerogerador doméstico. Não é a melhor opção de operação, considerando o emaranhado de fios e os requisitos de armazenamento. Com esse estado dos acumuladores de energia, não se pode esperar que tenham uma ação duradoura.

Ambos os tipos de acumuladores de energia se caracterizam por maior eficiência e longa vida útil, mas apresentam altos requisitos quanto às condições de carga.

O mesmo se aplica às chamadas baterias 'panzer' de tipo gel. Mas a escolha dessas baterias para um aerogerador doméstico é significativamente limitada pelo preço. No entanto, a vida útil dessas baterias caras é a mais longa em comparação com todos os outros tipos.

Estas baterias também se destacam por um ciclo de carga/descarga mais significativo, mas desde que seja utilizado um carregador de qualidade.

Cálculo do inversor para um aerogerador doméstico

Ressalta-se desde já: se a construção de uma instalação eólica doméstica contiver apenas uma bateria de 12 volts, não faz sentido instalar um inversor nesse sistema.

Em média, a potência consumida por uma residência é de pelo menos 4 kW em cargas de pico. Daí a conclusão: o número de baterias para essa potência deve ser de pelo menos 10 unidades e, de preferência, para 24 volts. Para essa quantidade de baterias, já faz sentido instalar um inversor.

No entanto, para alimentar completamente 10 baterias com 24 V cada e manter sua carga estável, será necessário um gerador eólico de pelo menos 2-3 kW. Obviamente, construções domésticas simples não suportam essa potência.

Inversor de baixa potência (600 W), que pode ser usado para uma pequena instalação de energia doméstica. Com esse equipamento, é possível alimentar uma TV ou um pequeno refrigerador com 220 V. Para lâmpadas de lustre, a corrente já não será suficiente.

No entanto, é possível calcular a potência do inversor da seguinte forma:

1. Somar a potência de todos os consumidores.
2. Determinar o tempo de consumo.
3. Determinar a carga de pico.

Em um exemplo concreto, ficará assim:

Suponhamos que a carga seja composta por eletrodomésticos: 3 lâmpadas de 40 W cada, um televisor de 120 W, um refrigerador compacto de 200 W. Somamos a potência: 3*40+120+200 e obtemos 440 W.

Determinemos a potência dos consumidores para um período médio de 4 horas: 440*4=1760 W. Com base no valor de potência obtido ao longo do tempo, parece lógico selecionar um inversor entre os aparelhos com potência de saída a partir de 2 kW.

Com base nesse valor, calcula-se a característica volt-ampère do aparelho necessário: 2000*0,6=1200 V/A.

Esquema clássico de reprodução e distribuição de energia obtida de um gerador eólico doméstico. Porém, para fornecer energia de longo prazo a tal quantidade de aparelhos, é necessária uma instalação suficientemente potente (+)

Na realidade, a carga de uma residência para uma família de três pessoas, com equipamentos completos de eletrodomésticos, será maior do que a calculada no exemplo. Normalmente, o tempo de conexão da carga também excede as 4 horas consideradas. Consequentemente, será necessário um inversor do sistema eólico mais potente.

O cálculo preliminar do aerogerador será útil não apenas para sua montagem independente. Também é necessário determinar os parâmetros ideais ao escolher um aerogerador pronto.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Como ocorre a análise dos dados iniciais e como as fórmulas são aplicadas, é apresentado no vídeo:

Utilizar os dados calculados é necessário em qualquer caso. Seja uma instalação energética industrial ou uma feita para condições domésticas, o cálculo de cada componente sempre traz máxima eficiência ao dispositivo e, principalmente, segurança na operação.

Os cálculos realizados previamente determinam a viabilidade da implementação do projeto, ajudam a estabelecer o quão custoso ou econômico o projeto se torna.

Você tem experiência em resolver problemas semelhantes? Ou ainda tem dúvidas sobre o tema? Por favor, compartilhe suas habilidades de cálculo e projeto de aerogeradores. Você pode deixar comentários e fazer perguntas no formulário localizado abaixo.