So berechnen Sie einen Windgenerator: Formeln + Praxisbeispiel zur Berechnung

Alternative Energie, gewonnen aus Windkraftanlagen, stößt in der Gesellschaft auf großes Interesse. Dafür gibt es auf der Ebene der realen Haushaltspraxis zahlreiche Bestätigungen.

Besitzer von Landimmobilien bauen Windräder mit eigenen Händen und geben sich mit dem Ergebnis zufrieden, auch wenn die Wirkung manchmal nur von kurzer Dauer ist. Der Grund – bei der Montage wurde die Berechnung des Windgenerators nicht ordnungsgemäß durchgeführt.

Sicherlich möchten Sie nicht, nachdem Sie Zeit und Mittel in die Umsetzung des Projekts investiert haben, eine ineffiziente Anlage erhalten. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie man einen Windgenerator berechnet und nach welchen Parametern die wichtigsten Arbeitskomponenten des Windrades auszuwählen sind.

Diesem Thema widmet sich der Artikel. Der theoretische Teil des Materials wird durch anschauliche Beispiele und praktische Empfehlungen zum Bau einer Windgeneratoranlage ergänzt.

Berechnung der Windgeneratoranlage

Womit soll man bei der Berechnung eines Systems zur Stromerzeugung aus Windenergie beginnen? Angesichts der Tatsache, dass es um einen Windgenerator geht, erscheint eine vorläufige Analyse der Windrose am konkreten Standort logisch.

Diese Berechnungsparameter wie Windgeschwindigkeit und charakteristische Windrichtung für dieses Gebiet sind wichtige Berechnungsparameter. Sie bestimmen maßgeblich, welches Leistungsniveau der Windkraftanlage tatsächlich erreichbar ist.

Windgeneratoren dieser Leistung sind kaum vorstellbar. Aber solche Konstruktionen existieren und arbeiten effizient. Allerdings zeigen Berechnungen solcher Konstruktionen eine relativ geringe Leistung im Vergleich zu traditionellen Energiequellen.

Bemerkenswert ist, dass dieser Prozess langfristig ist (mindestens 1 Monat), was offensichtlich ist. Es ist unmöglich, die wahrscheinlichsten Windgeschwindigkeitsparameter und die häufigste Windrichtung mit nur einer oder zwei Messungen zu berechnen.

Es sind Dutzende von Messungen erforderlich. Dennoch ist dieser Vorgang wirklich notwendig, wenn Sie ein effizientes und produktives System aufbauen möchten.

Berechnung der Windradleistung

Windgeneratoren für den Hausgebrauch, insbesondere selbstgebaute, haben die Leute noch nicht mit hohen Leistungen beeindruckt. Das ist verständlich. Stellen Sie sich nur einen massiven Mast von 8–10 m Höhe vor, ausgestattet mit einem Generator und einer Rotorblattspannweite von über 3 m. Und das ist noch nicht die leistungsstärkste Anlage. Nur etwa 2 kW.

Für die Wartung von Windkraftanlagen dieser Leistung werden Hubschrauber und Fachkräfte-Teams mit bis zu zehn Personen eingesetzt. Für die Berechnung einer solchen Energieanlage werden noch mehr Mitarbeiter herangezogen.

Im Allgemeinen gibt es Grund zur Überraschung, wenn man sich auf eine Standardtabelle stützt, die das Verhältnis zwischen der Leistung eines Windgenerators und der erforderlichen Rotorblattspannweite zeigt. Laut Tabelle ist für eine Windkraftanlage mit 10 W Leistung ein zwei Meter langer Propeller erforderlich.

Für eine 500-Watt-Konstruktion ist bereits ein Propeller mit einem Durchmesser von 14 m erforderlich. Dabei hängt der Parameter der Blattspannweite von deren Anzahl ab. Je mehr Blätter, desto geringer die Spannweite.

Dies ist jedoch nur eine Theorie, die auf einer Windgeschwindigkeit von nicht mehr als 4 m/s basiert. In der Praxis sieht es etwas anders aus, und die Leistung von Haushaltsanlagen, die über einen längeren Zeitraum tatsächlich betrieben werden, hat noch nie 500 W überschritten.

Daher ist die Leistungsauswahl hier normalerweise auf den Bereich 250–500 W bei einer mittleren Windgeschwindigkeit von 6–8 m/s beschränkt.

Tabelle der Abhängigkeit der Leistung eines Windenergiesystems vom Durchmesser des Arbeitsrotors und der Anzahl der Blätter. Diese Tabelle kann für Berechnungen verwendet werden, jedoch unter Berücksichtigung ihrer Erstellung für Windgeschwindigkeiten bis zu 4 m/s (+)

Aus theoretischer Sicht wird die Leistung eines Windenergiesystems nach folgender Formel berechnet:

N=p*S*V³/2,

wobei:

• p – Dichte der Luftmassen;
• S – gesamte überströmte Fläche der Rotorblätter;
• V – Geschwindigkeit des Luftstroms;
• N – die Leistung des Luftstroms.

Da N ein Parameter ist, der die Leistung der Windkraftanlage maßgeblich beeinflusst, wird die tatsächliche Leistung der Anlage nahe am berechneten Wert N liegen.

Berechnung der Rotoren von Windkraftanlagen

Bei der Konstruktion einer Windkraftanlage werden üblicherweise zwei Arten von Rotoren verwendet:

• Flügelrotoren – Rotation in der horizontalen Ebene;
• Savonius-Rotor, Darrieus-Rotor – Rotation in der vertikalen Ebene.

Die Konstruktionen von Rotoren mit Rotation in einer der Ebenen können mit der folgenden Formel berechnet werden:

Z= L*W/60/V

wobei:

• Z – der Grad der Schnellläufigkeit (Langsamläufigkeit) des Rotors;
• L – die Länge des von den Rotorblättern beschriebenen Kreises;
• W – die Drehzahl (Frequenz) des Rotors;
• V – die Geschwindigkeit des Luftstroms.

Ausgehend von dieser Formel lässt sich die Drehzahl W – die Rotationsgeschwindigkeit – leicht berechnen.

So sieht die Rotorkonstruktion mit dem Namen „Darrieus-Rotor“ aus. Diese Variante des Propellers gilt als effektiv bei der Herstellung von Windkraftanlagen kleiner Leistung und Größe. Die Berechnung des Rotors hat einige Besonderheiten.

Das Arbeitsverhältnis von Drehzahl und Windgeschwindigkeit kann man in Tabellen finden, die im Internet verfügbar sind. Beispielsweise gilt für einen Rotor mit zwei Blättern und Z=5 folgendes Verhältnis:

Einer der wichtigen Parameter des Rotors einer Windkraftanlage ist die Steigung.

Dieser Parameter kann mit folgender Formel ermittelt werden:

H=2πR* tg α,

wobei:

• 2π – Konstante (2*3,14);
• R – der vom Rotorblatt beschriebene Radius;
• tg α – der Schnittwinkel.

Weitere Informationen zur Auswahl der Form und Anzahl der Rotorblätter sowie eine Anleitung zu deren Herstellung finden Sie in diesem Artikel.

Auswahl von Generatoren für Windräder

Mit dem berechneten Wert der Drehzahl des Rotors (W), der nach dem oben beschriebenen Verfahren ermittelt wurde, kann man den entsprechenden Generator auswählen (herstellen).

Zum Beispiel: bei einem Schnellläufigkeitsgrad Z=5, einer Blattanzahl von 2 und einer Drehzahl von 330 U/min. Bei einer Windgeschwindigkeit von 8 m/s sollte die Generatorleistung etwa 300 W betragen.

Generator einer Windkraftanlage „im Schnitt“. Ein anschauliches Exemplar einer möglichen Generator-Konstruktion für eine selbst gebaute häusliche Windkraftanlage.

Bei diesen Parametern kann ein Motor, der in modernen Elektrofahrrädern verwendet wird, eine geeignete Wahl als Generator für eine private Windkraftanlage sein. Die traditionelle Bezeichnung des Teils ist E-Bike-Motor (hergestellt in der VR China).

So sieht ein elektrischer Fahrradmotor aus, auf dessen Basis empfohlen wird, einen Generator für eine Hauswindkraftanlage zu bauen. Die Konstruktion des Fahrradmotors eignet sich ideal für die Integration, praktisch ohne Berechnungen oder Nacharbeiten. Allerdings ist ihre Leistung gering.

Die Spezifikationen des elektrischen Fahrradmotors sind ungefähr wie folgt:

Ein positiver Aspekt von Fahrradmotoren ist, dass sie praktisch nicht umgebaut werden müssen. Sie waren konstruktiv als Niedriggeschwindigkeits-Elektromotoren konzipiert und können erfolgreich für Windgeneratoren eingesetzt werden.

Zur Herstellung eines Windrads können Sie einen Autogenerator verwenden oder ein Aggregat aus einer Waschmaschine zusammenbauen.

Berechnung und Auswahl des Ladereglers

Ein Laderegler für die Batterie ist für jede Art von Windenergieanlage erforderlich, einschließlich einer Hausanlage.

Die Berechnung dieses Geräts läuft auf die Auswahl einer elektrischen Schaltung hinaus, die den berechneten Parametern des Windkraftsystems entspricht.

Von diesen Parametern sind die wichtigsten:

• Nenn- und Maximallspannung des Generators;
• maximal mögliche Leistung des Generators;
• maximal möglicher Ladestrom der Batterie;
• Spannung an der Batterie;
• Umgebungslufttemperatur;
• Umgebungsfeuchtigkeitsniveau.

Basierend auf den angegebenen Parametern erfolgt der Zusammenbau eines Ladereglers mit eigenen Händen oder die Auswahl eines fertigen Geräts.

Laderegler für die in der Windenergieanlage verwendeten Batterien. Ein industriell gefertigtes Gerät, bei dessen Auswahl lediglich die technischen Daten sorgfältig studiert werden müssen, um eine genaue Abstimmung mit dem vorhandenen System zu gewährleisten.

Natürlich ist es wünschenswert, ein Gerät auszuwählen (oder zusammenzustellen), dessen Schaltung eine Sanftanlauffunktion bei schwachen Luftströmungen ermöglicht. Ein Controller, der für den Betrieb mit Batterien verschiedener Spannungen (12, 24, 48 Volt) ausgelegt ist, ist ebenfalls sehr zu empfehlen.

Schließlich wird bei der Berechnung (Auswahl) der Controllerschaltung empfohlen, das Vorhandensein einer Funktion wie der Wechselrichtersteuerung nicht zu vergessen.

Auswahl der Batterie für das System

In der Praxis werden Akkumulatoren unterschiedlicher Art verwendet, und fast alle sind für den Einsatz in einem Windenergiesystem gut geeignet. Eine konkrete Wahl muss jedoch in jedem Fall getroffen werden. Abhängig von den Parametern der Windkraftanlage erfolgt die Auswahl des Akkumulators nach Spannung, Kapazität und Ladebedingungen.

Traditionelle Komponenten für Hauswindkraftanlagen sind klassische Blei-Säure-Akkumulatoren. Sie haben in der Praxis gute Ergebnisse gezeigt. Darüber hinaus sind die Kosten dieses Batterietyps im Vergleich zu anderen Arten günstiger.

Blei-Säure-Akkumulatoren sind besonders unempfindlich gegenüber Lade-/Entladebedingungen, aber es ist nicht zulässig, sie ohne Regler in das System einzubeziehen.

Wenn die Windkraftanlage über einen professionell ausgeführten Laderegler mit einem vollwertigen Automatisierungssystem verfügt, erscheint die Verwendung von Akkumulatoren vom Typ AGM oder Gel-Batterien als sinnvoll.

Der Akkumulatorblock eines Hauswindgenerators. Nicht die beste Betriebsvariante, angesichts des Kabelsalats und der Lagerungsanforderungen. Bei einem solchen Zustand der Energiespeicher kann man nicht mit einer langfristigen Funktion rechnen.

Beide Arten von Energiespeichern zeichnen sich durch höhere Effizienz und lange Lebensdauer aus, stellen jedoch hohe Anforderungen an die Ladebedingungen.

Dasselbe gilt für die sogenannten Panzer-Gel-Akkumulatoren. Die Auswahl dieser Akkumulatoren für die Hauswindkraftanlage wird jedoch durch den Preis erheblich eingeschränkt. Dennoch ist die Lebensdauer dieser teuren Batterien im Vergleich zu allen anderen Arten am längsten.

Diese Akkus zeichnen sich zudem durch einen höheren Lade-/Entladezyklus aus, jedoch nur unter der Voraussetzung, dass ein hochwertiges Ladegerät verwendet wird.

Berechnung des Wechselrichters für ein Hauswindrad

Es sei gleich vorweg gesagt: Wenn die Konstruktion einer privaten Windkraftanlage nur eine 12-Volt-Batterie enthält, ist es völlig sinnlos, einen Wechselrichter in ein solches System einzubauen.

Im Durchschnitt beträgt der Stromverbrauch eines Haushalts bei Spitzenlast mindestens 4 kW. Daraus folgt: Die Anzahl der Akkus für eine solche Leistung sollte mindestens 10 Stück betragen, vorzugsweise mit einer Spannung von 24 Volt. Bei einer solchen Anzahl von Akkus ist es sinnvoll, einen Wechselrichter zu installieren.

Um jedoch 10 Akkus mit einer Spannung von jeweils 24 V vollständig mit Energie zu versorgen und ihre Ladung stabil zu halten, ist eine Windkraftanlage mit einer Leistung von mindestens 2-3 kW erforderlich. Offensichtlich können einfache Haushaltskonstruktionen eine solche Leistung nicht erbringen.

Ein Wechselrichter mit geringer Leistung (600 W), der für eine kleine private Energieanlage verwendet werden kann. Mit einem solchen Gerät können Fernseher oder ein kleiner Kühlschrank mit 220 Volt Spannung versorgt werden. Für die Lampen im Kronleuchter reicht der Strom dann nicht mehr.

Dennoch kann die Leistung des Wechselrichters wie folgt berechnet werden:

1. Die Leistung aller Verbraucher summieren.
2. Die Verbrauchszeit ermitteln.
3. Die Spitzenlast bestimmen.

An einem konkreten Beispiel sieht das so aus.

Angenommen, als Last gibt es Haushaltsgeräte: 3 Leuchten zu je 40 W, ein Fernsehgerät mit 120 W, ein Kompaktkühlschrank mit 200 W. Wir summieren die Leistung: 3*40+120+200 und erhalten 440 W.

Wir ermitteln die Leistung der Verbraucher für einen durchschnittlichen Zeitraum von 4 Stunden: 440*4=1760 W. Ausgehend von diesem Leistungswert über die Zeit erscheint es logisch, einen Wechselrichter mit einer Ausgangsleistung von mindestens 2 kW auszuwählen.

Auf der Grundlage dieses Wertes wird die Volt-Ampere-Kennlinie des erforderlichen Geräts berechnet: 2000*0,6=1200 V/A.

Klassisches Schema zur Erzeugung und Verteilung der Energie, die von einem Windgenerator für den Haushalt gewonnen wird. Um jedoch eine solche Anzahl von Geräten dauerhaft mit Energie zu versorgen, ist eine ausreichend leistungsstarke Anlage erforderlich (+).

Tatsächlich wird die Last eines Haushalts mit einer dreiköpfigen Familie, der vollständig mit Haushaltsgeräten ausgestattet ist, höher sein als im Beispiel berechnet. Auch die Anschlussdauer der Last überschreitet in der Regel die angenommenen 4 Stunden. Dementsprechend wird ein leistungsstärkerer Wechselrichter für das Windenergiesystem benötigt.

Eine vorläufige Berechnung des Windrads ist nicht nur für den eigenen Zusammenbau nützlich. Die optimalen Parameter müssen auch bei der Auswahl eines fertigen Windgenerators festgelegt werden.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Wie die Analyse der Ausgangsdaten erfolgt und wie die Formeln angewendet werden, wird im Video gezeigt:

Die Verwendung der berechneten Daten ist in jedem Fall erforderlich. Ob es sich um eine industrielle Energieanlage oder eine für den Hausgebrauch gefertigte handelt, die Berechnung jeder Komponente führt stets zu maximaler Effizienz des Geräts und vor allem zu Betriebssicherheit.

Die im Vorfeld durchgeführten Berechnungen bestimmen die Zweckmäßigkeit der Projektdurchführung und helfen festzustellen, wie kostspielig oder wirtschaftlich das Projekt ausfällt.

Haben Sie Erfahrung bei der Lösung solcher Aufgaben? Oder haben Sie noch Fragen zum Thema? Bitte teilen Sie Ihre Kenntnisse zur Berechnung und Konstruktion eines Windgenerators mit. Sie können Kommentare hinterlassen und Fragen im untenstehenden Formular stellen.