如何计算风力涡轮机：公式+实际计算示例

型号选择

一套风力发电机、逆变器、桅杆、SHAVRA（自动转换开关柜）的成本直接取决于功率和效率。

最大功率千瓦	转子直径 m	桅杆高度 米	额定速度m/s	电压 周二
0,55	2,5	6	8	24
2,6	3,2	9	9	120
6,5	6,4	12	10	240
11,2	8	12	10	240
22	10	18	12	360

如您所见，为了为庄园提供全部或部分电力，需要使用大功率发电机，而您自己安装这些发电机是很成问题的。无论如何，高额的资本投资和借助特殊设备安装桅杆的需求显着降低了风能系统供私人使用的普及率。

有便携式低功率风力涡轮机，您可以随身携带。这些模型结构紧凑，可快速安装在地面上，不需要特别照顾，并为在大自然中舒适的消遣提供足够的能量。

而这样的机型虽然最大功率只有450W，但这足以照亮整个露营地，让远离文明的家用电器成为可能。

对于中小型企业而言，安装多个发电风电场可以显着节省能源成本。许多欧洲公司都从事此类产品的生产。

这些是复杂的工程系统，需要预防性维护和维护，但它们的额定功率足以满足整个生产的需求。例如，在美国最大的风电场德克萨斯州，只有 420 台这样的发电机每年可发电 735 兆瓦。

安装风力涡轮机的利弊

该设备与太阳能电池板一样，属于替代能源类别。但是，与需要阳光的光伏电池不同，风力涡轮机可以一年 365 天、一天 24 小时高效运行。

优点	缺陷
任何地方的免费能源	设备价格
生态能源	安装费用
能源独立于国家及其关税	服务费用。
独立于阳光	取决于风速

为了平衡所有这些优点和缺点，他们经常制作一堆：带有太阳能电池板的风力发电机。这些装置相互补充，从而减少了发电对太阳和风的依赖。

风力发电机功率计算

在大多数情况下，安装风电场的可行性过程将取决于特定区域的平均风速。风力涡轮机的安装是合理的，最小风力为每秒四米。在风速为每秒 9 到 12 米的情况下，风力涡轮机将以最大速度运行。

卧式风力发电机

此外，此类装置的功率还取决于所用叶片的表面和转子装置的直径尺寸。在给定区域已知平均风速的情况下，可以选择使用特定螺旋桨尺寸的所需发电机。

计算按公式：P \u003d 2D * 3V / 7000 kW，其中P为功率，D为螺杆装置的直径尺寸，V等参数表示风力，单位为米/秒.但这个公式只适用于卧式风力发电机。

可替代能源

风荷载也可以带来好处，例如，通过在风力涡轮机中转换风力。因此，在风速 V = 10 m/s，圆直径为 1 米的情况下，风车的叶片 d = 1.13 m，可产生约 200-250 W 的有用功率。消耗如此大量能量的电动犁将能够在一小时内在个人土地上耕种约五十（50平方米）的土地。

如果应用大尺寸的风力发电机——最高可达3米，平均气流速度为5米/秒，可以获得1-1.5千瓦的功率，完全可以为一个小乡间别墅提供免费的电力。随着所谓“绿色”关税的推出，设备的投资回收期将缩短至3-7年，未来可带来净利润。

风力涡轮机螺旋桨的计算

在设计风车时，通常使用两种类型的螺钉：

1. 在水平面上旋转（叶片）。
2. 垂直平面内的旋转（Savonius 转子、Darrieus 转子）。

可以使用以下公式计算在任何平面上旋转的螺杆设计：

Z=长*宽/60/V

对于这个公式： Z 是螺旋桨的速度（低速）程度； L是叶片所描述的圆的长度大小； W是螺旋桨的转速（频率）； V 是空气流量。

这是名为“Rotor Darier”的螺杆的设计。该版本的螺旋桨被认为在制造小功率和尺寸的风力涡轮机方面是有效的。螺杆的计算有一些特点

根据这个公式，你可以很容易地计算出转数W——旋转的速度。并且可以在网络上可用的表格中找到转数和风速的工作比。例如，对于具有两个叶片且 Z=5 的螺旋桨，以下关系成立：

刀片数量	速度等级	风速 m/s
2	5	330

另外，风车螺旋桨的重要指标之一就是螺距。该参数可以使用以下公式确定：

H=2πR*tgα

这里：2π是一个常数（2*3.14）； R是叶片描述的半径； tg α 为截面角。

风力发电机功率计算

自制风车也需要初步计算。没有人愿意花时间和材料来制造谁知道什么，他们想提前了解安装的能力和预期功率。实践表明，期望和现实之间的相关性很差，基于近似估计或未经准确计算支持的假设创建的装置会产生较弱的结果。

因此，通常采用简化计算方法，得到的结果足够接近真实，不需要使用大量数据。

计算公式

为了 必须进行风力发电机的计算 以下行动：

• 确定您家的电力需求。为此，有必要计算所有设备、设备、照明和其他消费者的总功率。结果量将显示为房屋供电所需的能量。
• 结果值必须增加 15-20%，以便有一些动力储备以防万一。毫无疑问，需要这种储备。相反，它可能会被证明是不够的，尽管在大多数情况下，能量不会被充分利用。
• 知道所需的功率，可以估计可以使用或制造哪台发电机来解决任务。使用风车的最终结果取决于发电机的能力，如果它们不能满足房屋的需求，那么您将不得不更换设备或构建额外的套件
• 风力涡轮机计算。实际上，这一刻是整个过程中最艰难、最有争议的时刻。使用确定流动功率的公式

例如，考虑一个简单期权的计算。公式如下所示：

P=k R V³ S/2

其中 P 为流动功率。

K 是风能利用系数（本质上接近效率的值），取值在 0.2-0.5 之间。

R是空气密度。它有不同的值，为简单起见，我们取 1.2 kg/m3。

V 是风速。

S为风轮的覆盖面积（被旋转叶片覆盖）。

我们考虑：风轮半径为 1 m，风速为 4 m/s

P = 0.3 x 1.2 x 64 x 1.57 = 36.2 W

结果表明，功率流为 36 瓦。这个很小，但是米叶轮太小了。实际使用的风轮叶片跨度为3-4米，否则性能太低。

考虑什么

在计算风车时，应考虑转子的设计特点。叶轮有立式和卧式两种，具有不同的效率和性能。水平结构被认为是最有效的，但它们需要高安装点。

确保足够的叶轮功率来旋转发电机转子也同样重要。具有刚性转子的设备可以获得良好的能量输出，需要在轴上提供相当大的动力，这只能由具有大面积和叶片直径的叶轮提供。

同样重要的一点是旋转源——风的参数。在进行计算之前，您应该尽可能多地了解给定区域的强度和盛行风向。考虑到飓风或狂风的可能性，找出它们发生的频率。流量的意外增加对于风车的破坏和转换电子设备的故障是危险的。

现成的垂直定向风力发电机

人们对风力涡轮机重新产生了兴趣，尤其是在最近几年。有更方便实用的新型号。

直到最近，主要使用具有三个叶片的水平风力涡轮机。由于风轮轴承上的重载，垂直视图没有扩展，结果增加了摩擦力，吸收了能量。

但是由于使用了磁悬浮原理，钕磁铁上的风力发电机开始精确垂直定向，并具有明显的自由惯性旋转。目前，它已被证明比水平更有效。

由于磁悬浮原理，实现了轻松启动。并且由于多极在低速时提供额定电压，因此可以完全放弃齿轮箱。

有些设备在风速只有每秒一厘米半的时候就可以开始工作，而当风速只有每秒三四米的时候，就已经可以和设备的发电量相等了。

风电场的回报

对于以销售电力为目的（即作为工业生产）而创建的风力发电厂来说，回报问题看起来更成功一些。产品的销售 - 电流 - 可以让您偿还购买、操作和维修风车的成本。同时，实际结果并不总是看起来很出色。因此，世界上现存最大的风力发电厂，拥有大量能源，盈利能力极低，其中一些被认为是不可持续的。

造成这种情况的原因在于设备成本，使用寿命和综合体性能的不幸比例。简而言之，在涡轮机的使用寿命期间，没有时间产生足够的能量来证明其购买和维护成本的合理性。

这种情况是大多数风电场的典型情况。如果我们纯粹从经济上讲，能源的不稳定性，设计的低效率，总的来说形成了低利润的生产。在提高盈利能力的机会中，最有效的是：

• 提高生产力
• 降低运营成本

考虑到俄罗斯气象的特殊性，一个有希望的方法是增加站内风力涡轮机的数量，但降低其功率。事实证明，这个系统有很多优点：

• 当大型模型无法启动时，单个风车能够在微风中发电
• 设备采购和维护成本降低
• 单个单元的故障不会给整个工厂造成严重问题
• 降低调试和运输成本

最后一点对于我国来说尤为重要，因为风力发电厂的安装地点在偏远或山区，结构的交付和组装问题非常尖锐。

另一种提高盈利能力的方法是使用垂直结构。在世界实践中，这种选择被认为是低产的，适合为个人消费者提供能源——私人住宅、照明、水泵等。

哪种风力涡轮机效率最高

水平的	垂直的
这种类型的设备最受欢迎，其中涡轮机的旋转轴线与地面平行。这种风力涡轮机通常被称为风车，其中叶片逆风转动。该设备的设计包括一个用于自动滚动头部的系统。需要找到风流。还需要一个装置来转动叶片，这样即使是很小的力也可以用来发电。 在工业企业中使用这种设备比在日常生活中更合适。在实践中，它们更常用于创建风电场系统。	这种类型的设备在实践中不太有效。涡轮叶片的旋转平行于地球表面进行，与风的强度及其矢量无关。流动的方向也无关紧要，只要有任何影响，旋转元件都会逆着它滚动。结果，风力发电机损失了部分功率，从而导致整个设备的能源效率下降。但在安装和维护方面，叶片垂直排列的单元更适合家庭使用。 这是因为变速箱组件和发电机安装在地面上。这种设备的缺点包括昂贵的安装和严重的运行成本。安装发电机需要足够的空间。因此，在小型私人农场中使用垂直设备更合适。

双刃	三叶	多刀片
这种类型的单位的特点是存在两个旋转元素。这个选项在今天实际上效率低下，但由于其可靠性而相当普遍。	这种类型的设备是最常见的。三叶机组不仅用于农业和工业，还用于私人家庭。这种类型的设备因其可靠性和效率而广受欢迎。	后者可以有 50 个或更多的旋转元素。为了确保产生所需的电量，不必滚动叶片本身，而是将它们带到所需的转数。每个额外的旋转元件的存在提供了风轮总阻力参数的增加。结果，设备在所需转数下的输出将是有问题的。 配备有多个叶片的旋转木马装置以很小的风力开始旋转。但是，如果滚动的事实发挥作用，例如，当需要抽水时，它们的使用就更重要了。为有效保证大量能源的生产，不采用多叶片机组。对于它们的操作，需要安装齿轮装置。这不仅使整个设备的整体设计复杂化，而且与两叶和三叶的设备相比，它的可靠性也较低。

带硬刀片	帆船单位
由于旋转部件的生产成本高，这种装置的成本较高。但与航海设备相比，刚性叶片的发电机更可靠，使用寿命更长。由于空气中含有灰尘和沙子，因此旋转元件承受高负荷。当设备在稳定的条件下运行时，需要每年更换叶片末端的防腐膜。没有这个，随着时间的推移，旋转元件开始失去其工作特性。	这种类型的刀片在生产方面更简单，并且比金属或玻璃纤维便宜。但是，制造方面的节省可能会在未来导致严重的成本。风轮直径为三米，当设备转数约为每分钟600转时，叶尖的速度可达500公里/小时。即使对于刚性部件，这也是一个严重的负载。实践表明，航行设备上的旋转元件必须经常更换，尤其是在风力很大的情况下。

根据回转机构的类型，所有单元可分为以下几种类型：

• 正交 Darier 设备；
• 带有 Savonius 旋转组件的装置；
• 具有单元垂直轴向设计的设备；
• 具有螺旋型旋转机构的设备。

风速

无论您是打算购买现成的发电机还是自己建造，风速都将是决定装置功率的最重要参数之一。

首先，每种类型的风力涡轮机都有自己的初始速度。对于大多数安装，这是 2-3 m/s。如果风速低于这个阈值，发电机将根本不工作，因此也会产生电力。

除了初始速度外，还有一个标称速度，在该初始速度下，风力发电机达到其额定功率。对于每种型号，制造商会分别标明该数字。

但是，如果速度高于初始速度，但低于标称速度，则发电量将显着降低。为了不被断电，您应该首先关注您所在地区的平均风速并直接关注您的站点。您可以通过查看风图或查看您所在城市的天气预报（通常指示风速）来找出第一个指标。

理想情况下，第二个数字应该在风力涡轮机将站立的地方直接用特殊仪器测量。毕竟，你的房子既可以在山上，那里的风速会更高，也可以在低地，那里几乎没有风。

在这种情况下，那些经常遭受飓风阵风的人处于更好的位置，并且可以指望更高的风力涡轮机性能。

什么是风荷载

沿地球表面的气团流动以不同的速度发生。撞到任何障碍物时，风的动能转化为压力，产生风荷载。任何逆流而行的人都能感受到这种努力。产生的负载取决于几个因素：

• 风速，
• 空气射流的密度， - 在高湿度下，空气的比重分别变大，传递的能量增加，
• 静止物体的形状。

在后一种情况下，指向不同方向的力作用于建筑结构的各个部分，例如：

风车发电机的选择

有了通过上述方法获得的螺旋桨转数（W）的计算值，就可以选择（制造）合适的发电机。例如，转速 Z = 5 时，叶片数为 2，转速为 330 rpm。风速为 8 m/s 时，发电机功率应约为 300 瓦。

风力发电厂的发电机“在上下文中”。由我自己组装的家用风力发电系统发电机的可能设计之一的示例副本

这就是电动自行车电机的样子，在此基础上，有人提议为家用风车制造发电机。自行车电机的设计非常适合在很少或不需要计算和修改的情况下实施。然而，他们的力量很低。

电动自行车电机的特点大致如下：

范围	价值观
电压，V	24
功率，W	250-300
旋转频率，rpm	200-250
扭矩，牛米	25

自行车电机的一个积极特点是它们实际上不需要重做。它们在结构上被开发为低速电动机，可成功用于风力涡轮机。

如何切割刀片

沿着从 叶根 注意刀片半径的尺寸 - 在绿色列的“刀片半径”列中。根据这些尺寸，在叶片根部的左侧和右侧的线上放置点。向左看，如果从叶片根部向尖端看，将会有 Rear mm 图案的坐标，而线条的右侧，则是 Front mm 图案的坐标。连接点后，您就有了刀片，通常用钢锯的刀片或电动拼图切割出刀片。

将叶片连接到轮毂的孔严格沿叶片中心线制作，该中心线在一开始就画在管道上，如果移动孔，叶片将与风呈不同角度并失去所有它的品质。 刀刃 有必要加工，磨圆刀片的前部，磨尖后部，并修圆刀片的尖端，以免发出啸叫声和噪音。 Excel 电子表格在计算中已经考虑了边缘处理，如下图所示。
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我希望您能更清楚地了解如何使用该板以及如何为发电机选择螺丝。比如我当然选择了参数不合适的发电机，因为12v电池的充电开始太早了，24v和48v结果会不一样，功率会更高，但你不能描述所有的例子。

最重要的是要明白原理，比如选择一个螺旋桨，一个速度下功率好，这并不代表实际会有，如果发电机过早加载螺旋桨，就达不到它的速度并不会产生应在较低速度下的功率，尽管风将被计算甚至更高。 刀片定制 达到一定的速度，并以它们的速度从风中获取最大的功率。

装置及工作原理

风力发电机在风力的帮助下工作。该设备的设计必须包括以下要素：

• 涡轮叶片或螺旋桨；
• 涡轮;
• 发电机；
• 发电机的轴线；
• 逆变器，其功能是将交流电转换为直流电；
• 旋转叶片的机构；
• 使涡轮旋转的机构；
• 电池;
• 桅杆；
• 旋转运动控制器；
• 阻尼器；
• 风传感器；
• 风传感器柄；
• 贡多拉等元素。

工业单元有电源柜、防雷装置、旋转机构、可靠的基础、灭火装置和电信。

风力发电机是将风能转化为电能的装置。现代骨料的先驱是用谷物生产面粉的磨坊。但是，发电机的连接方案和工作原理并没有太大变化。

1. 由于风力，叶片开始旋转，其扭矩传递到发电机轴。
2. 转子的旋转产生三相交流电。
3. 通过控制器，交流电被发送到电池。为了使风力发电机稳定运行，电池是必需的。如果有风，该装置会为电池充电。
4. 为了抵御飓风，风力发电系统具有使风轮远离风的元件。这是通过折叠尾巴或用电动制动器制动车轮来实现的。
5. 要给电池充电，您需要安装控制器。后者的功能包括监控电池的充电情况以防止其击穿。如有必要，该设备可以将多余的能量倾倒到镇流器中。
6. 电池具有恒定的低电压，但它必须以 220 伏的电压到达消费者手中。出于这个原因，逆变器安装在风力涡轮机中。后者能够将交流电转换为直流电，将其强度提高到 220 伏。如果没有安装逆变器，则只需要使用那些专为低压设计的设备。
7. 转换后的电流被发送给消费者，为加热电池、房间照明和家用电器供电。

旧概念的新理由

现代发展应该显着提高风力涡轮机效率的毫无根据的假设根本没有根据。现代水平模型的效率达到其理论 Bentz 极限的 75%（效率约为 45%）。毕竟，调节风力涡轮机效率的物理学部分是流体动力学，其定律从被发现的那一刻起就一成不变。

一些设计师正试图通过增加叶片的数量来提高效率，使它们变得更薄。您可以增加它们的长度，由于扫过区域的增长，这会产生更大的效果。

但是，仍然需要在风速减慢和剩余风速之间保持平衡。

还有另一个方向 - 通过使风速穿过扩散器来增加风速。但是流体动力学充满了已经发现的沿着阻力最小的路径绕过障碍物的流动效应。

有或多或少成功的大锥角 DAWT 模型，但这些“欺骗风”的尝试并没有像宣传的那样提高效率。

最成功的现代风力涡轮机是带有 Darrieus 叶片的垂直模型，安装在磁悬浮推力轴承 (MAGLEV) 上。它们几乎无声地工作，开始以低于 1 m / s 的风速旋转，并能承受高达 200 km / h 的强阵风。正是在这种替代能源的基础上，形成一个私有的独立能源系统是最有利可图的。

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过程值

如果你忽视空气流动负荷的计算，正如他们所说，你可以把整个事情毁在萌芽状态，危及人们的生命。

如果建筑物墙壁上的雪压力通常没有困难 - 这种负载可以看到，可以称重，甚至可以触摸 - 那么一切都会因风而变得复杂得多。它是不可见的，很难直观地预测它。是的，当然，风对支撑结构有一些影响，在某些情况下甚至可能是破坏性的：它会扭曲广告横幅，压倒栅栏和墙框，并撕毁屋顶。但是如何预测和考虑这种力量呢？真的可以计算吗？

屈服！然而，这是一项沉闷的工作，非专业人士不喜欢计算风荷载。对此有一个明确的解释：计算的意义是一件非常负责任和困难的事情，比雪荷载计算要复杂得多。如果专门为此专门设计的合资企业中的雪荷载只有两页半，那么风荷载的计算量是三倍！另外，它被分配了一个强制性应用程序，它们被放置在 19 页上，指示空气动力学系数。

如果俄罗斯公民仍然对此感到幸运，那么对于白俄罗斯居民来说，这将更加困难 - 规范标准和计算的文档 TKP_EN_1991-1-4-2O09“风效应”有 120 页！

按照欧洲规范 (EN_1991-1-4-2O09) 的规模建造私人风效结构，很少有人愿意在家里处理一杯茶。建议有专业兴趣的人下载并彻底研究，并有专家顾问在身边。否则，由于错误的方法和理解，计算的后果可能是灾难性的。

风电利用系数

应该注意的是，对于风力涡轮机，有一个特定的效率指标 - KIEV（风能利用系数）。它表示通过工作部分的气流有多少百分比直接影响风车的叶片。或者，更科学的说，它表示的是设备轴上接收到的功率与作用在叶轮风面上的流量的功率之比。因此，KIEV 是一种特定的、仅适用于风力涡轮机的效率类似物。

迄今为止，KIEV 的数值从原来的 10-15%（旧风车指标）增加到了 356-40%。这是由于风车设计的改进以及新的、更有效的材料和技术细节的出现，以及有助于减少摩擦损失或其他微妙影响的组件。

理论研究确定风能的最大利用系数为0.593。

总结以上内容：风力涡轮机是否有利可图？

上述结果清楚地证明了购买和启动风力发电机成本的回报。特别是从：

• 由于通货膨胀，一千瓦的成本不断增长。
• 使用风车时，该物体变为非易失性。
• 借助不间断电源系统，可以在天气平静的情况下积累和储存发电的“盈余”。
• 许多远离集中供电网络的物体被迫在没有电的情况下存在，因为它们的连接是无利可图的。

因此，风力发电机是有利可图的。为没有电源的能源密集型消费者购买它在经济上是可行的。城外的酒店、农业农场或畜牧企业、小屋定居点——无论如何，连接替代电力来源的成本是合理的。在制造商的建议的指导下，只需选择合适的风车型号并进行安装即可。设备的功率应与您所在地区的平均风速相对应。您可以使用特殊的风图或根据当地气象站指定它。

请注意：对于中国制造商的风力涡轮机，设备的额定功率是根据地面 50-70% 的风速计算得出的。在这样的高度安装风车是有问题的

太高的桅杆价格昂贵，而且它的强度有严格的要求。此外，在指定高度，阵风会形成强涡流。它们不仅会减慢风力发电机的运行速度，还会导致叶片断裂。解决方案是将设备安装在 30-35m 的高度，这将提供强风通道，但会防止风车损坏。