Различные виды и типы ветрогенераторов, каков принцип их работы

Содержание
  1. Что такое ветрогенератор
  2. Виды
  3. Горизонтальные конструкции, их особенности, достоинства и недостатки
  4. Вертикальные ветряки
  5. Принцип работы
  6. Преимущества и недостатки
  7. Особенности и принцип работы
  8. Как работает и включается в сеть ветрогенератор
  9. Общая характеристика
  10. Ортогональные ветрогенераторы
  11. Генераторы с ротором Дарье
  12. Принцип работы
  13. Устройство конструкции
  14. Генераторы с ротором Савониуса
  15. История создания
  16. Немного физики
  17. Принцип работы ротора Савониуса
  18. Сфера применения
  19. Генераторы на многолопастном роторе с направляющим аппаратом
  20. Генераторы с геликоидным ротором
  21. Необычные конструкции ветрогенераторов
  22. Устройство на водяных каплях
  23. Дизайнерский ветрогенератор revolution air
  24. Парусный ветряк
  25. Конструкция Третьякова
  26. Летающий ветрогенератор-крыло
  27. Какая конструкция лучше
  28. Выбор размера ветряка
  29. Существует несколько формул
  30. Компоненты устройства
  31. Место установки ветрогенератора
  32. Аккумуляторные батареи для ветряков
  33. Преимущества и недостатки механизмов с вертикальной осью
  34. Плюсы вертикальной оси
  35. Минусы
  36. Какой ветрогенератор самый большой
  37. Технические характеристики
  38. Какие аналоги существуют, их рабочие параметры
  39. Срок окупаемости и расчет экономии
  40. Когда стоит покупать ветряк
  41. Какие ветряки выбирать
  42. Как защитить ветряк от ураганного ветра?
  43. Вертикальный ветрогенератор своими руками
  44. Изготовление турбины
  45. Изготовление ротора
  46. Изготовление статора
  47. Кронштейн статора
  48. Генератор. Окончательная сборка
  49. Рекомендации по изготовлению лопастей
  50. Обустройство штатного оборудования
  51. Токоприемник и подвижное соединение
  52. Аккумуляторно – конверторное оборудование

Что такое ветрогенератор

Ветрогенератор — это механическое устройство, предназначенное для выработки (генерирования) электрического тока. Поток ветра вращает рабочее колесо, взаимодействуя с его лопастями. Вращение передается на генератор, который начинает вырабатывать электрический ток. Такова схема действия ветрогенератора. На практике все намного сложнее, так как возникает масса трудностей технического и эксплуатационного характера, но в целом возможности этих устройств сильно недооценены.

Россия считается энергоизбыточной страной, имеющей большое количество мощных электростанций, но, тем не менее, имеются районы, где сетевого электричества нет до сих пор. Использование энергии ветра для выработки энергии для подобных районов является хорошей альтернативой, позволяющей решить вопрос если не полностью, то в достаточной степени.

Количество полученной энергии прямо пропорционально мощности генератора и скорости вращения ветряка, что позволяет в теории использовать несколько устройств для получения необходимого количества электроэнергии. Практика пока недостаточно иллюстрирует ситуацию, так как на сегодня для сбора статистических данных не имеется достаточного количества генераторов. Поэтому приходится пока довольствоваться расчетными данными, которые в большинстве случаев подтверждаются на практике.

Существуют две основные разновидности ветрогенераторов:

  • с горизонтальной осью вращения. Они считаются наиболее эффективными, имеют больший КПД и дают неплохие результаты при пользовании
  • с вертикальной осью вращения. Эти устройства менее эффективны, но обладают рядом специфических качеств, делающих их не менее востребованными среди подобных агрегатов

Виды

Основное деление осуществляется по конструктивной особенности:

  • ветрогенератор с горизонтальной осью вращения основного ротора;
  • механизм с вертикальной осью вращения.

В этой статье будут рассмотрены устройства с вертикальной осью вращения основного ротора.

Горизонтальные конструкции, их особенности, достоинства и недостатки

Горизонтальные устройства имеют более высокую эффективность, поскольку энергия потока усваивается ими намного полнее. Все горизонтальные ветряки созданы практически по одной конструктивной схеме, есть некоторые отличия лишь в строении ротора. К недостаткам этой группы можно отнести необходимость настройки на ветер, которая хоть и производится автоматически, но требует наличия дополнительного шарнирного соединения, обеспечивающего вращение устройства вокруг вертикальной оси.

Кроме того, для горизонтальных устройств важно наличие высокой опоры — мачты, обеспечивающей оптимальный режим контакта с потоками ветра. Специфика работы требует наличия защиты от ураганного ветра, которая при увеличении силы потока отводит ротор от ветра, вследствие чего частота вращения резко падает.

Вертикальные ветряки

Общее устройство вертикальной конструкции состоит из нескольких узлов:

  1. Колесо с лопастями, — основной ротор, воспринимающий силу воздушного потока. Назначение – преобразование кинематической энергии ветра в механическую, путём создания крутящего момента на валу.
  2. Редуктор, — синхронизирует вращательное движение и создаёт определённую скорость вращения вала генератора.
  3. Генератор, — устройство, вырабатывающее электрический ток посредством преобразования крутящего момента в магнитное поле и создания в проводке разности напряжений.
  4. Аккумуляторная батарея, — накапливает и выдаёт постоянный ток величиной около 12 Вольт.
  5. Инвертор, — устройство, предназначенное для преобразования постоянного тока в переменный со значением 220 Вольт.
На самом деле, электрическая часть более сложная, и включает блок управления, стабилизации, соединения с несколькими потребителями.

Принцип работы

Движущийся с определённой скоростью воздушный поток встречает на своём пути препятствие в виде лопасти ветрогенератора. Ударяясь о поверхность, ветер создаёт на ней давление, под воздействием которого, ротор начинает вращаться и передаёт через редуктор на генератор крутящий момент. Последний начинает вырабатывать электрический ток.

Далее, электроэнергия поступает на контроллер, преобразовывается в постоянный ток и отправляется на подзарядку аккумуляторных батарей. Они, в свою очередь, транслируют поток электричества к потребителю через инвертор. Это устройство, потребляя ток постоянных величин, выдаёт переменное напряжение в 220 Вольт.

Преимущества и недостатки

Достоинства:

  1. Малые начальные значения скорости ветра для начала движения ротора ветрогенератора. Для отдельных моделей эти показатели начинаются с 0,3м/сек. Но следует учитывать, что реальная отдача от ветряка начнётся при движении воздушного потока со скоростью не менее 3–5м/сек. Номинальная мощность генератора будет при скоростных показателях, находящихся в диапазоне 10–18 м/сек.
  2. Не зависит от направления движения воздушного потока, — конструкция вертикального ветряка способна улавливать ветер под любыми углами атаки ветра.
  3. Вертикальный ветрогенератор обладает низким звуковым фоном, — значения, в отличие от горизонтальных конструкций, редко превышают порог в 18–20Дб. Кроме этого, отсутствуют частоты близкие к нижнему порогу, — так называемый инфразвук, который негативно сказывается на здоровье человека. Отсюда следует, что монтаж установок возможен непосредственно рядом с жильём людей.
  4. Выработка электромагнитного излучения минимальна и не ощущается окружающими. Конструкция не создаёт опасных и разрушительных вибраций.
  5. Вертикальный ветрогенератор не опасен для птиц, в силу того, что он воспринимается ими как единое препятствие, которое надо обогнуть. Для горизонтального устройства, — опасность для пернатых представляют движущиеся лопасти, которые птицы не ассоциируют с препятствием и поэтому сталкиваются с ними.
  6. Ветряк на вертикальной оси, благодаря своей конструкции, не требует принудительных механизмов для запуска, — движение ротора начинается при достижении воздушным потоком минимальных значений давления.
  7. Работает при любых климатических условиях, может противостоять сильным порывам ветра, вплоть до ураганных значений.
  8. Устройство просто в эксплуатации, — несложная система управления и малые текущие расходы, необходимые для поддержания рабочего состояния, делают этот тип ветряка привлекательным для частного использования.

Недостатки:

  1. Коэффициент эффективного преобразования ветрового потока у вертикальной конструкции в 2–2,5 раза ниже по сравнению с горизонтальным устройством.
  2. Вертикальный ветрогенератор обладает большей материалоёмкостью, нежели конструкции, выполненные по другим схемам.
  3. С определённого значения мощности, некоторые конструкции сильно увеличиваются в размерах, что негативно сказывается на планировке полезной площади участка.

Особенности и принцип работы

Ветрогенератор вертикальной оси вращения в действии

Преимущества вертикального ветрогенератора достаточно весомые:

  • Главной особенностью данного устройства является то, что для него абсолютно неважно направление ветра.
  • Он устанавливается на достаточно низкой высоте, что не требует наличия специальных приспособлений для обслуживания, а сам процесс является безопасным.
  • Вертикальные ветрогенераторы имеют только одну ось вращения без передаточных механизмов, а значит, в эксплуатации будут намного надежнее, чем горизонтальные аналоги.
  • Эти приборы имеют солидный уровень КПД, благодаря форме ротора и лопастей.

Совет! Небольшие модели бытового назначения приводятся в действие очень слабым порывом ветра – от 1,5 метра в секунду, что еще больше увеличивает КПД установки.

  • Генератор не издает никаких звуков, так что мешать жизни людей вокруг не будет. Более того прибор никак не влияет на экологию, не создавая выбросов в атмосферу.
  • Устройство будет служить долгие годы, нуждаясь лишь в периодической ревизии основных механических узлов (особенно важно следить за состоянием подшипников). Ремонт устройства также выполняется достаточно просто

Как работает и включается в сеть ветрогенератор

Ветрогенераторы вертикально-осевые парусные

В основу работы синхрофазотрона… простите, ветрогенератора, положен принцип магнитной левитации. Суть его заключается в том, что во время вращения образуется подъемная и импульсная силы, благодаря которым ротор начинает вращаться, плюс сила фактического торможения.

В результате вращения ротора образуется магнитное поле, которое индуктирует ЭДС в обмотке якоря генератора, в результате чего появляется ток.

  • Конструкция является полностью механической и автономной, поэтому не требует в свою работу вмешательства человека. Естественно, сам генератор оснащается дополнительными устройствами, благодаря которым получаемая энергия делается подходящей для использования в домашних сетях.
Ветрогенераторы вертикаль требуют наличие контроллера, который сделает вырабатываемый ток постоянным
  • Ни в коем случае нельзя подключать электроприборы напрямую к выводам генератора, так как это устройство в разных режимах работы будет выдавать ток разной силы и частоты.
  • После самого генератора в схему включается контроллер, который контролирует (простите за тавтологию), уровень заряда аккумулятора. На фото выше показано устройство такого типа. Как видим, на корпусе имеется 4 клеммы, к которым подключаются выходы самого генератора, аккумулятора и балласт.
  • Что есть балласт? Думаем, многие в курсе, что аккумуляторные батареи крайне не рекомендуется перезаряжать, иначе начинает закипать электролит, создается давление внутри, и устройство может под эффектный салют выйти из строя. Поэтому, как только напряжение на аккумуляторе поднимается до 14-15 вольт, что свидетельствует о его полной зарядке, питание прекращается.
  • Аккумулятор отключен, энергии идти больше некуда, ну, допустим, дома никого нет, и электричество никакие приборы не потребляют, а на улице поднялся хороший ветер, и генератор продолжает интенсивно вращаться. Что произойдет?
Ветрогенератор с вертикальным ротором
  • Если на ветрогенераторе не будет нагрузки, его вращение не будет испытывать никакого сопротивления. Лопасти раскручиваются слишком сильно, из-за чего возрастает ветровая нагрузка и возникает неприятный шум. В определенных ситуациях конструкция может попросту не выдержать и, помахав вам ручкой, улететь без обещания вернуться.
  • Следующий момент – это то, что напряжение на генераторе без нагрузки при таком интенсивном вращении может доходить до 60-80 вольт, при номинале в 12. Транзисторы контроллера в среднем рассчитаны на напряжение в 40 В — как понимаете, подобный скачок приведет к моментальному их выходу из строя.
  • Чтобы такого не происходило и используется балласт – запасная нагрузка, создаваемая резистором, лампами или тэном.

Совет! Если применить тэн, то энергия не будет уходить впустую – можно предусмотреть конструкцию, при которой, к примеру, будет нагреваться вода.

Схема подключения ветрогенератора
  • Потребляемая мощность балластом должна соответствовать максимальному показателю, который способен выдать ветрогенератор.
  • Если у приобретенного вами контроллера нет клемм для подключения балластной нагрузки, то значит, это устройство будет работать по иному принципу. Как только аккумулятор будет полностью заряжен, контроллер замкнет фазы ветрогенератора, который в результате этого остановит свое вращение. Блокировка будет держаться до тех пор, пока уровень напряжения в батарее не упадет до 13,5 вольт, после чего цикл повторится.
  • Данные устройства устанавливают только на маломощные генераторы.
  • Перед контроллером в цепи обязательно ставится диодный мост – простейшее устройство из четырех полупроводников, которое будет выпрямлять поступающий ток. Многие устройства имеют выпрямитель внутри корпуса, поэтому при подключении обязательно изучается инструкция.
Чтобы не остаться в безветренную погоду без электричества требуются аккумуляторы с хорошей емкостью
  • Итак, далее в цепи идет аккумуляторная батарея. Подойдет, в принципе любая на 12 вольт, так что за покупкой можно отправиться в магазин автозапчастей.
  • Как вы понимаете, использование ветровых генераторов, вовсе не означает, что электрическая энергия будет бесплатной. Во-первых, учтите стоимость самого устройства и оборудования для него – если вы не радиотехник, то потратиться, однозначно придется. Во-вторых, любой аккумулятор имеет определенный ресурс работы – в среднем 4-5 лет при условиях интенсивной эксплуатации.
  • Аккумулятор хорошей емкости будет вам обходиться около 5-10 тысяч рублей (цена на 2018 год). То есть, даже если убрать затраты на установку и запуск оборудования, вам придется платить от 80 до 160 рублей в месяц, не считая затрат на возможные ремонты оборудования.
  • При этом регион, в котором вы живете должен быть действительно ветренным, чтобы все затраты окупались. В общем, решать о целесообразности подобного приобретения только вам, мы же лишь знакомим вас с фактами.
Инвертор в цепи также необходим
  • Если от ветрогенератора вы планируете запитывать бытовые электроприборы, работающие от стандартных 220 вольт, вам понадобится инвертор, который будет постоянный ток преобразовывать в переменный
  • Из дополнительного оборудования хотелось бы выделить АВР (автоматический переключатель источника питания). Данное устройство в автоматическом режиме будет выполнять переключение питания при выключении ветрогенератора на общественную сеть или аварийный источник питания.

Общая характеристика

Данные механизмы наделены рядом существенных особенностей перед ветряками с горизонтальной осью. У них нет как таковых узлов под ориентирование на ветровой поток. Это заметно уменьшает все гидроскопические нагрузки. Из-за своего строения, при абсолютно любом направлении ветра, конструкция располагается в абсолютно произвольном положении.

Ввиду чего, она более проста в своём исполнении. В подобных механизмах возникновение вращения создаёт подъемная сила лопастей, а также силы сопротивления.

Виды механизмов с вертикальной осью вращения:

  1. Ортогональная конструкция.
  2. Механизм Дарье.
  3. Механизм Савониуса.
  4. Конструкция на многолопастном роторе с направляющим аппаратом.
  5. Генератор с геликоидной конструкцией.

Ортогональные ветрогенераторы

Подобный генератор имеет в своём составе не одну лопасть. Лопасти расположены параллельно оси и находятся от нее на определенном расстоянии.

Рассматриваемый механизм считается наиболее эффективным и функциональным. Если же говорить о некоторых недостатках такого генератора, то при его работе создается определённый шумовой эффект. Кроме того, на поддержку его функционирования затрачивается немало усилий. При этом у конструкции, как правило, небольшой срок действия опорных узлов ввиду больших динамических нагрузок.

Генераторы с ротором Дарье

Следует отдать должное данному механизму – ему присуща большая мощность и быстроходность. Кроме того, у ротора довольно низкая себестоимость. К недостаткам можно отнести невысокую эффективность. При этом данная конструкция не в состоянии запускаться самостоятельно при равномерном набегающем потоке.

Принцип работы

Ветровая турбина Дарье работает по тому же принципу, что и любое другое устройство этого типа. Работа основана на принципе вращения лопастей вокруг оси. Кинетическая или внутренняя энергия рабочего тела (газа или жидкости) преобразуется в механическую работу. У ротора Дарье ось вращения расположена перпендикулярно потоку источника энергии. Поскольку турбина приспособлена для использования альтернативных источников энергии, в роли рабочего тела выступает ветер.

Принцип работы конструкции ротора Дарье основан на разности аэродинамических показаний. Благодаря этому обеспечивается вращение лопастей механизма. После того как образовалась циркуляция потоков воздуха, устройство начинает вращаться бесперебойно.

На каждое крыло по отдельности воздействует сила подъема относительно воздушного потока. Показатели этой силы зависят от угла, который образовывается между лопастью и величиной скорости потока ветра. Момент силы, который образуется в момент запуска, носит переменный характер, а не постоянный. Вихреобразование ротора Дарье имеет определенную цикличность, которая связана с движением лопастей. Для создания подъемной силы, которая обеспечивает работу механизма, нужно обеспечить бесперебойное и непрерывное движение крыльев.

Устройство конструкции

Конструкция ротора проста. Трое аэродинамических крыльев закреплены на радиальных балках. Существуют три типа турбины Дарье:

  • Классический. Лопасти имеют форму полумесяца. Их размер достаточно большой — почти сравним с длиной основной оси. Основание имеет прочный устойчивый полукруглый фундамент.
  • Тип Н. Три крыла, имеющие прямую форму и расположенные относительно горизонтальных опор под прямым углом, находятся на верхнем отсеке конструкции. Опоры крепятся к несущей оси. Достоинства этой конструкции — быстроходность, высокая эффективность, полное отсутствие инфразвука. Ротор Н-образного типа прост в сборке и ремонте, надежней классической ветровой турбины Дарье, дешевле — и поэтому распространен в применении.
  • Винтообразный тип. Лопасти изготовлены в виде изогнутых спиралей. Они также расположены на верхнем отсеке несущей оси вращения. Благодаря закрученной форме крыльев, вращение ротора происходит равномернее. Благодаря этому нагрузка на несущие узлы снижается, а срок службы механизма увеличивается.

Для обеспечения работы бытовых электростанций чаще всего используется ротор Савониуса Дарье. Такое название носит ветровая турбина, совмещенная с ротором Савониуса, который выступает в роли стартёра (устройства запуска). Комбинированная конструкция отличается большей мощностью и производительностью по сравнению с «чистыми» типами. Область применения механизма не ограничивается только электростанциями — он может быть совмещен с теплогенератором и быть использован в системе теплоснабжения. А еще такой гибрид соединяют с насосами и применяют для закачки и откачки воды.

Каждый из трех типов имеет свои недостатки. Классическая ветровая установка обладает меньшей эффективностью. Установке с ротором Дарье необходимы генераторы. Самостоятельно она запускаться и раскручиваться не может. При сильных, ураганных порывах ветра механизм может начать функционировать самостоятельно, при этом процесс трудно поддается контролю.

Устройство Н-образного типа легкое в эксплуатации, но быстро изнашивается из-за больших аэродинамических нагрузок. Спиральный ветрогенератор за счет своей конструкции надежней, но технология его изготовления сложна, поэтому он стоит дорого.

Неоспоримое достоинство ротора всех видов — отсутствие зависимости от силы и направления ветрового потока. Допустимо расположение на прилегающей территории иных сооружений, что облегчает проведение ремонтных работ.

Генераторы с ротором Савониуса

Этот вид генератора имеет довольно широкое использование для качественного функционирования бытовых электростанций. По своей конструкции подобный ротор является ветроколесом с несколькими полуцилиндрами, которые непрерывно вращаются вокруг своей оси.

Основное преимущество ротора состоит в следующем: ветроколесо постоянно вращается в одну и ту же сторону и абсолютно не зависит от направления ветрового потока. Недостаток же подобного ветрогенератора в низком коэффициенте использования энергии ветрового потока.

История создания

Сигурд Йоханнес Савониус (1884 – 1931) – изобретатель из Финляндии, получил известность благодаря работам по физике, связанным с изучением энергии ветра. За свою жизнь получил несколько патентов, которые применяются не только для создания ветрогенераторов, но и в судостроении, а также в системах вентиляции современных железнодорожных вагонов и автобусов.

Другой изобретатель из Германии – Антон Флеттнер (1888 – 1861) в начале прошлого века придумал альтернативу классическому парусу, создав, так называемый, ротор Флеттнера. Суть изобретения сводилась к следующему: вращающийся цилиндр, обдуваемый ветром, получал направленную в горизонтальном направлении силу, превышающую в 50 раз силу воздушного потока. Благодаря этому открытию было построено несколько морских судов, использующих для движения силу ветра. В отличие от обычных парусников, эти суда не были полностью энергонезависимыми. Для вращения ротора нужны были двигатели.

Размышляя над парусом Флеттнера, Савониус пришел к выводу, что для его вращения можно также применить энергию ветра. В 1926 году он разработал и запатентовал конструкцию открытого цилиндра с противоположно направленными лопастями внутри.

Немного физики

Для начала немного теории. Каждый замечал, что при езде на велосипеде воздух создает значительное сопротивление движению. И чем больше скорость, тем выше эта величина. Вторым фактором, влияющим на сопротивление, является площадь сечения тела, на которое воздействует воздушный поток. Но есть еще третья величина, которая связана с геометрией тела. Именно ее стараются снизить проектировщики автомобильных кузовов, когда речь заходит об аэродинамике.

Для примера можно сказать, что три пластины с одинаковой площадью сечения, но имеющие разные формы: вогнутую, прямую и выпуклую, будут иметь сильно отличающийся коэффициент сопротивления. У выпуклой формы он будет 0,34, у прямой – 1,1, у вогнутой – 1,33. Именно вогнутая форма была взята для лопастей ротора Савониуса. Она признана наиболее эффективно принимающей энергию ветра.

Принцип работы ротора Савониуса

В отличие от паруса Флеттнера, Савониус предложил разделить цилиндр на две половины и сместить их друг относительно друга, чтобы получились лопасти и пространство между ними. Сутью идеи Савониуса было то, что поток воздуха, бьющий в одну лопасть, не просто уходил после этого в сторону, но, проходя через осевой промежуток, перенаправлялся на вторую лопасть, что значительно усиливало эффект ветра.

Такой принцип действия позволяет ротору Савониуса работать даже при слабом ветре.

Существует несколько вариантов профиля:

  1. Лопасти закреплены на оси таким образом, что между ними не остается воздушного промежутка. Это самый простой вариант из многочисленных описаний ротора Савониуса.
  2. Основание одной лопасти заведено внутрь основания другой. По линии оси остается значительный промежуток. Этот вариант позволяет ветру от одной половины ротора переходить на другую. Более эффективный профиль.
  3. То же, что и во втором варианте, только площадь сечения лопастей увеличена за счет добавления прямой пластины на внутренней части.

Сфера применения

В 60 годах прошлого столетия роторы Савониуса применялись в вентиляционных системах железнодорожного транспорта. Они устанавливались на крышах вагонов. Во время движения ротор начинал раскручиваться и перекачивать воздух с улицы внутрь помещения. Подобные системы устанавливались и на автобусах.

Сегодня основное применение ротор находит в ветрогенераторах с вертикальной осью. Существует целый ряд подобных конструкций, которые объединяет два фактора:

  • вертикальная ось вращения;
  • неприхотливость к направлению ветрового потока.

Помимо вертикальных ветрогенераторов есть устройства с горизонтальной осью. Их отличает большая отдача при одинаковой силе ветра. Конструктивно они напоминают лопасти самолетных винтов, расположенных на горизонтальной оси и имеющих направляющий хвост для выравнивания по ветру.

Генераторы на многолопастном роторе с направляющим аппаратом

Этот вид генератора считается самым функциональным из вертикальных роторов. Подобная производительность достигается путём использования дополнительного ряда лопастей. Один из рядов забирает на себя ветровой поток и затем подает его на второй ряд лопастей. При этом сжимается сам поток.

Данное преобразование приводит к показательному увеличению скорости потока, а также мощности ротора в целом. За счет этого повышается производительность системы. Происходит это ввиду использования значительно большего количества лопастей конструкции.

Генераторы с геликоидным ротором

Конструкция с подобной системой наделена гораздо более спокойным роторным вращением. Подобное характерное преимущество уменьшает нагрузку на опорные узлы. В результате значительно увеличивается срок действия механизма. При этом стоимость ротора довольно немалая ввиду непростой технологии его производства.

Необычные конструкции ветрогенераторов

Среди широкого ряда конструкций ветряков встречаются устройства весьма специфического вида. При этом, они полностью функциональны и выполняют свою работу на достаточно высоком уровне (для опытных или пилотных образцов). Некоторые конструкции совершенно выбиваются из общего ряда и обладают уникальными свойствами, другие намного ближе к традиционным формам. Рассмотрим их поближе:

Устройство на водяных каплях

Из необычных ветрогенераторов этот — самый необычный. Он не похож ни на одну известную конструкцию. Он даже не имеет вращающихся частей. Представляет собой раму, внутри которой расположены горизонтально трубки с водой. На поверхности трубок имеются сопла, из которых выпускаются капли воды, заряженной положительно при помощи электродов, находящихся внутри трубок. При порыве ветра капли попадают на противоположные электроды, изменяя их заряд, что вызывает возникновение электрического тока в системе.

Дизайнерский ветрогенератор revolution air

Этот ветрогенератор создан, по сути, с декоративными целями. Его свойства таковы, что пользоваться им как полноценным устройством вряд ли получится. Для запуска ему нужна скорость потока от 14 м/сек, а при минимальной цене в 2500 евро такие характеристики нельзя рассматривать как нормальные рабочие параметры. Устройство имеет оригинальный внешний вид, хотя, по сути, является переосмысленным в художественном смысле вариантом ветрогенератора ортогонального типа.

Парусный ветряк

Еще одна оригинальная конструкция ветряка, имеющего весьма широкие лопасти. Они изготовлены в виде рам, на которые натягивается плотное полотно, образующее парус. Такая конструкция способствует получению больших лопастей при малом весе.

Имеется также конструкция, где парус создает давление на систему поршней без вращения. Большая площадь позволяет эффективно использовать полученную энергию ветра, но имеется опасность выхода из строя мачты ветряка при сильном порыве. Конструкция практически не шумит, не имеет движущихся частей, что увеличивает срок службы и снижает расходы на обслуживание устройства.

Конструкция Третьякова

Ротор ветрогенератора Третьякова имеет довольно сложную конструкцию, хотя, по сути, он является разновидностью ротора с диффузором. Устройство имеет вертикальный ротор-крыльчатку. Вокруг нее располагается подвижный воздухоприемник со стабилизатором, автоматически устанавливающим конструкцию по ветру. Воздухоприемник имеет также ряд направляющих, организующих поступление потока в нужном направлении.

Воздух, попадая внутрь корпуса, обходит рабочее колесо снизу и направляется к лопаткам. Такой сложный путь потока способствует получению правильного направления струи и отсутствию противодействующего контакта с обратными сторонами лопастей. Ротор способен начинать вращение при ветре от 1,4 м/сек, что очень ценно в условиях нашей страны, не отличающейся сильными и ровными ветрами.

Летающий ветрогенератор-крыло

Идея создания такой конструкции опирается на тот факт, что на высоте потоки ветра более активны и имеют большие скорости. Разработчики используют приспособление, напоминающее гигантский воздушный змей, который поднимается на большую высоту и летает по заранее задуманной траектории, вырабатывая электрический ток. Устройство позволяет отказаться от создания высоких мачт, поднимать ветряк на большие высоты и обеспечивать максимально возможные скорости ветра.

Внимание! Большинство необычных разработок до сих пор не запущено в массовое производство. Причиной этого стали относительно невысокие показатели, которые демонстрируют конструкции, и сложности в осуществлении некоторых операций эксплуатационного характера (например, запуск ветряка-крыла).

Какая конструкция лучше



Существует несколько принципиально разных конструкций вертикальных ветрогенераторов, каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками.

  1. Ветряк Савониуса – полукруглые лопасти

    Ротор Савониуса. Модель такого вертикального ветряка включает в себя две или более лопасти, выполненные в форме полукруга. При этом давление, оказываемое на «открытую» часть круга значительно превышает то, которое воздействует на противоположную сторону. Конструкция достаточно проста в изготовлении, поэтому пользуется наибольшей популярностью среди самодельных вертикальных ветрогенераторов. Недостатки:

    • Большая «парусность». Воздействие ветра кренит всю конструкцию, создавая напряжение в оси и выводя из строя подшипник, на котором вращается весь ротор.
    • Конструкция не способна начать вращаться самостоятельно при наличии двух или трех лопастей, поэтому два таких ротора необходимо закреплять на одной оси одну под другой под углом в 90°
  2. На ортогональный ротор устанавливают дополнительные статические экраны для увеличения производительности

    Ротор Дарье или ортогональный. Существует множество модификаций такого вертикального ветрогенератора, но принцип работы остается неизменным. Вращение происходит за счет крылообразной формы лопасти генератора. При воздействии потока воздуха создается подъемная сила, за счет которой и вращается ось. Недостатки:

    • Низкая, даже по меркам ветрогенераторов, эффективность.
    • Скорость ветра для полной раскрутки такого генератора должна быть не менее 4 м/с. При этом до набора полной скорости вращения такого ротора, нагрузку к ветряку подключать нельзя – остановится.
    • Шумность. Если в остальных моделях шум издают только подвижные части (подшипники), то вертикальный ветрогенератор такого типа шумит лопастями. Очень сильно.
    • Из-за вибрации быстро выводит из строя подшипники и все несущие элементы конструкции.
  3. Геликоидный ротор имеет сложную конструкцию

    Геликоидный ротор. Этот вертикальный ветрогенератор имеет замысловатую форму, но по – сути это ортогональный ветрогенератор с вертикальной осью, только лопасти у него закручены вдоль несущей оси, что значительно повышает срок службы всей конструкции, т.к. обеспечивает равномерную нагрузку на подшипник и мачту со всех сторон. Недостатки:

    • Сложность в изготовлении, отсюда высокая стоимость вертикального ветряка.
  4. Многолопастной ветряк

    Многолопастной вертикальный ветрогенератор. Если рассматривать только коммерческие образцы – этот тип ротора является наиболее производительным и дает наименьшую нагрузку на несущие детали. Внутри такого вертикального ветряка содержится дополнительный ряд статичных лопастей, которые направляют поток воздуха таким образом, чтобы максимально увеличить эффективность ротора. Недостатки:

    • Высокая стоимость устройства из-за большого количества деталей.

Выбор размера ветряка

Подбирать размер этой установки нужно исходя из желаемого количества электроэнергии и скорости ветра, а также его плотности, в вашем регионе. Сразу нужно уточнить что расчет мощности будет производится для ветрогенератора заводского изготовления, не сделанного своими руками из подручных деталей.

Количество необходимой электроэнергии вы можете постучать по счетам за последний год или взять произвольное (желаемое) количество.

Скорость и плотность ветра можно найти в сети, например на сайте метеослужбы. Указывать какие то цифры в этой статье я не будут, так как регионов много и климат очень быстро меняется в последние годы.

Существует несколько формул

1. Самая простая и понятная среднестатистическому человеку, однако полученные данные могут иметь определенную погрешность. По ней можно рассчитать кинетический ветрогенератор с горизонтальным валом:

AEO = 1.64 * D*D * V*V*V

Где:

  • AEO — электроэнергия, которую вы хотите получить за год.
  • D — диаметр ротора, который обозначается в метрах.
  • V — среднегодовая скорость ветра, обозначается в м/сек.

2. Более сложная формула, которую используют для своих расчетов компании, занимающиеся продажей и установкой такого оборудования на профессиональном уровне.

P = V3 * ρ * S

Где:

  • V – скорость ветра в метрах в секунду.
  • ρ – плотность воздуха, единица измерения – кг/м3
  • S – площадь лопастей, на которую дует воздушный поток, единица измерения – м2 (нужно смотреть по тех. описанию производителя).
  • P – Количество кВт, которое можно получить.

Пример расчета P = 53 * 1,25 * 33 = 5156 Вт

Таким образом мы получили 5 квт и теперь умножим эту цифру на КПД (40%), получим реальную выработку генератора.

Эффективность выработки электроэнергии напрямую зависит от диаметра лопастей ротора, посмотреть примерную производительность можно по таблице ниже.

В этой таблице указаны примерные данные, которые можно получить в зависимости от диаметра ротора, высоты установки ветрогенератора и скорости ветра.

Максимальная вырабатываемая мощность, кВт Диаметр ротора, м Высота мачты, м Скорость ветра м/с
0,55 2,5 6 8
2,6 3,2 9 9
6,5 6,4 12 10
11,2 8 12 10
22 10 18 12

3. В случаи с вертикальным ротором (осью) расчеты необходимо производить по другой формуле.

P=0.6*S*V^3

Где:

  • P– мощность Ватт
  • S– рабочая площадь лопастей кв.м.
  • V^3– Скорость ветра в кубе м/с

Более сложная, но более точная формула

P*= krV 3S/2, [В т].

Где:

  • r — плотность воздуха,
  • V — скорость потока в м/с.
  • S — площадь потока в квадратных метрах
  • k — коэффициент эффективности турбины ветрогенератора в значении 0,2-0,5

При выборе ветряки необходимо смотреть на рекомендуемую производителем скорость ветра. Как правило, установки для частного использования, имеют такой диапазон: 2-11 М в секунду.

Компоненты устройства

Очень важно при покупке домашних ветроэлектростанций знать её компоненты, это вам даст возможность быть более компетентными в этом вопросе и подобрать наилучшую модель для своего дома.

В состав ветряной электростанции входит:

  1. Ротор с лопастями (в зависимости от модели, ветрогенераторы делятся на двухлопастные, трёхлопастные и многолопастные).
  2. Редуктор, проще говоря, коробка передач. Его задача заключается в регулировании скорости между ротором и генератором.
  3. Защитный кожух — его название говорит само за себя, он предназначен для защиты всех составляющих деталей ветряной электростанции от внешнего воздействия.
  4. «Хвост» ветряной установки — нужен для поворота конструкции по направлению ветра.
  5. Аккумуляторная батарея – её основной целью является накопление электроэнергии. Связано с тем, что погодные условия не всегда благоприятны для ветряной электростанции, а с помощью этой составляющей сохраняется определённый запас энергии.
  6. Инверторная установка – предназначена для преобразования постоянного тока в переменный. Это нужно для обеспечения работы домашних электроприборов.

Место установки ветрогенератора

Для монтажа ветрогенератора потребуется открытая площадка, не имеющая вблизи препятствий, способных закрыть устройство от ветровых потоков. Высота подъема мачты над уровнем грунта может быть относительно мала, около 3 метров. Примечательно, что с точки зрения эффективности контакта лопастей с ветром, подъем устройства на большую высоту мало влияет на рост производительности генератора, так как поднять ротор на значительную высоту нереально, а изменения в 2-3 метра никаких существенных выгод не приносят.

При этом, необходимо помнить о длине кабеля и его сопротивлении. Большая длина вызовет падение напряжения и потребует значительных расходов на дорогостоящий кабель, поэтому слишком большого удаления от дома делать не рекомендуется, так же, как и чрезмерно приближать ветряк. Вибрации и шум от вращающегося ротора будут очень докучать жителям дома, вызовут нарушения сна и потребуют перемены места установки устройства.

Аккумуляторные батареи для ветряков

Большие промышленные ветротурбины могут передавать энергию напрямую в сеть, минуя всякие аккумуляторы.

А вот вы без них обойтись никак не сможете. Без АКБ не будет работать ни телевизор, ни холодильник. Даже освещение будет светить урывками, в зависимости от порывов ветра.

При этом за 12-15 лет работы генератора, вы обязаны будете сменить 3-4 комплекта АКБ, тем самым вдвое увеличив свои начальные расходы. Причем мы берем чуть ли не идеальный вариант, когда аккумуляторы будут разряжаться не больше половины от своей емкости.

Конечно вы можете купить дешевые модели АКБ, но затраты от этого не станут меньше. Просто поход в магазин за новыми батареями будет осуществлен не 4 раза, а уже 8.

Преимущества и недостатки механизмов с вертикальной осью

К преимуществам относится:

  1. Отсутствие, как таковой, дополнительной необходимости в затратах на специальное оборудование, действие которого было бы направлено на определение направления дуновения ветра и направляло генератор навстречу потоку воздуха;
  2. Малое количество подвижных деталей, вследствие чего затраты на производство и последующий ремонт довольно незначительны;
  3. Конструкция подобного ротора ниже и при обслуживании его не возникает необходимость в наличие специальных подъемников для размещения обслуживающего персонала на высоте;
  4. На высокую эффективность ротора не оказывает абсолютно никакого влияния ни угол, ни скорость направления потока ветра.
Тем не менее, необходимо уточнить тот факт, что постоянно проводятся дальнейшие всевозможные исследования, направленные на увеличение функциональности подобного вида ветряков. Происходит это ввиду того, что роторы с вертикальной осью имеют и свои определённые недостатки.

К ним относится:

  1. Довольно большой объем лопастей системы;
  2. КПД подобного ветряка приблизительно в три раза меньше, чем КПД механизма с горизонтальной осью.

Плюсы вертикальной оси

Положительные качества всех вертикальных ветрогенераторов:

  1. Не направляются по ветру, работают при любой его направленности.
  2. В отличие от ветрогенераторов с горизонтальной осью, имеет только одну ось вращения, следовательно бо́льший срок службы.
  3. Возможна установка на небольшой высоте – от 1,5м, в зависимости от модели.
  4. Все важные подвижные элементы находятся в нижней части генератора, что позволяет удобно его обслуживать.

    Важно. При необходимости вал ротора увеличивается до необходимой длины для удобства доступа к статору, без существенной потери КПД.

  5. Возможность собрать действующий ветрогенератор своими руками из подручных материалов.
  6. Благодаря возможности создания жесткой конструкции с несколькими точками опоры, вертикальные ветрогенераторы работают при бо́льшей максимальной скорости ветра.
  7. Более высокая устойчивость к разрушающему воздействию ветра.
  8. В этих ветряках возможно создание собственной циркуляции воздуха, за счет чего образуется быстроходный эффект, когда линейная скорость лопастей в 20 и более раз превышает скорость ветра.

Минусы

  1. Громоздкость конструкции. Самые легкие вертикальные ветряки весят не менее 300 кг вместе со стойкой.
  2. Низкая эффективность по сравнению с горизонтальным.
  3. Шумность. Ветряк издает шум от лопастей во время работы.

Какой ветрогенератор самый большой

Самым большим ветрогенератором в мире на сегодняшний день считается детище немецких инженеров из Гамбурга Энеркон Е-126. Запуск первой турбины был осуществлен в Германии в 2007 году, неподалеку от Эмдена. Мощность ветряка составляла 6 Мвт, что на тот момент являлось максимумом, но уже в 2009 году была произведена частичная реконструкция, в результате которой мощность возросла до 7, 58 Мвт, что вывело турбину в мировые лидеры.

Это достижение было весьма значимым и поставило ветровую энергетику в ряд полноценных лидеров в мире. Отношение к ней изменилось, из разряда довольно робких попыток получить серьезные результаты отрасль перешла в категорию крупных производителей энергии, заставляя подсчитывать экономический эффект и перспективы ветроэнергетики в ближайшее время.

Пальму первенства перехватила MHI Vestas Offshore Wind, чьи турбины имеют заявленную мощность 9 Мвт. Установка первой такой турбины была закончена в конце 2016 года с рабочей мощностью 8 Мвт, но уже в 2017 году был зафиксирован 24-часовой режим работы на мощности в 9 Мвт, полученной на турбине Vestas V-164.

Такие ветряки имеют поистине колоссальные размеры и устанавливаются, чаще всего, на шельфе западного побережья Европы и в Великобритании, хотя отдельные экземпляры имеются и на Балтике. Объединенные в систему, такие ветрогенераторы создают суммарную мощность в 400-500 Мвт, составляя значительную конкуренцию гидроэлектростанциям.

Установка подобных турбин производится в местах с преобладанием достаточно сильных и ровных ветров, и таким условиям в максимальной степени соответствует морское побережье. Отсутствие естественных преград для ветра, постоянный и стабильный поток позволяют организовать наиболее благоприятный режим функционирования генераторов, повышая их эффективность до наиболее высоких значений.

Технические характеристики

Размеры таких турбин впечатляют:

  • размах лопастей — 154 м (длина одной лопасти у турбины Vestas V-164 составляет 80 м)
  • высота конструкции — 220 м (при вертикально поднятой вверх лопасти), у Энеркон Е-126 высота от земли до оси вращения 135 м
  • число оборотов ротора в минуту — от 5 до 11,7 в номинальном режиме
  • общий вес турбины составляет около 6000 т, в т.ч. фундамент — 2500 т, опорная (несущая) башня — 2800 т, остальное — вес генераторной гондолы и ротора с лопастями
  • скорость ветра, при которой происходит запуск вращения лопастей — 3-4 м/с
  • критическая скорость ветра, при которой производится остановка ротора — 25 м/с
  • количество производимой энергии в год (планируемое) — 18 млн кВт

Необходимо учитывать, что мощность этих сооружений нельзя рассматривать как нечто постоянное и неизменное. Она целиком зависит от скорости и направления ветра, который существует по своим законам. Поэтому общая выработка энергии намного меньше, чем максимальные значения, полученные для определения возможностей турбин. И, тем не менее, крупные комплексы (ветропарки), состоящие из десятков турбин, объединенных в единую систему, способны обеспечивать электроэнергией потребителей в масштабах достаточно большого государства.

Какие аналоги существуют, их рабочие параметры

Производителей ветровых электрогенераторов в мире довольно много, и все они стремятся к увеличению размеров своих турбин. Это прибыльно, позволяет увеличить производительность своих изделий, повысить количество вырабатываемой энергии и заинтересовать крупные компании и правительства в продвижении программы ветроэнергетики. Поэтому практически все крупные производители активно выпускают сооружения максимальной мощности и размеров.

Следует отметить, что бесконечно наращивать размеры ветряков невозможно, поскольку с каждым метром высоты увеличивается вес и материалоемкость турбин, срок окупаемости которых уже перевалил за 40 лет.

Среди наиболее заметных компаний-изготовителей больших ветрогенераторов можно отметить уже упоминавшиеся MHI Vestas Offshore Wind, Эркон. Кроме того, известны турбины Haliade150 или SWT-7.0-154 от известной компании Siemens. Перечислять производителей и их продукцию можно достаточно долго, но эта информация несет мало пользы. Главное — это развитие и продвижение ветроэнергетики в промышленных масштабах, использование энергии ветра в интересах человечества.

Технические характеристики ветрогенераторов от разных производителей приблизительно равны. Это равенство обусловлено использованием практически одинаковых технологий, соблюдением характеристик и параметров сооружений в единой размерности. Создание более крупных ветряков на сегодняшний день не планируется, так как каждый такой гигант стоит огромных денег и требует значительных расходов на обслуживание и содержание.

Ремонтные работы на подобном сооружении обходятся в значительные суммы, если увеличивать размеры, то рост расходов пойдет в геометрической прогрессии, что автоматически вызовет рост цен на электроэнергию. Такие изменения крайне губительны для экономики и вызывают у всех серьезные возражения.

Срок окупаемости и расчет экономии

Пятая причина, неразрывно связана с первыми четырьмя. Это срок окупаемости затрат.

Для вашей индивидуальной ветровой установки этот срок – НИКОГДА.

Стоимость ветряка, мачты и доп.оборудования для 2-х киловаттных качественных моделей будет доходить в среднем до 200 тыс. рублей. Производительность таких установок – от 100 до 200квт в месяц, не более. И это при хороших погодных условиях.

Даже осадки снижают мощность ветряков. Дождь на 20%, снег – на 30%.

Вот и получается вся ваша экономия – это 500 рублей. За 12 месяцев непрерывной работы, набежит уже чуть больше – 6 тысяч.

Но если вспомнить начальные траты в 200тыс., то вернете вы их через тридцать два года!

И все это без учета эксплуатационных затрат. А если прикинуть, что средний срок службы хорошего ветряка – около 20лет, то получается, что он окончательно и безвозвратно поломается еще до того, как выйдет на окупаемость.

При этом, 2-х киловаттный агрегат не будет закрывать на 100% ваши потребности. Максимум на треть! Если захотите целиком все подключить от него, то берите 10-ти киловаттную модель, не меньше. Срок окупаемости от этого не изменится.

Но тут уже будут совсем другие габариты и масса.

И закрепить его просто так на трубе через чердак своей крыши, точно не получится.

Однако некоторые все равно убеждены, что из-за бесконечного подорожания электроэнергии, ветрогенератор в один прекрасный момент, по любому станет выгоден.

Когда стоит покупать ветряк

Безусловно, электроэнергия с каждым годом дорожает. К примеру 10 лет назад, ее цена была на 70% ниже. Давайте проведем примерные расчеты и выясним перспективу выхода на окупаемость ветряка, с учетом резкого удорожания электричества.

Рассматривать будем генератор мощностью 2квт.

Как мы уже выяснили ранее, стоимость такой модели около 200тысяч. Но с учетом всех доп.расходов, нужно умножить ее на два. Получится минимум 400 тыс.руб. затрат, при сроке службы в двадцать лет.

То есть, за год получается 20 тысяч. При этом по факту, за этот год агрегат выдаст вам максимум 900 квт. Из-за коэфф. установленной мощности (он для маленьких ветряков не превышает пяти процентов), за месяц вы накрутите 75квт.

Даже если взять 1000 квт в год для простоты расчетов, стоимость 1квт/ч полученная от ветряка, для вас составит 20 рублей. Если и предположить что электричество от ТЭС подорожает в 4 раза, то случится такое не завтра, и даже не через 5 лет.

Поэтому стоимость электричества от индивидуального ветрогенератора, по любому будет выше.

Какие выводы можно сделать из всего вышесказанного?

Ветрогенератор в нынешних российских условиях – это убыточный агрегат.

Чтобы хоть как-то обосновать его применение, цена электроэнергии уже сегодня должна доходить до 30 рублей за 1 квт.

Использование ветряка может быть обосновано в двух случаях:

  • у вас поблизости нет внешних электросетей или вам не дают к ним подключаться
  • у вас есть дизель генератор, но доставить для него топливо нет возможности

При этом, устанавливаться ветряк должен в районе со средне годовой скоростью ветра не менее 5-6 м/с. Только в этих случаях ветроустановка будет хорошей альтернативой.

Фактически, в таких условиях вы просто вынуждены выбрать из всех зол наименьшее. При этом, не верьте в суперэффективность других моделей вертикальной или шарообразной формы, собранных на неодимовых магнитах.

Конечный результат будет всегда один. Энергия, которую производит ветряк, зависит только от:

  • скорости ветра
  • площади, которую описывают лопасти

Поэтому, если вы уже подключены к электросети, не ищите себе лишних приключений и головных болей. Выгоды никакой вы не найдете, по крайне мере на сегодняшний день.

Какие ветряки выбирать

Ну а тем, кто живет далеко от подстанций и ВЛ-0,4кв, стоит приобретать наиболее мощные модели ветряков, какие вы только можете себе позволить. Так как от той мощности, что указана на картинках, вам достанется не более 15%.

Другая категория потребителей, вполне заслужено делает выбор не в пользу китайских заводских моделей, а наоборот, предпочитает самодельные ветряки от мастеров самоучек. Свои выгоды в этом тоже имеются.

В большинстве своем, изобретатели подобных девайсов, это грамотные и ответственные ребята. И практически в 100% случаев, без проблем им можно вернуть установку, если что-то пошло не так, или ее нужно подремонтировать. С этим проблем уж точно не будет.

У промышленных китайский ветряков, внешний вид конечно посимпатичнее. И если вы все-таки решились прикупить именно его, сразу после проверки электродрелью, сделайте профилактический ремонт и замените китайский металлолом на подшипники с качественной смазкой.

Если поблизости от вас есть крупные гнездовья птиц, не помешает закупить дополнительный комплект лопастей.

Птенцы иногда попадают под раздачу крутящейся “мини мельницы”. Пластиковые лопасти ломаются, а металлические гнутся.

А закончить хотелось бы мудростью от тех пользователей, которые не послушались всех доводов и вплотную столкнулись со всеми вышеописанными проблемами. Запомните, самый дорогой флюгер для дома – это ветрогенератор!

Как защитить ветряк от ураганного ветра?

На практике с наилучшей стороны зарекомендовало себя простое по конструкции и эффективное в работе устройство, известное под названием боковой лопаты.

  • При скорости набегающего потока до 8 м/сек. ротор устанавливается по его оси посредством оперения.
  • При усилении ветра давление потока преодолевает жесткость пружины и ветрогенератор складывается, что приводит к изменению угла подачи воздуха на лопасти и снижению уровня воспринимаемых нагрузок.

Вертикальный ветрогенератор своими руками

Изготовление турбины

1. Соединяющий элемент – предназначен для соединения ротора к лопастям ветрогенератора.
2. Схема расположения лопастей – два встречных равносторонних треугольника. По данному чертежу потом легче будет расположить уголки крепления лопастей.

Если не уверены в чем то, шаблоны из картона помогут избежать ошибок и дальнейших переделываний.

Последовательность действий изготовления турбины:

  1. Изготовление нижней и верхней опор (оснований) лопастей. Разметьте и при помощи лобзика вырежьте из ABS пластика окружность. Затем обведите ее и вырежьте вторую опору. Должны получиться две абсолютно одинаковые окружности.
  2. В центре одной опоры вырежьте отверстие диаметром 30 см. Это будет верхняя опора лопастей.
  3. Возьмите хаб (ступица от авто) и разметьте и просверлите четыре отверстия на нижней опоре для крепления хаба.
  4. Сделайте шаблон расположения лопастей (рис. выше) и разметьте на нижней опоре места крепления уголков, которые будут соединять опору и лопасти.
  5. Сложите лопасти в стопку, прочно свяжите их и обрежьте до требуемой длины. В данной конструкции лопасти длиной 116 см. Чем длинее лопасти, тем больше энергии ветра они получают, но обратной стороной является нестабильность в сильный ветер.
  6. Разметьте лопасти для крепления уголков. Накерните, а затем просверлите отверстия в них.
  7. Используя шаблон расположения лопастей, который представлен на рисунке выше, прикрепите лопасти к опоре при помощи уголков.

Изготовление ротора

Последовательность действий по изготовлению ротора:

  1. Положите два основания ротора друг на друга, совместите отверстия и напильником или маркером сделайте небольшую метку по бокам. В дальнейшем, это поможет правильно сориентировать их относительно друг-друга.
  2. Сделайте два бумажных шаблона расположения магнитов и приклейте их на основания.
  3. Промаркируйте полярность всех магнитов при помощи маркера. В качестве “тестера полярности” можно использовать небольшой магнит, обмотанный тряпкой или изолентой. Проводя его над большим магнитом, будет хорошо видно, отталкивается он или притягивается.
  4. Приготовьте эпоксидную смолу (добавив в нее отвердитель). И равномерно нанесите ее снизу магнита.
  5. Очень аккуратно поднесите магнит к краю основания ротора и переместите его к своей позиции. Если магнит устанавливать сверху ротора, то большая мощность магнита может его резко примагнитить и он может поломаться. И никогда не суйте свои пальцы и другие части тела между двумя магнитами или магнитом и железом. Неодимовые магниты очень мощные!
  6. Продолжайте приклеивать магниты к ротору (не забудьте смазывать эпоксидкой), чередую их полюса. Если магниты сьезжают под действием магнитной силы, то воспользуйтесь куском дерева, располагая его между ними для страховки.
  7. После того, как один ротор закончили, переходите к второму. Используя ранее поставленную метку, расположите магниты точно напротив первого ротора, но в другой полярности.
  8. Положите роторы подальше друг от друга (чтобы они не примагнитились, иначе потом не отдерете).

Изготовление статора

Изготовление статора очень трудоемкий процесс. Можно конечно купить готовый статор (попробуй еще найти их у нас) или генератор, но не факт, что они подойдут для конкретного ветряка со своими индивидуальными характеристиками

Статор ветрогенератора – электрический компонент, состоящий из 9-ти катушек. Катушка статора изображена на фото выше. Катушки разделены на 3 группы, по 3 катушки в каждой группе. Каждая катушка намотана проводом 24AWG (0.51мм) и содержит в себе 320 витков. Большее количество витков, но более тонким проводом даст более высокое напряжение, но меньший ток. Поэтому, параметры катушек могут быть изменены, в зависимости от того, какое напряжение вам требуется на выходе ветрогенератора. Нижеследующая таблица поможет вам определиться:
320 витков, 0.51 мм (24AWG) = 100В @ 120 об/мин.
160 витков, 0.0508 мм (16AWG) = 48В @ 140 об/мин.
60 витков, 0.0571 мм (15AWG) = 24В @ 120 об/мин.

Вручную наматывать катушки – это скучное и трудное занятие. Поэтому, чтобы облегчить процесс намотки я бы вам посоветовал сделать простое приспособление – намоточный станок. Тем более, что конструкция его достаточно проста и сделать его можно из подручных материалов.

Витки всех катушек должны быть намотаны одинаково, в одном и том же направлении и обращайте внимание или отмечайте, где начало, а где конец катушки. Для предотвращения разматывания катушек, они обмотаны изолентой и промазаны эпоксидкой.

Приспособление для намотки катушек

Приспособа сделана из двух кусков фанеры, изогнутой шпильки, куска ПВХ-трубы и гвоздей. Перед тем, как изогнуть шпильку, нагрейте ее горелкой.

Небольшой кусок трубы между дощечками обеспечивает заданную толщину, а четыря гвоздя обеспечивают необходимые размеры катушек.

Вы можете придумать свою конструкцию намоточного станка, а может у вас уже имеется готовый.
После того, как все катушки намотаны их необходимо проверить на идентичность друг к другу. Это можно сделать при помощи весов, а также нужно померить сопротивления катушек мультиметром.

Схема соединения катушек статора

Не подключайте домашних потребителей напрямую от ветрогенератора! Также соблюдайте меры безопасности при обращении с электричеством!

Процесс соединения катушек:

  1. Зачистите шкуркой концы выводов каждой катушки.
  2. Соедините катушки, как показано на рисунке выше. Должно получиться 3 группы, по 3 катушки в каждой группе. При такой схеме соединений получится трехфазный переменный ток. Концы катушек припаяйте, либо воспользуйтесь зажимами.
  3. Выберите одну из следующих конфигураций:
    А. Конфигурация “звезда“. Для того, чтобы получить большое напряжение на выходе, соедините выводы X,Y и Z между собой.
    B. Конфигурация “треугольник”. Для того, чтобы получить большой ток, соедините X с B, Y с C, Z с A.
    C. Для того, чтобы в будущем сделать возможность изменять конфигурацию, нарастите все шесть проводников и выведите их наружу.
  4. На большом листе бумаге нарисуйте схему расположения и подключения катушек. Все катушки должны быть равномерно распределены и соответствовать расположению магнитов ротора.
  5. Прикрепите катушки при помощи скотча к бумаге. Приготовьте эпоксидную смолу с отвердителем для заливки статора.
  6. Для нанесения эпоксидки на стеклоткань используйте малярную кисть. Если необходимо, то добавьте небольшие кусочки стеклоткани. Центр катушек не заполняйте, чтобы обеспечить их достаточное охлаждение при работе. Постарайтесь избегать образования пузырьков. Целью данной операции является закрепление катушек на своих местах и придание плоской формы статору, который будет располагаться между двумя роторами. Статор не будет нагруженным узлом и не будет вращаться.

Для того, чтобы стало более понятно, рассмотрим весь процесс в картинках:

Готовые катушки помещаются на вощеную бумагу с начерченной схемой расположения. Три небольших круга по углам на фото выше – места отверстий для крепления кронштейна статора. Кольцо в центре предотвращает попадание эпоксидки в центральную окружность.

Катушки закреплены на своих местах. Стеклоткань, небольшими кусочками помещается вокруг катушек. Выводы катушек можно вывести внутрь или наружу статора. Не забудьте оставить достаточный запас длины выводов. Обязательно еще раз проверьте все соединения и прозвоните мультиметром.

Статор практически готов. Отверстия для крепления кронштейна, сверлятся в статоре. При сверлении отверстий смотрите не попадите в выводы катушек. После завершения операции, обрежьте лишнюю стеклоткань и если необходимо, шкуркой зачистите поверхность статора.

Кронштейн статора

Труба для крепления оси хаба была обрезана под нужный размер. В ней были просверлены отверстия и нарезана резьба. В дальнейшем в них будут вкручены болты, которые будут удерживать ось.

На рисунке выше показан кронштейн, к которому будет крепиться статор, находящийся между двумя роторами.

На фото выше показана шпилька с гайками и втулкой. Четыре таких шпильки обеспечивают необходимый зазор между роторами . Вместо втулки можно использовать гайки большего размера, либо самому вырезать шайбы из алюминия.

Генератор. Окончательная сборка

Небольшое уточнение: малый воздушный зазор между связкой ротор-статор-ротор (который задается шпилькой с втулкой), обеспечивает более высокую отдаваемую мощность, но возрастает риск повреждения статора или ротора при перекосе оси, который может возникнуть при сильном ветре.

На левом рисунке ниже, показан ротор с 4-мя шпильками для обеспечения зазора и двумя алюминиевыми пластинами (которые в дальнейшем будут убраны).
На правом рисунке показан собранный и покрашенный в зеленый цвет статор, установленный на место.

Процесс сборки:
1. В плите верхнего ротора просверлите 4 отверстия и нарежьте в них резьбу для шпильки. Это необходимо для плавного опускания ротора на свое место. Уприте 4 шпильки в алюминиевые пластины приклеенные ранее и установите на шпильки верхний ротор.
Роторы будут притягиваться друг к другу с очень большой силой, поэтому и нужно такое приспособление. Сразу выровняйте роторы относительно друг-друга по поставленным ранее метках на торцах.
2-4. Поочередно вращая ключом шпильки, равномерно опускайте ротор.
5. После того, как ротор уперся в втулку (обеспечивающая зазор), выкрутите шпильки и уберите алюминиевые пластины.
6. Установите хаб (ступицу) и прикрутите его.

Генератор готов!

После установки шпилек (1) и фланца (2) ваш генератор должен выглядеть приблизительно так (см. рис. выше)

Болты из нержавейки служат для обеспечения электрического контакта. На провода удобно использовать кольцевые наконечники.

Колпачковые гайки и шайбы служат для крепления соедин. платы и опоры лопастей к генератору. Итак, ветрогенератор полностью собран и готов к тестам.

Для начала, лучше всего рукой раскручивать ветряк и измерять параметры. Если все три выходные клеммы закоротить между собой, то ветряк должен вращаться очень туго. Это может быть использовано для остановки ветрогенератора для сервисного обслуживания или в целях безопасности.

Ветрогенератор можно использовать не только для обеспечения дома электричеством. К примеру данный экземпляр, сделан так, чтобы статор вырабатывал большое напряжение, которое затем используется для нагрева.
Рассматриваемый выше генератор выдает 3-х фазное напряжение с различной частотой (зависит от силы ветра), а к примеру в России используется однофазная сеть 220-230В, с фиксированной частотой сети 50 Гц. Это отнюдь не означает, что данный генератор не подойдет для питания бытовых приборов. Переменный ток с данного генератора может быть преобразован в постоянный ток, с фиксированным напряжением. А постоянный ток уже может использоваться для питания светильников, нагрева воды, заряда аккумуляторов, а может быть поставлен преобразователь для преобразования постоянного тока в переменный. Но это уже выходит за рамки данной статьи.

На рисунке выше простая схема мостового выпрямителя, состоящего из 6-ти диодов. Он преобразовывает переменный ток в постоянный.

Рекомендации по изготовлению лопастей

Для самостоятельного изготовления лопастей рабочего колеса больше подходит более стойкая к нагрузкам на растяжение древесина. В бюджетном и менее затратном по времени варианте, в качестве исходного сырья можно использовать ПВХ-трубы диаметром 160 мм.

В лучшем решении — это трубопроводные элементы для напорных водопроводных и канализационных систем марки SDR PN 6,3 с толщиной стенок не менее 4-х мм. Пластиковые лопасти менее сложные в изготовлении, в меньшей степени подвержены температурным и влажностным факторам.

Вырезанные по шаблону заготовки следует тщательно отшлифовать и закруглить острые края.

Обустройство штатного оборудования

Для крепления лопастей необходимо использовать головку. Стандартная конструкция представляет собой стальной диск толщиной 6-8 мм, к которому по количеству лопастей с равными интервалами привариваются металлические кронштейны толщиной 10-12 мм и длиной 300 мм с отверстиями для установки резьбового крепежа.

Головка крепится к корпусу генератора болтами с контрагайками. Для рамы конструкции потребуется сталь толщиной 6-8 мм, или достаточно широкий отрезок швеллера.

Токоприемник и подвижное соединение

Конструкция тандема подвижный контакт-токоприемник стандартная. В самом простом варианте — это диэлектрическая втулка, контактная группа и подпружиненные графитные щетки от автомобильного стартера. Для предохранения от атмосферных осадков узел оборудуется защитным кожухом.

Для разворота ротора по направлению воздушного потока монтируется подвижное соединение рамы ветрогенератора по отношению к мачте. Специалисты рекомендуют использовать преимущества максимально стойких к осевым нагрузкам роликовых подшипников с посадочным диаметром не менее 60 мм.

Аккумуляторно – конверторное оборудование

Стандартное напряжение веломоторного генератора составляет 25-26 вольт, поэтому для хранения выработанной электроэнергии можно использовать два последовательно соединенных 12-ти вольтовых аккумулятора суммарной емкостью от 100 а/ч.

Для преобразования постоянного тока в переменный 220 вольт в схему вводится инвертор напряжения мощностью от 600 ватт.

Даже если вам легко удастся создать вертикальный ветрогенератор своими руками, помните, что безотказная работа такого устройства гарантируется при условии своевременного и квалифицированного обслуживания.

Источники

  • https://Energo.house/veter/vertikalnyj-vetrogenerator-printsip-raboty.html
  • https://ekopower.ru/vetrogeneratoryi-s-vertikalnoy-osyu-vrashheniya-rossiyskogo-proizvodstva/
  • https://Energo.house/veter/vidy-vetrogeneratorov.html
  • https://Elektrik-a.su/elektrooborudovanie/generatory/vertikalnyj-vetrogenerator-1796
  • https://slarkenergy.ru/vetrogenerator/s-vertikalnoj-osyu-vrashheniya.html
  • https://altenergiya.ru/veter/rotor-darie.html
  • https://FB.ru/article/466735/rotor-savoniusa-opisanie-printsip-rabotyi-vetrogenerator-s-vertikalnoy-osyu-vrascheniya
  • http://electricadom.com/plyusy-i-minusy-vertikalnykh-vetrogeneratorov-ikh-vidy-i-osobennosti.html
  • https://vremya-stroiki.net/vetrogenerator-dlya-doma/
  • https://slarkenergy.ru/vetrogenerator/vetryanye-elektrostancii-dlya-doma.html
  • https://domikelectrica.ru/vetrogenerator-dlya-chastnogo-doma-dengi-na-veter/
  • https://Energo.house/veter/samyj-bolshoj-vetrogenerator.html
  • https://dom-i-remont.info/posts/elektrika/byitovyie-hitrosti-vertikalnyiy-vetrogenerator-svoimi-rukami/
  • https://eurosamodelki.ru/katalog-samodelok/alternativnaja-energetika/vertikalnyi-vetrogenerator-svoimi-rukami

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об инженерных системах
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: