Ветрогенераторы вертикальные: Вертикальный ветрогенератор нового поколения, схема, своими руками

Опубликовано в Разное
/
7 Май 2019

Содержание

Чем лучше и чем хуже вертикальный ветрогенератор в плане эксплуатации



Использование энергии ветра для выработки электричества – одна из перспективных форм развития альтернативной энергетики. Вертикальный ветрогенератор является перспективным направлением развития отрасли, т.к. имеет ряд преимуществ по сравнению с горизонтальными аналогами.

Принцип работы

Вертикальный ветряк представляет собой цилиндр, устанавливаемый на основание. Благодаря своей форме, работает вне зависимости от направления ветра. Вне зависимости от вида вертикального ветрогенератора,  он устроен таким образом, чтобы давление потока воздуха на одну из его сторон было выше, чем на другую.

Благодаря такой разнице в давлении происходит вращение оси генератора и выработка электричества. Из-за того, что сила ветра направлена на обе стороны ветрогенератора, показатель стартовой скорости ветра немного больше, чем у горизонтальных ветряков, но при должном качестве деталей, существует самораскрутка – т.е. значительное увеличение оборотов генератора даже при небольшом (от 3,5 м/с) ветре.

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.

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.

Видео. Геликоидный ветрогенератор

В ролике наглядно показана работа геликоидного ветряка, установленного на специальной мачте



Подбираем аккумулятор для солнечной электростанции Реальное применение тонкопленочных солнечных батарей Фотомануал: солнечная батарея своими руками шаг за шагом Принцип действия солнечных батарей.

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

Ветрогенератор с вертикальной осью вращения

В современной жизни прекрасно функционируют высококачественные модели роторных генераторов. В их исполнении присутствуют оригинальные быстровозводимые мачты.

Роторные конструкции различаются по расположению оси вращения по отношению к поверхности земли.

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

Ортогональный ветрогенератор

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

Ветрогенератор 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.

Генераторы с ротором Савониуса

Ветрогенератор 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.

Генераторы на многолопастном роторе с направляющим аппаратом

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

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.

Преимущества и недостатки механизмов с вертикальной осью

Ветрогенераторы с вертикальной осьюК 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.

Что следует учесть при выборе?

До того момента,как возникает решение приобрести данного вида механизм, следует всё же учесть ряд определённых условий. Например, если сильные ветровые потоки не наблюдаются на территории вашего домашнего региона, то использования подобной роторной конструкции не будет себя, в общем, окупать.

Для данной местности лучше подойдёт генератор с относительно небольшой мощностью.Как верно и обратное – в природе нередко встречаются участки местности, где воздушные массы меняют своё направление несколько раз в 24 часа. В этом конкретном варианте, наоборот, допустимым и возможным является привлечение ротора с вертикальной осью.

Изготовление своими руками

Конструкция лопастей

Конструкция лопастей

Для начала следует изготовить, так называемую, турбину.

Для этого нам понадобится:

  1. Изготовление верхней и нижней опор. Разметку лучше производить с помощью лобзика. Необходимо вырезать из пластика две окружности одного диаметра. В центре первой окружности следует сделать отверстие 30 см. Это станет верхней опорой.
  2. Возьмём самую обыкновенную автомобильную ступицу. Сделаем четыре отверстия одного размера на нижней опоре. Это позволит нам укрепить хаб.
  3. Изготовим подробный эскиз для наглядности месторасположения лопастей системы и пометим на нашей опоре, расположенной внизу, те участки, где будут потом крепиться заготовленные уголки. Они предназначены для соединения лопасти и опоры.
  4. Теперь складываем лопасти в стопочку, связываем их и обрезаем до необходимого размера. От длины лопастей напрямую зависит, сколько ветровой энергии они способны получать. Тем не менее имеет место быть и нестабильность при сильном ветровом потоке.
  5. Пометим лопасти для крепления уголков. Далее сверлим в этих лопастях специальные отверстия.
  6. Скрепляем опору и лопасти с помощью заготовленных уголков.

Мастерим ротор своими руками:

  1. Кладём два роторных основания один на другой, при этом как бы совмещаем два отверстия и чертим боковую пометку. Впоследствии данный шаг позволит нам их верно расположить.
  2. Теперь изготовим два небольших картонных шаблона и аккуратно приклеим их на основания наших магнитов.
  3. Промаркируем магнит. Для определения верной полярности, как правило, используется магнитик с изолентой.
  4. Далее нам понадобится эпоксидная смола с отвердителем. Наносим ее с нижней стороны магнита.
  5. Довольно аккуратно подносим магнит к краю основания ротора.
  6. Теперь можно приклеивать наши магниты собственно к ротору.
  7. Для изготовления второго ротора, магниты следует расположить в иной полярности напротив первого ротора.
Расположение магнитов на роторе

Расположение магнитов на роторе

Изготавливаем статор:

Статор – агрегат, состоящий из 9 катушек. Они разделены на 3 группы. В каждой группе по три катушки. Сами катушки с проводом 24 AWG на 320 витков. Непосредственно параметры катушек разрешается менять.

Это зависит от напряжения, требуемого на выходе:

  1. Если наматывать катушки ручным методом, то это довольно трудно. Для облегчения самого процесса изготовим несложное приспособление – станок для намотки. Витки катушек наматываются в одном и том же направлении. Начало и конец катушек следует замотать изолентой и смазать эпоксидкой.
  2. Когда катушки уже будут намотаны, необходимо проверить идентичность. Для этого можно использовать обычные весы. Затем измеряем сопротивления наших катушек.
  3. Изготовленные катушки размещаются на вощеную бумагу с размеченной на ней схемой. Стеклоткань располагается вокруг самих катушек. Далее просверливаем отверстия в статоре для кронштейна.
  4. Труба для крепления оси хаба заведомо обрезается. В созданные отверстия будут вкручиваться болты для удержания непосредственно оси.

Сборка статора

Заключительная сборка:

  1. В плите верхнего ротора просверливаем 4 отверстия.
  2. Упрём четыре шпильки в пластинки и установим ротор на них. Роторы испытывают притяжение, потому и необходимо изготовить данное устройство.
  3. Выравниваем роторы по отношению их друг к другу.
  4. Аккуратно и равномерно опускаем генератор. После этого следует выкрутить шпильки и убрать все пластины. Устанавливаем хаб и прикручиваем. Колпачковые шайбы и гайки, как правило, необходимы для крепления к генератору опоры лопастей.
  5. Теперь генератор можно считать собранным. Раскручиваем ветряк и измеряем параметры.

Сборка генератора

Подобный ротор может быть реализован не только для обеспечения электричеством жилых и служебных помещений. Например, статор способен вырабатывать большое электрическое напряжение, которое вполне можно использовать для качественного нагрева бытовых приборов. При этом следует уточнить, что переменный ток преобразуется в постоянный ток. Это вполне можно использовать для зарядки аккумулятора, нагрева емкостей с холодной проточной водой, электропитания фонарей и осветительных приборов.

Рассматриваемая конструкция устанавливается на 4-х метровой высоте на краю горной кручи. Фланец, который по своему обыкновению располагается внизу, обеспечивает быструю установку ротора – необходимо прикрутить всего лишь четыре болта. Но для надежности их целесообразнее будет все же приварить.

Вертикальные ветряки могут поворачиваться за счёт флюгера. Для них не важно, по сути, направление ветрового потока.

Фактором, который обязательно следует учитывать при выборе места установки ротора, является непосредственно сила ветра. Данные по силе ветра для исследуемой и интересующей местности можно без затруднения найти в Интернете. Также поможет анемометр – специальный прибор для измерения силы ветрового потока.

Системы мировых и российских производителей

Ветрогенератор с вертикальной осью вращенияВ наши дни около 75 государств мирового сообщества довольно широко используют ветряные электростанции. Ветроэнергетика по сей день остаётся очень популярной и неотъемлемой частью нашей современной жизни. Производители Южной Америки и Азии быстрыми темпами продвигают развитие данной популярной отрасли.

Китай является одним из крупнейших поставщиком ветроэнергетической отрасли на мировом рынке. В Индии насчитывается довольно большое количество производств ветряков общей мощностью, превышающей 3000 МВт.

В нашей стране ветроэнергетическая промышленность развита во многих городах и регионах.Производство ветряных роторов есть в таких городах, как: Москва, Ташкент, Астрахань, Узбекистан, Саратов, Омск, Самара, Екатеринбург, Ульяновск, Анапа и Краснодар.

К мировым производителям относятся столь известные компании, как: Vestas, GEEnergy, Goldwind, Enercon, DongfangElectric, SiemensWind, UnitedPower.

Обзор цен

Вертикальный ветрогенератор

Стоимость роторных систем преимущественно зависит от мощности ветроэлектростанции. Иными словами, конструкцию на 2 КВт возможно купить за 6200$. Для 10 КВт ценовая политика, на подобный ветряк, составляет 40000$. С целью подзарядить автомобильный аккумулятор или мобильный телефон можно стать владельцем относительно небольшой станции на 0,6 КВт.

Стоить такая станция будет не более 3000$. Роторы естественно имеют свои различия в цене, и зависит это, как правило, от их разновидностей и фирмы производителя. Стоимость роторов российских моделей, как правило, на 1/3 дешевле своих западных собратьев.

При этом, качественные показатели станций, в целом, не имеют, как правило, существенных и ощутимых различий. Приобрести ветрогенератор целесообразно только лишь в том случае, если есть средства для вложения большой суммы денег в долговременную инвестицию при наличии подобающих погодных условий в регионе проживания.

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Вертикальный ветрогенератор

Почему вертикальный ветрогенератор именуют вертикальным?

Тот ветряк, который мыслят себе чаще всего и в первую очередь – это ветрогенератор в виде пропеллера. Многие даже не подозревают, что существуют какие-то другие. На самом же деле ветрогенераторы бывают и другого вида. Одни напоминают вращающуюся колонну, другие — цепочную карусель как в парке аттракционов. Только на месте цепочек располагаются вертикально расположенные лопасти. Такие ветрогенераторы называют вертикальными. Почему вертикальными? – Потому, что ось вращающегося генератора смотрит вверх, то есть, расположена вертикально.

В чём состоял замысел вертикального ветрогенератора

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения имеют конструкцию более сложную. Ведь вертикально установленные лопасти нужно удерживать в этом положении, причём надёжно удерживать на расстоянии от оси вращения. Зачем же тогда разрабатывали и внедряли такой агрегат?

Основными идеями, согласно которым создавался ветрогенератор ветрикально осевой, были следующие. Первая в том, что поскольку лопастям вертикалки всё равно с какой стороны на них дует ветер, всю конструкцию не нужно разворачивать к ветру как это делает флюгер. За счёт этого ветряку не нужно подстраиваться под меняющееся направление ветра в ходе которого теряется часть энергии.

Вторая, — тихоходность, а, следовательно, малошумность установки. Поскольку большие обороты здесь недопустимы, шум от вращающихся частей заметно ниже. А значит такой ветряк безо всяких опасений может быть установлен в городе и местах жилой застройки.

Третья идея, — большая устойчивость вертикального ветрогенератора к буревым ветрам. Этому способствует и эффект волчка, затрудняющий отклонение ротора от оси вращения. И то, что лопасти постоянно уходят от ветра. А в заторможенном состоянии плоскость лобового столкновения лопастей с ветром ниже, чем у горизонталки.

Технические особенности роторных ветрогенераторов последних моделей

Прежде всего, отметим, что наибольшее распространение получили и серийно выпускаются роторные ортогональные ветрогенераторы. Его вид представлен на фото.

В новейших моделях установок получили реализацию следующие новшества. В первую очередь, — это трёхярусный ротор. Лопасти такого ротора стали более лёгкими, крепление их более надёжно и распределены они более равномерно по радиусу.

Другим новшеством является каркасное оформление ветряка. Здесь низ и верх ротора имеют опоры. Соответственно его вращение более ровно и сам он надёжнее. Каркас позволяет устанавливать вертикальные ветрогенератор даже без мачты просто на плоскую поверхность или даже землю. А, будучи закреплённым, на подставке он особенно хорош для монтажа на плоской крыше. Также на подставке могут быть закреплены солнечные батареи.

Чтобы точнее выбрать и купить ветрогенератор посетите наш каталог.

Как самостоятельно изготовить ветрогенератор вертикального типа

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:

Виды ветрогенераторов с вертикальной осью вращения

Вертикальный ветрогенератор — это устройство, ось вращения которого расположена перпендикулярно направлению потока ветра и ориентирована в вертикальном направлении. Продольные оси лопастей параллельны оси вращения.

Если горизонтальные генераторы по внешнему виду напоминают пропеллер, то вертикальные ближе к барабану центробежного вентилятора, установленному вертикально и оборудованному малым числом лопаток (обычно их 2 штуки, но бывают и другие варианты). Такое расположение позволяет лопастям одинаково реагировать на потоки ветра с любой стороны без необходимости ориентирования оси вращения на встречном направлении к движению воздуха.

Вертикальный ветрогенератор: принцип работы

Существуют различные виды вертикальных ветрогенераторов. Разница между ними заключается лишь в типе вращающейся части — ротора, поскольку конструкция неподвижного статора принципиальных изменений не имеет. Известны такие виды, как:

  • ортогональный ротор. Его лопасти расположены по касательной к окружности вращения и имеют сечение как у крыла самолета. Способен начинать вращаться даже при относительно слабом ветре, увеличивая скорость за счет разрежения воздуха над поверхностью лопастей и уплотнения под ней (возникновения подъемной силы). Не имеет высокой парусности лопастей, что позволяет стабилизировать скорость вращения и исключить резкие изменения динамики, способные вывести из строя подшипники
  • ротор Савониуса. Представляет собой две изогнутые в виде половинок трубы лопасти. При большой площади уравновешивания сил, воздействующих на лопасти, не происходит, так как поток, действующий на внутреннюю часть лопасти, отражается от ее изгиба и частично попадает в изгиб второй лопасти, усиливая ее вращение. Обратная сторона разбивает поток на равные части, одна из которых обтекает изгиб и попадает на рабочую часть, увеличивая вращающий момент, а другая уходит в сторону. Эффективность такого ротора невелика, всего 15%, но по сочетанию характеристик он вполне достоин внимания
  • ротор Дарье. Это один из вариантов ортогональной конструкции. Имеет вантовый вид лопастей, концы которых присоединены к валу вращения, а центральные части, плавно изгибаясь, отходят от вала таким образом, что при взгляде со стороны лопасти образуют своими очертаниями овал или круг. Ротор имеет малую мощность, высокий уровень шума и вибраций, что делает его требовательным к постоянному наблюдению и обслуживанию.
  • геликоидный ротор. Конструкция имеет лопасти сложной формы, закрученной вокруг вертикальной оси. Это позволяет стабилизировать скорость вращения и устранить шум, создаваемый лопастями при вращении. Равномерность работы делает конструкцию более удобной, обеспечивающей ровный результат при разных режимах вращения. Для самостоятельного изготовления этот вариант конструкции наиболее сложен, но, в целом, доступен.
  • многолопастной ротор. Имеет несколько лопастей, что позволяет получить ровное и мощное вращение ротора при относительно слабом ветровом давлении. Обычно используется несколько узких полос на некотором расстоянии от вала вращения, передающих поток с возрастанием скорости и плотности на второй ряд лопастей, расположенный внутри первого.  Также существуют варианты с двумя уровнями (пара лопаток, а под ней — другая с разворотом на 90°. Все варианты конструкции имеют неплохие эксплуатационные характеристики, что позволяет считать такую конструкцию одной из наиболее перспективных.

Существуют конструкции, которые предусматривают защиту от уравновешивающего давления потока на обратную сторону крыла. Делается щит по форме части окружности, закрывающий от ветра участок с обратной стороной лопастей таким образом, что ветер воздействует только на рабочую сторону. Для наведения ротора на ветер, т.е. поворота системы при изменении направления потока, делается устройство типа флюгера, поворачивающее защиту в нужную сторону по ветру.

Эффективность всех этих видов примерно одинакова. Принципиальной разницы в характеристиках также не имеется, основные различия лежат в области уменьшения шума, снижения нагрузок на вал, выравнивания режимов вращения.

Преимущества и недостатки ветрогенераторов с вертикальной осью

Вертикальный ветрогенератор — конструкция, удачная для создания своими руками. При всем разнообразии вариантов исполнения, на многие из них до сих пор нет математической модели вращения, что не позволяет создать корректную методику расчета. При этом, такая ситуация способствует активному развитию моделирования всех разновидностей ветрогенераторов и отработке их технических параметров.

Вертикальный ветрогенератор: принцип работы

Основными преимуществами ветрогенераторов с вертикальной осью принято считать:

  • простота конструкции, возможность изготовления практически любого типа своими руками
  • стабильность, устойчивость режимов работы, вызванная способностью одинаково реагировать на потоки ветра любого направления
  • отсутствует нужда в механизме наведения оси вращения на поток, без чего не могут функционировать генераторы с горизонтальным вращением
  • для того, чтобы изготовить вертикальный ветрогенератор своими руками, требуются относительно малые затраты денег, времени и труда. Основная статья расходов — непосредственно генератор, а вращающиеся части могут быть изготовлены буквально из подручных средств

Недостатками вертикального ветрогенератора считаются:

  • эффективность работы ниже, чем у горизонтальных конструкций
  • при работе устройства издают шум, который сложно устранить, так как он происходит из-за контакта потока воздуха и материала лопасти
  • высокий уровень вибраций и резких изменений режимов вращения создают сильную нагрузку на подшипники, способствуя быстрому выходу подвижных деталей и узлов из строя
  • для создания вертикального генератора требуется большее количество материалов, чем для горизонтальных образцов

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.

Как самостоятельно изготовить ветрогенератор вертикального типа

Самостоятельное изготовление ветрогенератора вполне возможно, хотя и не так просто, как может показаться на первый взгляд. Понадобится либо собрать весь комплект оборудования, что весьма сложно, либо некоторые его элементы приобрести, что довольно дорого. В состав комплекта могут входить:

  • ветрогенератор
  • инвертор
  • контроллер
  • комплект аккумуляторов
  • провода, кабели, вспомогательное оборудование

Оптимальным вариантом станет частичное приобретение готового оборудования, частичное изготовление своими руками. Дело в том, что цены на узлы и элементы очень высоки, доступны не для всех. Кроме того, высокие единовременные вложения заставляют задуматься, нельзя ли эти средства реализовать более эффективным образом.

Система работает следующим образом:

  • ветряк вращается и передает момент на генератор
  • возникает электрический ток, который заряжает аккумулятор
  • аккумулятор присоединяется к инвертору, преобразующему постоянный ток в 220 В 50Гц переменного тока.

Сборку обычно начинают с генератора. Наиболее удачным вариантом является сборка 3-фазной конструкции на неодимовых магнитах, позволяющей вырабатывать соответствующий ток.

Вращающиеся части делаются на основе одной из систем, наиболее доступной для воссоздания своими руками. Лопасти изготавливаются из отрезков труб, распиленных пополам металлических бочек или согнутого определенным образом листового металла.

Мачта сваривается на земле и устанавливается в вертикальное положение уже в готовом виде. Как вариант, делается из дерева сразу на месте установки генератора. Для прочной и надежной установки следует сделать для опор фундамент и закрепить мачту анкерами. При большой высоте ее следует дополнительно закрепить растяжками.

Все узлы и детали системы требуют подгонки друг к другу по мощности, настройки работоспособности. Заранее сказать, насколько эффективным будет ветрогенератор, невозможно, так как слишком много неизвестных параметров не позволят вычислить характеристики системы. При этом, если изначально закладывать систему под определенную мощность, то на выходе всегда получаются довольно близкие значения. Основным требованием становится прочность и аккуратность изготовления узлов, чтобы работа генератора была достаточно стабильной и надежной.

Рекомендуемые товары

виды ветряков с вертикальной осью вращения, делаем своими руками по чертежам, российского и другого производства

Ветер имеет большую движущую силу, которую человек может использовать в своих целях. Это источник экологически чистой энергии. Используя ветрогенератор, можно получать дополнительную бесплатную мощность. В сегодняшней статье мы рассмотрим вертикальные виды ветрогенераторов, их особенности и виды.

Устройство и принцип работы

Ветрогенератор – это самый простой способ получения альтернативной энергии для нужд дома. Это устройство призвано преобразовывать силу ветра в электрический ресурс. Дополнительных приспособлений для определения направления ветра не требуется. Описываемое устройство способно работать на низкой высоте, что позволяет его обслуживать без применения снаряжения для высотных работ.

Простота конструкции и минимальный набор подвижных деталей делают это устройство надежным и долговечным. Правильная форма лопастей и оригинальное строение ротора позволяют получить от генератора высокий уровень КПД, в независимости от направления ветра. Во время работы этого генератора полностью отсутствует любой шум, поэтому он не будет мешать пользователю и его соседям.

Не имеется никаких выбросов в атмосферу, агрегат может работать много лет без обслуживания.

Принцип работы описываемого генератора заключается в магнитной левитации. Во время вращения ротора возникают импульсные и подъемные силы и сила трения, которая тормозит ротор. Внешний вид вращающейся части представляет собой цилиндр, закрепленный на раме. Правильная форма лопастей позволяет производить вращение всегда в одну сторону, независимо от направления ветра. Вне зависимости от модели и вида подобного генератора, он будет работать только в том случае, если давление ветряного потока на одну сторону будет больше, чем на другую.

Если соблюсти эти условия, то мы получим постоянное вращение ведущей оси генератора и выработку электроэнергии. Поскольку ветер имеет воздействие на обе стороны вращающегося механизма, это значит, что для старта вертикальной конструкции потребуется больше усилий, чем для горизонтальной. Однако если в конструкции применены качественные запчасти, то возможна самораскрутка.

При минимальном ветре большой мощности получить не удастся, но если сила трения снижена всеми возможными способами, то это позволяет добиться нужного числа оборотов даже при скорости ветра 3-5 м/с.

Преимущества

Как и в случае с другими устройствами подобного типа, ветряные генераторы имеют свои преимущества:

  • не зависят от направления ветра;
  • использование этих устройств возможно при слабом ветре;
  • шум установки примерно равен 30 дБ.;
  • интересное и необычное изделие на вашем участке непременно заинтересует всех гостей и соседей.

Но, как и любого устройства, у «ветряков» имеется недостаток – это невозможность в полном объеме использовать силу ветра из-за невысокой скорости вращения ротора.

Какими бывают?

Среди вертикальных генераторов карусельного типа, которые применяются для бытовых нужд, можно выделить различные конструкции и виды. Они очень просты в обслуживании и не так сложны в плане конструкции. Основные детали, которые нуждаются в техническом обслуживании, находятся внизу, к ним имеется легкий доступ. Рассмотрим самые известные и распространенные типы ветряных генераторов с вертикальной осью вращения.

  • Ротор Савоуниса. Он состоит из 2 цилиндров, в которых скорость вращения и скорость ветра не зависят друг от друга. Даже при резких ветровых порывах агрегат продолжает вращение с заданной изначально скоростью. При таком условии можно сказать, что отсутствие связи скорости ветра со скоростью вращения генератора – это преимущество, однако, при этом воздушная сила используется лишь на 1/3. Геометрия лопастей позволяет им работать только в ¼ оборота.
  • Ротор Дарье. Конструкция может иметь 2 или 3 лопасти. Сборка и установка очень простая. Приводится в движение при помощи ручного запуска. Описываемая установка не имеет большой мощности.
  • Геликоидный ротор. Вращение этого генератора равномерное и плавное. Конструкция снимает с подшипников избыточную нагрузку, что существенно продлевает срок службы устройства. Монтаж установки такого типа очень продолжительный и трудоемкий. Сложная конструкция повлияла на увеличение конечной стоимости подобного продукта.
  • Многолопастной ротор. Подобная конструкция с лопастями разной формы и направления позволяет устройству работать даже при очень слабом ветре. Этот генератор считается мощным преобразователем электроэнергии и имеет высокий уровень КПД. Энергия из силы ветра добывается максимально. Такая конструкция, помимо того, что дорогая, имеет высокий уровень шума.
  • Ортогональный ротор. Такая установка начинает работать при скорости ветра 0.7 м/с. Конструкция состоит из 1 оси и лопастей. Уровень производимого шума минимален. Кроме всех технических характеристик, стоит отметить ее интересный и необычный внешний вид. Срок службы у такого устройства составляет несколько лет.

Стоит отметить, что тяжелые лопасти и конструкции в целом усложняют монтаж устройства на серьезной высоте. Кроме вертикальных ветряных генераторов, существуют еще горизонтальные модели. Разные варианты этих устройств имеют от 1 лопасти, их производительность больше, чем у вертикальных. Зато они имеют очень сильную привязанность к направлению движения ветра.

Обзор популярных моделей

Перед рассмотрением популярных моделей ветрогенераторов необходимо разобраться в их параметрах и критериях выбора описываемых изделий. Основными критериями при подборе являются:

  • максимальная мощность изделия;
  • объем добываемой энергии за 1 месяц;
  • минимальная скорость движения воздуха, при которой может работать генератор;
  • условия эксплуатации;
  • наличие устройств, которые защищают установку от перегрузок;
  • срок эксплуатации;
  • цена продукта.

На сегодняшний день ветряные генераторы производятся многими странами, в число которых входит и Россия. Их производят несколько организаций:

  • ООО «СКБ Искра»;
  • ЗАО «Ветроэнергетическая компания»;
  • ЛМВ «Ветроэнергетика»;
  • ЗАО «Агрегат-привод».

Агрегаты российского производства не так известны и востребованы в других странах, как роторные модели немецкого, датского, китайского и бельгийского производства. Ведущие мировые компании по производству ветряных генераторов тратят огромные деньги на разработки новых типов лопастей, генераторов, точных расчетов по передаточным числам. Продукция этих компаний имеет большой выбор по мощностям от 1-10 КВт и дополнительное оборудование, которое можно приобрести отдельно (наборы с концентратором, инвертором, аккумуляторами). Кроме мощности, имеются различия в цене и по комплектующим элементам. Российские компании производят ветреные генераторы с различными типами роторов и максимальной мощностью устройств. Самыми продаваемыми изделиями считаются следующие модели нового поколения.

  • ВУЭ-1.5. Это компактная установка, которая может перевозиться любым транспортом. В монтаже и эксплуатации она простая и понятная. Этот маленький генератор практически бесшумный. Имеет номинальную мощность 1.5 КВт. Выходное напряжение 48 V. Скорость ветра для нормальной работы должна быть в диапазоне 2.5-25 м/с.
  • ВУЭ-3 (6). Такое устройство предназначено для автономного снабжения небольшого потребителя (частный дом). Номинальная мощность описываемой установки – 3 КВт, но при установке дополнительного оборудования (инвертора и аккумуляторов) мощность можно увеличить до 6 КВт. Напряжение на выходе 48 V. Необходимая скорость ветра для работы – от 4 до 30 м/с.
  • ВУЭ-30. Установка ориентирована на питание большого дома или нескольких домов. Ее номинальная мощность равна 30 КВт. Напряжение на выходе имеет диапазон 90-400 V. Скорость ветра для работы установки должна быть от 4-60 м/с.

Как сделать своими руками?

Ветряной генератор – это не очень сложная конструкция, которую сможет собрать практически любой человек, если он имеет начальные навыки работы с ручным инструментом и обладает знаниями в электротехнике. Рассмотрим процесс сборки самого простого ветряного генератора для пользователей, начинающих осваивать альтернативные источники энергии.

Инструменты и материалы

Чтобы не ошибиться в размерах и собрать все правильно, можно воспользоваться любым готовым чертежом из интернета или можно начертить свой собственный и проверить его на деле. Для изготовления надежной и качественной конструкции потребуется:

  • листовой металл для изготовления лопастей с толщиной 0.8-0.9 мм, он не должен быть слишком тонким и слабым, чтобы его не погнул или не порвал сильный порыв ветра, но и слишком толстый материал также нежелателен, поскольку избыточный вес конструкции приведет к быстрому износу подшипников;
  • стальная пластина 40 мм или другого диаметра;
  • стальная труба 25 мм;
  • полуось от любого автомобиля с подшипником;
  • стальной уголок;
  • 2 шкива разного размера;
  • автомобильный генератор.

Схема изготовления

Схема сборки самодельного ветряного генератора простая, в нее всегда можно добавить свои конструкторские решения. Из листового металла нужно изготовить 4 лопасти, размер которых будет составлять 1000 на 800 мм. Для скрепления лопастей между собой применяется стальная полоса. В результате конструкция должна напоминать форму барабана. Лопасти должны быть направлены от центра к наружной стороне. Такое направление позволит иметь больший парус на захват воздушного потока, а при развороте лопасти ее обтекаемая форма будет иметь минимальное сопротивление воздуху.

Из стальной трубы изготавливается вертикальный упор, который одной стороной крепится к полуоси, а на противоположную устанавливаются получившиеся лопасти.

Сама полуось на подшипниках крепится к опоре, которая выполняется в произвольном виде и из имеющихся материалов. После того как конструкция будет собрана, самое время разместить на ней генератор.

Для большей производительности нам и понадобятся шкивы разных радиусов. Тот, который побольше, крепим на мачту, а который поменьше – на сам генератор. Если на генераторе имеется свой шкив, то можно использовать его. После этого генератор готов к выработке тока, но его нужно отправить в нужное нам место. Для этого прикрепляем к контактам провода. Желательно, чтобы они были медные и сечением не менее 1.5 кв. мм.

Обслуживание

Как и любая техника, ветряные генераторы нуждаются в регулярном обслуживании. Для качественной и бесперебойной работы необходимо смазывать все движущиеся части конструкции. Эту процедуру нужно проводить не реже, чем 2 раза в год. Поскольку конструкция имеет постоянную вибрацию, во время обслуживания нужно подтягивать ослабшие гайки и крепления проводов. Слабые и провисшие троса необходимо подтянуть и осмотреть лопасти на предмет трещин и надрывов.

В подобных изделиях желательно применять подшипники закрытого типа, чтобы в них попадало меньше влаги и пыли, а гайки должны иметь самостопорящееся кольцо из пластика. Это не избавит пользователя от необходимости обслуживания механизма, только обеспечит более продолжительный срок службы. При обнаружении на металлических деталях следов коррозии необходимо вовремя принять меры по защите металла. Краска по ржавчине исправит ситуацию.

Такой уход поможет продлить срок службы агрегата и обеспечит корректную работу установки без заклинивания и затруднений поворотов.

Где установить?

Одним из важнейших условий работы ветрогенератора является выбор места его установки. Идеальный вариант для работы описываемого устройства – открытая местность и точка установки выше всех посторонних сооружений и естественных преград для ветра (дома, деревья, холмы). Если этими требованиями пренебречь, то КПД вашего генератора упадет. Если имеется возможность разместить вертикально-осевой генератор на берегу реки, то это очень хорошее решение, поскольку ветра от воды дуют особенно часто. Хороший вариант размещения вашего генератора – на искусственной или естественной возвышенности. Места в полях тоже подойдут для размещения этого приспособления. Проще говоря, ему подойдет любая местность, на которой нет преград ветру.

Размещать генератор такого типа в черте города или в районах плотной застройки можно, но только на крыше и как можно выше, только так вы сможете добиться лучшего результата. Установка этого устройства на крыше многоквартирного дома может оказаться довольно трудной. Потребуется письменное согласие всех жильцов и разрешение от управляющей компании. Кроме этого, шум агрегата может быть слышен на верхних этажах, из-за этого уже установленную конструкцию могут потребовать убрать. Разместить на территории частного дома намного проще и быстрее, поскольку не нужно брать разрешения и договариваться.

Чтобы ваш генератор никому не мешал, его нужно разместить на расстоянии в 10-15 м от жилых построек, и тогда он никому не помешает.

Вертикальный ветрогенератор с мультипликатором представлен далее.

Обзор вертикальных ветрогенераторов

     Мы являемся свидетелями развития науки и техники, возникновения сверхэффективных технологий и в то же время в области энергетики мы можем наблюдать парадоксальную тенденцию возвращения к древнейшей технологии использования ветряной энергии. Её использовали в Китае и на Среднем Востоке более 10 веков назад.

     Этому парадоксу есть объяснение. В начале 21 века общество остро столкнулось с проблемой ограниченности ископаемых энергоресурсов. Сегодня происходит замена технических инструментов традиционной энергетики, губительно влияющей на окружающую среду, на возобновляемые экологически чистые источники энергии, в том числе ветровые. 

 

     Несмотря на то, что ветка первенства сегодня принадлежит горизонтальным ветрогенераторам, популярность вертикальных ветрогенераторов стремительно растёт. Это объясняется, в том числе тем, что учёные теоретически и экспериментально доказали, что вертикальные ВЭУ в состоянии догнать по эффективности горизонтальные.  

     Ретроспектива вертикальных ВЭУ 

     Вертикальные ветряки человечество использует уже очень давно. Первые документальные упоминания о вертикальных ВЭУ датированы приблизительно 500-900 годами до нашей эры. В документах описан персидский механизм. Его применяли для добычи подъема воды и помола зерна. Со временем такой ветряк получи название «panemone», т.е. вращается при любом направлении ветра.

 

Первый ветряной двигатель с вертикальной осью вращения

     Вертикальные ветряки использовались и в Китае. Его, кстати, часто упоминают, как родину вертикальных ветряков. Бытует мнение, что ветряную мельницу изобрели именно в Китае более 2000 лет назад. Но самое раннее упоминание о ней датированы 1219 годом нашей эры. Это была ветряная установка с карусельным ротором. В нём использовался принцип давления ветра, с плоскими парусными лопастями. При движении в направление ветра они разворачивались перпендикулярно потоку воздушной массы, а при движении навстречу ветру – параллельно ему.

     В 9 веке н.э. в Персии в городе Нех функционировало 75 ветряных мельниц.Они были построены на возвышенности, расположенной перпендикулярно к направлению преобладающего северного ветра, действующего в этой местности в течение 4 месяцев в году со скоростью 28-47 м/с. Ветряной двигатель персидских мельниц представлял собой вертикально-осевой карусельный ротор с 8 плоскими лопастями из тростника высотой 5,5 м и диаметром 4,3 м. При скорости ветра 30 м/с его мощность составляла около 16 кВт. 

 
Персидская ветряная мельница с вертикально-осевым карусельным ротором

     Чтобы повысить эффективность перед лопастями, движущимися навстречу ветру, был установлен экран. Он снижал тормозящий момент ротора, закрывая лопасти от ветра.  50 таких ветряных мельниц были в рабочем состоянии в 1963 году и, вероятно, эксплуатируются и сегодня. Стоит отметить, что схема изобретенного более 1000 лет назад вертикально-осевого карусельного ротора с плоскими и чашечными лопастями и сегодня применяется практически без изменений. 


Вертикально-осевая ветроэлектрическая установка Д. Блиса с карусельным ротором

      В наше время успешно используются ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, получившие патент на конструкцию начиная с 3-го десятилетия ХХ века 


     а) Ротор Савинуса. Изобретён в 1922 году финским инженером Сигурдом Йоханнесом Савониусом.
     б) Ротор Даррье. Изобретён французским авиаконструктором Жоржем Даррье в 1931 году.
     в) Ротор Масгрова. Изобретён английским доктором Масгров из Ридингского университета в 1975 году.
     г) Ротор «Виндсайт». Изобретён финном Йутсиниеми в 1979 году.
     д) Геликоидная турбина Горлова. Изобретена профессором Северо-Восточного Университета Бостона (США) Александром Горловым в 2001 году. Турбину с небольшими отличиями повторяют турбины ветряных электроустановок “Tvister”, “Turby”, “Quitrevolution” и др.

      Принцип работы

      В современных ветряных электроустановках энергия преобразуется в 2 этапа:
       1. Кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую.
       2. Механическая энергия преобразуется в электрическую.

     Чтобы энергия ветра превращалась в механическую используют аэромеханические устройства или ветродвигатели. За границей их называют ветряными турбинами. Ветряной двигатель берёт у движущегося с определённой скоростью воздушного потока часть его кинетической энергии. Величина кинетической энергии зависит от принципа работы установки, габаритов движущейся части и режима работы.

     Есть 2 основных способа отбора мощности ветра. На них базируется работа современных ветряных двигателей.
Первый способ использует феномен подъемной силы крыла, которое имеет соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущем потоке воздуха. Проще говоря – это ветродвигатели подъёмной силы.
Второй способ базируется на дифференциальном (неодинаковом) лобовом сопротивлении твердого тела асимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления ветра. Это ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления.
Есть конструкции, сочетающие оба способа в разном процентном соотношении.

     Чтобы проводить сравнительную оценку технических решений, в ветровой энергетике выработаны критерии, которые характеризуют энергоэффективность конструкции и режим работы:
1. Коэффициент использования ветряной энергии – отношение механической мощности, которую развивают ветряные двигатели, к механической мощности воздушного потока, протекающиго через пространство, ометаемое рабочими поверхностями ветродвигателя. В зарубежной ветряной энергетике данный коэффициент обозначают Cp (СиПи фактор). Теоретики доказали, что для идеального ветряного двигателя, в котором не учитываются потери, величина СиПи фактора не может превышать 0,593. Это число называли лимитом Бетца. По определению является безразмерной.
2. Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости самой удалённой оси вращения ветряного двигателя точки крыла (определяется радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, принято обозначать символом U. Быстроходность по определению величина безразмерная. Считается, что ветряной двигатель тихоходный, если U<2, и быстроходный, если U=4.
Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения «подъёмной силы» 

Работа конструкции подъемной силы крыла

      На рисунке  проиллюстрированы: устройство простейшего ортогонального ветряного двигателя, треугольники скоростей и силы, действующие на лопасть в зависимости от её положения относительно направления ветра. Где:
U – скорость ветра;
V – тангенциальная скорость перемещения лопасти;
W – суммарная («кажущаяся») скорость воздушного потока, взаимодействующего с лопастью;
– угол атаки;
Т – сила, которая создаёт крутящий момент;
N – сила, приложенная к траверсе, соединяющей лопасть с валом установки;
L – подъёмная сила лопасти;
D – сила лобового сопротивления лопасти.

     Ветряной двигатель такой конструкции имеет пульсирующий крутящий момент и для ввода при некотором значении быстроходности в режиме авторотации чаще всего требует раскрутки внешним двигателем.
Увеличение количества лопастей до 3-х и их закрутке вокруг оси ротора (геликоидный ротор), СиПи фактор увеличивает от 0,3 до 0,4. Крутящий момент становится постоянным независимо от положения лопастей относительно направления ветра, достаточно регулярно наблюдается самозапуск на холодном ходу при скоростях ветра 3 метра за секунду и выше. Оптимальный режим работы данных ветряных двигателей (максимальное значение Cp) достигается при значении от 4 до 5 единиц. Увеличение количества лопастей ротора больше 5, как правило, снижает быстроходность и уменьшает Cp. 

Многообразие конструкций современных вертикальных ветродвигателей, использующих для создания крутящего момента подъёмную силу крыла

     Отметим, что вращение турбин приведенных конструкций наблюдается при любом направлении ветра. Т.е. необходимость в устройствах ориентации и дополнительных трансмиссиях, снижающих уровень надежности,полностью отпадает. Это одно из основных преимуществ установок такого типа при сравнении с ветряными электроустановками с горизонтальной осью вращения.
Продолжают появляться новые схемы ветряных электроустановок с горизонтальной осью вращения, в том числе установка с «качающимся крылом», в котором углы атаки крыльев в зависимости от направления ветра изменяются при помощи несложной кинематики. Принцип действия проиллюстрирован на рисунке ниже. Наличие вспомогательных механизмов, с дополнительными потерями на трение, которые к тому же требуют периодического осмотра и ремонта, нейтрализует эффект, получаемый от оптимизации углов атаки крыльев, расположенных в набегающем воздушном потоке. Такие установки производят небольшими сериями. 

Пример конструкции ветряной турбины с вертикальной осью вращения с наведением на ветер

     Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения «дифференциального лобового сопротивления»

     Первые ветряные двигатели с вертикальной осью вращения работали, используя данный принцип. Он заключается в том, что твердое тело асимметричной формы (пример, полусфера) при различной ориентации в потоке воздуха (жидкости), имеющего постоянную скорость V, взаимодействуют с потоком с различными усилиями FЛС1 и FЛС2, соответственно. Давление ветра на полусферу, ориентированную к нему вогнутой частью, более чем в 4 раза превышает давление на ту же полусферу, ориентированную к ветру выпуклой частью. При этом площадь сечения тел одинакова. Если полусферы закрепитель на траверсе с 2-х сторон симметрично относительно оси вращения, то при взаимодействии с движущейся воздушной массой появляется крутящий момент, и устройство будет вращаться с некоторой частотой w. 

 
Принцип работы ветряного двигателя «дифференциального лобового сопротивления»

     Величина крутящего момента зависит от разницы усилий, воздействующего тела, расположенные по разные стороны от оси вращения, а эти усилия определяются скоростью ветра, размерами тел (площадью лобового сечения) и коэффициентом лобового сопротивления.
Среди ветряных двигателей, действующих по принципу дифференциального лобового сопротивления, наиболее известны ротор Савониуса и его модификация – ротор Виндсайт. Машины просто устроены, работают даже в условиях очень низких скоростях ветра, но обладают невысоким Cp. Максимальное значение СиПи фактора для ротора Савониуса, приведенное в источниках, равно 0,25. Номинальная быстроходность этих турбин, как правило, меньше единицы, и у них относительно высокий пусковой момент. 

Разнообразие конструкций ветряных двигателей дифференциального лобового сопротивления 

     Комбинированные ветряные двигатели с вертикальной осью вращения

     Выше описанные две основные группы вертикальных ветряных двигателей, которые выпускаются серийно. Но кроме них есть установки, совмещающие в себе оба принципа действия. 

     В установках, изображённых на рисунках а), б) и г), в зависимости от положения каждой лопасти относительно направления ветра проявляются или эффект подъёмной силы, или эффект дифференциального аэродинамического сопротивления. В установке, показанной на рисунке в), ротор Савониуса используется для раскрутки ротора Даррье до необходимой быстроходности.

 
а) – ветряная электроустановка, построенная марокканскими студентами в 1995 году;
б) — ветряная электроустановка, серийно выпускаемые китайскими производителями в 2010 году
 

     В устройствах, показанных на рисунке выше, система ориентации на ветер постоянно обеспечивает максимальное лобовое сопротивление лопасти, движущейся по ветру, и минимальное лобовое сопротивление лопасти, движущейся против ветра. В промежуточных положениях работает подъёмная сила крыла. Для правильной ориентации лопастей они связаны между собой либо трансмиссией с зубчатым ремнём, либо трансмиссией с зубчатыми колёсами. Устройство с трансмиссией, использующей конические зубчатые колёса, было реализовано в 1995 году (рисунок а). Позже в 2000 году детальному исследованию в аэродинамической трубе была подвержена масштабная модель аналогичного по принципу действия двухлопастного устройства. Результаты исследования показали, что СиПи фактор системы не превышает 0,2. После этого опыты с данной конструкцией прекратили. Однако китайские производители ветрогенераторов (рисунок б) в настоящее время выпускают аналогичные установки мощностью 3,5-10 кВт при скоростях ветра 9,10 или 10 м/с, соответственно. 

     Энергохарактеристики

    Основные свойства ветряных двигателей полностью описывает зависимость Cp = f (1). Её называют главной энергетической характеристикой ветряного двигателя. На рисунке _ приведены главные энергетические характеристики ряда распространенных ветряных двигателей.
Ветроэнергетики хорошо знают, что Сp£0,593, что было теоретически доказано российскими учеными (Сабинин и др.) ещё в 1914 году, но за границей доказательство было опубликовано в 1924 году немецким физиком Бетцем, и поэтому величина 0,593 называется «предел Бетца». 

Главные энергохарактерстики наиболее распространённых ветряных двигателей 

      Рисунок выше очень хорошо показывает, что вертикальных ветряных турбин, которые используют подъёмную силу крыла, имеют Cp по величине, очень близкий к показателю быстроходных малолопастных ветроколёс с горизонтальной осью вращения. Это обстоятельство наряду с относительной конструкции и отсутствием необходимости наведения на ветер, является причиной современного возрождения интереса к вертикальным ветряным двигателям. 


Пример представления технических характеристик на сайте производителя (Китай)

      Не менее важной характеристикой вертикального ветродвигателя (и горизонтального), является кривая развиваемой мощности, представляющая собой зависимость выходной электрической мощности установки от скорости ветра. Серьёзные производители ветрогенераторов обязательно приводят такую кривую в технических характеристиках своей продукции, так как говорить о мощности установки в отрыве от скорости ветра не имеет смысла. При наличии статистики по частотам повторяемости скорости ветра для интересующей нас местности кривая развиваемой мощности позволяет произвести довольно точный расчёт выработки электрической энергии. 

Примеры кривых выходной мощности двух вертикальных ветряных энергоустановок 

     Тенденции развития вертикальных ветрогенераторов 

     Современная волна интереса к вертикальным ветряным энергоустановкам объясняется следующими причинами:
1. Практически исчерпаны концептуальные и технические резервы развития горизонтальных ветрогенераторов. При современном развитии технологий уже невозможно строить более крупные установки.
2. Относительно высокие энергетические характеристики отдельных вертикальных ветряных энергоустановок при значительно простой конструкции, которая не требует в большинстве случаев наведения на ветер.
3. Относительно низкий уровень шумов и вибраций.

     Отметим некоторые тенденции в области проектирования, производства и эксплуатации вертикальных ветрогенераторов. Широко используется компьютерное моделирование. Успехи в развитии современных математических методов и программных средств, дают возможность производить достаточно точные проектные расчёты при наличии существенно турбулентных процессов, имеющих место при работе ветряных электроустановок данного типа. На рисунке ниже приведены характерные формы представления результатов применения программных средств, реализующих метод конечных элементов для расчёта поля скоростей воздушного потока, проходящего через сечение ротора вертикальной ветроустановки. Именно благодаря компьютерному моделированию рассматриваемая область ветряной энергетики получила мощный толчок развития. 


 Типичное представление результатов аэродинамического расчёта методом конечных элементов 

     Постоянное совершенствование конструкций вертикальных ветряных электроустановок и использование новых конфигураций лопастей в области вертикальных ветряных электроустановок спровоцировало тенденцию введения механизации крыла. В случае, если в установке применяется прямое крыло, имеется возможность реализовать комбинацию Савониус-Даррье для работы в различных режимах: 


 Вариант механизации крыла вертикальных ветряных электроустановок

      Разделение ветряных электроустановок с вертикальной осью вращения на 2 группы по соотношению высоты ротора к диаметру. Анализ существующих конструкций вертикальных ветрогенераторов показывает, что с увеличением установленной мощности наблюдается тенденция к увеличению диаметра ротора при одновременном снижении частоты его вращения. Чем больше размеры ротора, тем сложнее осуществить его аэродинамическую симметрию и балансировку, что на высоких частотах вращения чревато возникновением значительных вибраций, которые могут привести к разрушению конструкции. На рисунке 17 приведены наиболее часто встречающиеся пропорции вертикальные ветряные электроустановки, в сравнении с горизонтальными установками. 

 Пропорции вертикальных ветряных электроустановок

      Строительство оффшорных ветропарков на базе вертикальных ветрогенераторов. Важнейшей тенденцией наблюдаемой в современной ветроэнергетике, является строительство ветряных парков на континентальном шельфе. Строительство ветропарка вообще выгоднее, чем строительство отдельной ветряной электростанции. Оффшорные парки позволяют решить более широкий круг проблем, в частности требования по шумам и вибрациям сводятся до минимума, а стробоскопический эффект вообще не учитывается. Плюс к тому в береговой зоне, как правило, наблюдаются устойчивые ветры с достаточными скоростями. До недавнего времени в оффшорных ветряных парках применялись исключительно горизонтальные ВЭУ. Недавно в Интернете опубликована информация о предстоящем строительстве объекта установленной мощностью 10 МВт на базе вертикальных ветрогенераторов.
Мощное ускорение китайских производителей. Ещё 3-4 года назад найти рекламу китайского предприятия по производству ВЭУ в Интернете было практически невозможно. Сегодня на первых 30 страницах поиска по теме вертикальных ветрогенераторов среди китайских производителей иногда проскакивают американские и европейские.
Характерная черта китайской ветряной энергетики – это, то, что в производство запускается любое устройство, способное производить электроэнергию из ветряной энергии независимо от принципа действия и величины Cp. Цены на китайскую продукцию значительно ниже, но и качество пока оставляет желать лучшего. Однако всем нам известен объективный закон перехода количества в качество, согласно которому в ближайшие годы следует ожидать появления нового мирового лидера в области ветряной энергетики. Как упоминалось выше, уже сегодня Китай вышел на втрое место в мире по установленной мощности ветрогенераторов.
Научно-исследовательская лаборатория технологий энергетики возобновляемых источников Международного института компьютерных технологий (г. Воронеж) и Воронежский государственный технический университет в течении ряда лет проводят исследования в области вертикальных ветряных электроустановок. Учёные произвели продувки масштабных моделей роторов. В результате проведённых исследований была разработана перспективная конструкция вертикального ветрогенератора. Демонстрационный масштабный образец сейчас находится на стадии изготовления. 


Разновидности исследованных моделей роторов 

     Рабочая установка имеет оригинальную конструкцию лопасти из композитного материала, магнитный подвес ротора и многополюсный генератор прямого привода с возбуждением от постоянных магнитов. Преобразование энергии осуществляется по следующей схеме:

      Ветряная турбина → синхронный генератор → регулируемый выпрямитель → буферный накопитель энергии →инвертор → потребители/сеть

     Данная схема сегодня считается самой перспективной.


     Приемлемый коэффициент полезного действия устройства обеспечен регулировкой нагрузки в зависимости от скорости ветра/крутящего момента и использованием пассивного магнитного подвеса. Рисунок ниже иллюстрирует полуфабрикаты лопастей модели ротора и 3Д-проекцию демонстрационного макета. 

 Перспективная схема конструкции вертикального ветрогенератора
а) – заготовка лопасти
б) – модель вертикального ветрогенератора в работе
в) – демонстрационный образец мощностью 1,5 кВт

      Для дальнейшего увеличения мощности вертикальных ветряных электроустановок потребуется или специальные генератор, или же мультипликаторы.

      Сегодня в приоритете в развитии энерготехнологий нетрадиционная экологичная энергетика, которая использует возобновляемые источники энергии, в том числе и ветроэнергетика.

     Вертикальные ветрогенераторы можно отнести к новым направлениям ветроэнергетики, поскольку их развитие начинается с 1970-х годов. Горизонтальные ветряные электроустановки имеют многовековую историю. Это также объясняет высокий технический уровень горизонтальных ветрогенераторов.

     Период развития вертикальных ВЭУ составляет около 50 лет. За это время учёные провели огромный объём теоретических основополагающих исследований принципиально новых вопросов аэродинамики, прочности и динамики ротора Дарье, инженерных работ, решающих конструктивные проблемы, которые связаны с повышенной массивностью, инерционностью и циклической нагрузкой вращающихся узлов. Благодаря проделанной работы учёные получили опыт разработки, отработки и использования, вертикальных ветрогенераторов, и что очень важно эффективность и надёжность вертикальных ВЭУ догоняет уровень горизонтальных ВЭУ.

     В настоящее время вертикальные роторы Савониуса и Даррье различных модификаций используют лишь в небольших ветряных электроустановках.

    Часть вертикальных ветрогенераторов на мировом рынке составляет 35%. Это установки мощностью до 50 кВт. Вертикальных ветрогенераторов мощностью более 100 кВт на рынке практически нет.

Вертикальный ветрогенератор своими руками — пошаговые инструкции по сборке

Здесь вы узнаете:

Вертикальный ветрогенератор своими руками — это метод преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Альтернативная энергия, получаемая от ветра — экологичный и экономичный способ.

Законность установки ветрогенератора

Альтернативные источники энергии – мечта любого дачника или домовладельца, участок которого находится вдали от центральных сетей. Впрочем, получая счета за электроэнергию, израсходованную в городской квартире, и глядя на возросшие тарифы, мы осознаём, что ветрогенератор, созданный для бытовых нужд, нам бы не помешал.

Прочитав эту статью, возможно, вы воплотите свою мечту в реальность.


Ветрогенератор – отличное решение для обеспечения загородного объекта электроэнергией. Причем в ряде случаев его установка является единственным возможным выходом

Чтобы не потратить зря деньги, силы и время, давайте определимся: есть ли какие-либо внешние обстоятельства, которые создадут нам препятствия в процессе эксплуатации ветрогенератора?

Для обеспечения электроэнергией дачи или небольшого коттеджа достаточно малой ветроэнергетической установки, мощность которой не превысит 1 кВт. Такие устройства в России приравнены к бытовым изделиям. Их установка не требует сертификатов, разрешений или каких-либо дополнительных согласований.


Для того чтобы определиться с целесообразностью устройства ветрогенератора, необходимо выяснить ветроэнергетический потенциал конкретной местности (кликните для увеличения)

Никакого налогообложения производства электроэнергии, которая расходуется на обеспечение собственных бытовых нужд, не предусмотрено. Поэтому маломощный ветряк можно смело устанавливать, вырабатывать с его помощью бесплатную электроэнергию, не уплачивая при этом государству никаких налогов.

Впрочем, на всякий случай следует поинтересоваться, нет ли каких-либо местных нормативных актов, касающиеся индивидуального энергоснабжения, которые могли бы создать препятствия в установке и эксплуатации этого устройства.

Претензии могут возникнуть у ваших соседей, если они будут испытывать неудобства, связанные с эксплуатацией ветряка. Не забывайте, что наши права заканчиваются там, где начинаются права других людей.

Поэтому при покупке или самостоятельном изготовлении ветрогенератора для дома нужно обратить серьёзное внимание на следующие параметры:

  • Высота мачты. При сборке ветрогенератора нужно учитывать ограничения на высоту индивидуальных построек, которые существуют в ряде стран мира, а также местонахождение собственного участка. Знайте, что поблизости от мостов, аэропортов и тоннелей строения, высота которых превышает 15 метров, запрещены.
  • Шум от редуктора и лопастей. Параметры создаваемого шума можно установить при помощи специального прибора, после чего зафиксировать результаты замеров документально. Важно, чтобы они не превышали установленные шумовые нормы.
  • Эфирные помехи. В идеале при создании ветряка должна быть предусмотрена защита от создания телепомех там, где ваше устройство может такие неприятности обеспечить.
  • Претензии экологических служб. Эта организация может препятствовать вам в эксплуатации установки только в том случае, если она мешает миграции перелетных птиц. Но это маловероятно.

При самостоятельном создании и монтаже устройства учите эти моменты, а при покупке готового изделия обратите внимание на параметры, которые стоят в его паспорте. Лучше заранее обезопасит себя, чем впоследствии расстраиваться.

  • Целесообразность устройства ветряка обосновывается в первую очередь достаточно высоким и стабильным ветряным напором в местности;
  • Необходимо располагать достаточно большим участком, полезная площадь которого не будет существенно сокращена из за установки системы;
  • Из-за сопровождающего работу ветряка шума желательно, чтобы между жильем соседей и установкой было не менее 200 м;
  • Убедительно аргументирует в пользу устройства ветрогенератора неуклонно повышающаяся стоимость электроэнергии;
  • Устройство ветрогенератора возможно только в местностях, власти которых не препятствуют, а лучше еще и поощряют использование зеленых видов энергии;
  • Если в регионе сооружения мини электростанции, перерабатывающей энергию ветра, случаются частые перебои, установка минимизирует неудобства;
  • Владелец системы должен быть готов к тому, что вложенные в готовое изделие средства не окупятся сразу. Экономический эффект может стать ощутимым через 10 — 15 лет;
  • Если окупаемость системы — не последний момент, стоит задуматься об сооружении мини электростанции собственными руками.

Преимущества и принцип работы ветряков

Современный вертикальный генератор – один из вариантов альтернативной энергии для дома. Агрегат способен преобразовать порывы ветра в энергетический ресурс. Для корректной работы он не нуждается в дополнительных устройствах, определяющих направление ветра.


Ветряной генератор роторного типа очень легко изготовить своими руками. Конечно, полностью взять на себя обеспечение частного крупногабаритного коттеджа энергией он не сможет, но с освещением хозяйственных построек, садовых дорожек и придомовой территории справится на отлично

Прибор вертикального типа функционирует на низкой высоте. Для его обслуживания не нужны различные приспособления, обеспечивающие безопасное проведение высотных ремонтных и обслуживающих работ.

Минимум движущихся деталей делает ветряную установку более надежной и эксплуатационно устойчивой. Оптимальный профиль лопастей и оригинальной формы ротор обеспечивают агрегату высокий уровень КПД независимо от того, в каком направлении дует ветер в каждый отдельный момент.


Малые бытовые модели состоят из трех и более легких лопастей, моментально улавливают самый слабый порыв и начинают вращаться, как только сила ветра превышает 1,5 м/с. Благодаря этой способности их эффективность часто превышает КПД крупных установок, нуждающихся в более сильном ветре

Генератор работает абсолютно бесшумно, не мешает хозяевам и соседям, не создает вредных выбросов в атмосферу и надежно служит в течение многих лет, аккуратно поставляя энергию в жилые помещения.

Вертикальный генератор ветрового типа работает по принципу магнитной левитации. В процессе вращения турбин образуются импульсная и подъемная силы, а также сила фактического торможения. Первые две заставляют крутиться лопасти агрегата. Это действие активирует ротор и он создает магнитное поле, вырабатывающее электричество.


Ветряк, имеющий вертикальную ось вращения, по эффективности уступает своим горизонтальным аналогам. Зато не предъявляет претензий к территориальному расположению и полноценно работает практически в любом удобном для домовладельцев месте

Прибор функционирует полностью самостоятельно и не требует вмешательства хозяев в процесс.

Ветрогенератор с вертикальной осью вращения

В ветряных генераторах данного вида вращающаяся ось генератора расположена вертикально по отношению к поверхности земли.

За годы использования устройств данного вида появились разнообразные конструкции которые объединены в группы, это:

С ротором Дарье — агрегаты оснащаются двумя или тремя лопастями, изогнутыми в форме овала.

К положительным особенностям данной конструкции можно отнести:

  • Самостоятельную ориентацию по отношению к воздушным потокам;
  • Удобное обслуживание установки.
  • Простота схемы агрегата.

К отрицательным относятся:

  • Нет возможности в самостоятельной раскрутке лопастей;
  • Значительная нагрузка на элементы конструкции;
  • Лопасти должны быть идентичны и соответствовать заданному профилю;
  • Повышенный уровень шума в процессе работы.
  • С ротором Савониуса – агрегаты оснащены лопастями в виде цилиндрических поверхностей.

Достоинствами данной группы являются:

  • Для запуска в работу требуются незначительные потоки ветра;
  • Способность быстрого набора крутящего момента;
  • Надёжность конструкции;
  • Низкая стоимость.

К недостаткам можно отнести:

  • Низкий КПД устройств этой группы.

Устройства с ротором Савониуса применяют при монтаже комбинированных ветровых генераторов, их используют для разгона агрегатов с ротором Дарье.

С вертикально-осевой конструкций ротора — у агрегатов этой группы лопасти напоминают форму крыла самолета и расположены вертикально, ось ротора расположена параллельна валу.

По внешнему виду агрегаты данной группы похожи на устройства с ротором Дарье.

К положительным качествам устройств относятся:

  1. Простота в изготовлении;
  2. Способность быстрого набора скорости вращения;
  3. Низкий уровень шума.
  4. Надежность в работе.
  5. С геликоидным ротором – агрегаты этой группы являются более развитым вариантом устройств с вертикально-осевым ротором. Лопасти имеют форму геликоидной кривой.

Положительные качества:

  1. Более низкие нагрузки на элементы конструкции;
  2. Быстрый набор скорости вращения.

Недостатки:

  • Повышенный уровень шума;
  • Высокая стоимость.
  • Многолопастный ротор – в основу агрегатов этого типа положена вертикально-осевая конструкция с устройством дополнительного внешнего кольца неподвижных лопастей.

Достоинства агрегатов данной группы:

  • Более высокий КПД установок;
  • Чувствительность к потокам ветра.

Недостатки:

  • Высокая стоимость;
  • Повышенный уровень шума.

ВС

На первой позиции – самый простейший, чаще всего называемый ротором Савониуса. На самом деле его изобрели в 1924 г. в СССР Я. А. и А. А. Воронины, а финский промышленник Сигурд Савониус бессовестно присвоил себе изобретение, проигнорировав советское авторское свидетельство, и начал серийный выпуск. Но внедрение в судьбе изобретения значит очень много, поэтому мы, чтобы не ворошить прошлое и не тревожить прах усопших, назовем этот ветряк ротором Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС.

ВС для самодельщика всем хорош, кроме «паровозного» КИЭВ в 10-18%. Однако в СССР над ним работали много, и наработки есть. Ниже мы рассмотрим усовершенствованную конструкцию, не намного более сложную, но по КИЭВ дающую фору лопастникам.

Примечание: двухлопастный ВС не крутится, а дергается рывками; 4-лопастный лишь немного плавнее, но много теряет в КИЭВ. Для улучшения 4-«корытные» чаще всего разносят на два этажа – пара лопастей внизу, а другая пара, повернутая на 90 градусов по горизонтали, над ними. КИЭВ сохраняется, и боковые нагрузки на механику слабеют, но изгибные несколько возрастают, и при ветре более 25 м/с у такой ВСУ на древке, т.е. без растянутого вантами подшипника над ротором, «срывает башню».

Дарье

Следующий – ротор Дарье; КИЭВ – до 20%. Он еще проще: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. Теория ротора Дарье еще недостаточно разработана. Ясно только, что начинает он раскручиваться за счет разности аэродинамического сопротивления горба и кармана ленты, а затем становится вроде как быстроходным, образуя собственную циркуляцию.

Вращательный момент мал, а в стартовых положениях ротора параллельно и перпендикулярно ветру вообще отсутствует, поэтому самораскрутка возможна только при нечетном количестве лопастей (крыльев?) В любом случае на время раскрутки нагрузку от генератора нужно отключать.

Есть у ротора Дарье еще два нехороших качества. Во-первых, при вращении вектор тяги лопасти описывает полный оборот относительно ее аэродинамического фокуса, и не плавно, а рывками. Поэтому ротор Дарье быстро разбивает свою механику даже при ровном ветре.

Во-вторых, Дарье не то что шумит, а вопит и визжит, вплоть до того, что лента рвется. Происходит это вследствие ее вибрации. И чем больше лопастей, тем сильнее рев. Так что Дарье если и делают, то двухлопастными, из дорогих высокопрочных звукопоглощающих материалов (карбона, майлара), а для раскрутки посередине мачты-древка приспосабливают небольшой ВС.

Ортогонал

На поз. 3 – ортогональный вертикальный ротор с профилированными лопастями. Ортогональный потому, что крылья торчат вертикально. Переход от ВС к ортогоналу иллюстрирует рис. слева.

Карусельный и ортогональный роторы

Угол установки лопастей относительно касательной к окружности, касающейся аэродинамических фокусов крыльев, может быть как положительным (на рис.), так и отрицательным, сообразно силе ветра. Иногда лопасти делают поворотными и ставят на них флюгерки, автоматически держащие «альфу», но такие конструкции часто ломаются.

Центральное тело (голубое на рис.) позволяет довести КИЭВ почти до 50%. В трехлопастном ортогонале оно должно в разрезе иметь форму треугольника со слегка выпуклыми сторонами и скругленными углами, а при большем количестве лопастей достаточно простого цилиндра. Но теория для ортогонала оптимальное количество лопастей дает однозначно: их должно быть ровно 3.

Ортогонал относится к быстроходным ветрякам с ОСС, т.е. обязательно требует раскрутки при вводе в эксплуатацию и после штиля. По ортогональной схеме выпускаются серийные необслуживаемые ВСУ мощностью до 20 кВт.

Геликоид

Геликоидный ротор, или ротор Горлова (поз. 4) – разновидность ортогонала, обеспечивающая равномерное вращение; ортогонал с прямыми крыльями «рвет» лишь немного слабее двухлопастного ВС. Изгиб лопастей по геликоиде позволяет избежать потерь КИЭВ из-за их кривизны. Хотя часть потока кривая лопасть и отбрасывает, не используя, но зато и загребает часть в зону наибольшей линейной скорости, компенсируя потери. Геликоиды используют реже прочих ветряков, т.к. они вследствие сложности изготовления оказываются дороже равных по качеству собратьев.

Бочка-загребушка

На 5 поз. – ротор типа ВС, окруженный направляющим аппаратом; его схема представлена на рис. справа. В промышленном исполнении встречается редко, т.к. дорогостоящий отвод земли не компенсирует прироста мощности, а материалоемкость и сложность производства велики. Но самодельщик, боящийся работы – уже не мастер, а потребитель, и, если нужно не более 0,5-1,5 кВт, то для него «бочка-загребушка» лакомый кусок:

Вертикальный ротор с направляющим аппаратом

  • Ротор такого типа абсолютно безопасен, бесшумен, не создает вибраций и может быть установлен где угодно, хоть на детской площадке.
  • Согнуть «корыта» из оцинковки и сварить каркас из труб – работа ерундовая.
  • Вращение – абсолютно равномерное, детали механики можно взять самые дешевые или из хлама.
  • Не боится ураганов – слишком сильный ветер не может протолкнуться в «бочку»; вокруг нее возникает обтекаемый вихревой кокон (мы с этим эффектом еще столкнемся).
  • А самое главное – поскольку поверхность «загребушки» в несколько раз больше таковой ротора внутри, КИЭВ может быть и сверхединичным, а вращательным момент уже при 3 м/с у «бочки» трехметрового диаметра такой, что генератору на 1 кВт с предельной нагрузкой, как говорится, лучше и не дергаться.

Видео: ветрогенератор Ленца

Как изготовить ветрогенератор с вертикальной осью вращения своими руками

Составные элементы:

  • Осевая мачта — это несущая конструкция в форме пирамиды, треноги или шеста высотой около пяти метров. На ней закрепляют лопасти и генератор.
  • Лопасти улавливают потоки ветра.
  • Статор вмещает в себя фазы из катушек.
  • Ротор — это подвижная часть ветряка.
  • Контроллер включает замедление ветрогенератора, когда тот развивает мощность, выше его базовых метрик.
  • Инвертор дает переменный ток.
  • Аккумулятор накапливает сгенерированную энергию.

Подготовка элементов

Чтобы сделать лопасти для вертикального ветрогенератора, понадобится качественный пластик и/или жесть. Например, лопастную конструкцию можно сделать из пластиковых труб, Тогда к каждой стороне трубы крепятся полукруглые жестяные фрагменты. Высота и радиус вращения должны достигать 70 см. Или же можно изготовить лопастную конструкцию из запчастей.

Для ротора нужны 2 ферритовых диска диаметром 32 см, 6 неодимовых магнитов и клей. Роторная система состоит из двух дисков. Схема каждого диска следующая: нужно так расположить магниты, чтобы их полярность чередовалась, угол между ними составлял 60 градусов, а диаметр размещения равнялся 16,5 см. После правильного размещения магниты заливаются клеем.

Для статора нужно сделать девять катушек с 60 витками медной проволоки диаметром 0,1 см. Чтобы сделать три фазы, катушки необходимо спаять между собой в следующем порядке:

  1. Для первой фазы начало 1-ой катушки соединяем с концом 4-ой, а начало 4-ой с концом 7-ой;
  2. Для второй фазы делаем то же самое, но начинаем со 2-ой катушки;
  3. Для изготовления третьей фазы начинаем с 3-ей катушки.

Форму для катушек делают из фанеры и выкладывают стекловолокном. После размещения фаз их нужно залить клеем и оставить сохнуть на несколько дней.

Монтаж конструкции

Когда с изготовлением составных элементов покончено, можно приступать к их соединению между собой. Сначала нужно соединить ротор и статор:

  • В верхнем диске ротора сделайте отверстия для четырех шпилек.
  • В статоре сделайте отверстия для крепления к подставке.
  • Положите нижний диск ротора на подставку магнитами вверх.
  • На нижнем роторе разместите статор и уприте шпильки в алюминиевую пластину.
  • Накройте конструкцию вторым роторным диском (магниты расположены внизу).
  • При помощи вращения шпилек добейтесь равномерного сближения верхнего и нижнего роторных дисков, после этого шпильки и пластину аккуратно убирают.
  • Зафиксируйте генератор гайками.

Готовый генератор прикрутите к осевой мачте. После этого к генератору можно прикреплять лопастную конструкцию. Теперь ваш ветряк готов к установке! Для установки ветряка подготовьте армированный фундамент и зафиксируйте конструкцию растяжкой.

В последнюю очередь подключается электросеть в следующем порядке: энергия от генератора попадает на контроллер, затем собирается на аккумуляторе, а потом преобразуется в переменный ток при помощи инвертора.

Ветрогенераторы своими руками на 220 в

Для того, чтобы собрать ветроуловитель нам понадобятся: генератор на 12 вольт, аккумуляторные батареи, преобразователь с 12 v на 220 в, вольтметр, медные провода, крепежи (хомуты, болты, гайки).


Чтобы ветрогенератор получился практичным и качественным, перед его изготовлением лучше дополнительно ознакомиться с подробной инструкцией

Изготовление любого ветряка предполагает наличие таких этапов как:

  1. Изготовление лопастей. Лопасти вертикального ветрогенератора можно сделать из бочки. Нарезать детали можно при помощи болгарки. Винт для небольшого ветряка можно изготовить из трубы ПВХ с сечением в 160 мм.
  2. Изготовление мачты. Мачта должна быть высотой не менее 6 метров. При этом, для того, чтобы крутящее усилие не сорвало мачту, ее необходимо закрепить ее на 4 растяжки. Каждую растяжку, при этом, нужно намотать на бревно, которое следует закопать глубоко в землю.
  3. Установка неодимовых магнитов. Магниты наклеиваются на диск ротора. Лучше выбирать прямоугольные магниты, магнитные поля в которых сосредотачиваются по всей поверхности.
  4. Намотка катушек генератора. Намотка выполняется медной нитью с диаметром не менее двух мм. При этом, мотков должно быть не более 1200.
  5. Фиксация лопастей к трубе при помощи гаек.

При наличии мощных аккумуляторных батарей и инвертора, полученное устройство сможет выработать такое количество электричества, которого будет достаточно для использования бытовой техники (например, холодильника и телевизора). Отлично подойдет такой генератор для поддержания работы систем освещения, отопления и вентиляции небольшого дачного домика, теплицы.

Сборка аксиальной ВЭУ на неодимовых магнитах

Поскольку неодимовые магниты в России появились относительно недавно, то и аксиальные ветрогенераторы с безжелезными статорами стали делать не так давно.

Появление магнитов вызвало ажиотажный спрос, но постепенно рынок насытился, и стоимость этого товара стала снижаться. Он стал доступен для умельцев, которые тут же приспособили его для своих разнообразных нужд.


Аксиальная ВЭУ на неодимовых магнитах с горизонтальной осью вращения – более сложная конструкция, требующая не только умения, но и определенных знаний

Если у вас имеется ступица от старого авто с тормозными дисками, то её и возьмем в качестве основы будущего аксиального генератора.

Предполагается, что эта деталь не новая, а уже эксплуатировавшаяся. В этом случае её необходимо разобрать, проверить и смазать подшипники, тщательно вычистить прочь осадочные наслоения и всю ржавчину. Готовый генератор не забудьте покрасить.


Ступица с тормозными дисками, как правило, достаётся умельцам в качестве одного из узлов старого автомобиля, отправившегося в утиль, поэтому нуждается в тщательной чистке

Распределение и закрепление магнитов

Неодимовые магниты должны быть наклеены на диски ротора. Для нашей работы возьмем 20 магнитов 25х8мм.

Конечно, можно использовать и другое количество полюсов, но при этом необходимо соблюдать следующие правила: количество магнитов и полюсов в однофазном генераторе должно совпадать, но, если речь идёт о трехфазной модели, то соотношение полюсов к катушкам должно составлять 2/3 или 4/3.

При размещении магнитов полюса чередуются. Важно не ошибиться. Если вы не уверены, что расположите элементы правильно, сделайте шаблон-подсказку или нанесите сектора прямо на сам диск.

Если у вас есть выбор, купите лучше не круглые, а прямоугольные магниты. В прямоугольных моделях магнитное поле сосредоточено по всей длине, а в круглых – в центре.

У противостоящих магнитов должны быть разные полюса. Вы ничего не перепутаете, если с помощью маркера пометите их знаками минус или плюс. Чтобы определить полюса, возьмите магниты и поднесите их друг к другу.

Если поверхности притягиваются, поставьте на них плюс, если отталкиваются, то пометьте их минусами. При размещении магнитов на дисках чередуйте полюса.


Магниты установлены с соблюдением правила чередования полисов, по наружному и внутреннему периметрам расположены бортики из пластилина: изделие готово к заливке эпоксидной смолой

Для надежности закрепления магнита нужно применять качественный и максимально сильный клей.

Чтобы усилить надежность фиксации, можно воспользоваться эпоксидной смолой. Её следует развести так, как это указано в инструкции, и залить ею диск. Смола должна покрыть диск целиком, но не стекать с него. Предотвратить вероятность стекания можно, если обмотать диск скотчем или сделать по его периметру временные пластилиновые ограждения из полимерной полосы.

Генераторы однофазного и трехфазного вида

Если сравнивать однофазный и трехфазный статоры, то последний окажется лучше. Однофазный генератор при нагрузке вибрирует. Причиной вибрации становится разница в амплитуде тока, возникающая из-за непостоянной его отдачи за момент времени.

Такого недостатка у трехфазной модели нет. Она отличается постоянной мощностью из-за компенсирующих друг друга фаз: когда в одной происходит нарастание тока, в другой он падает.

По итогам тестирования отдача трехфазной модели почти на 50% больше, чем аналогичный показатель однофазной. Ещё одним достоинством этой модели является то, что в отсутствии лишней вибрации повышается акустический комфорт при функционировании устройства под нагрузкой.

То есть, трехфазный генератор практически не гудит в процессе его эксплуатации. Когда вибрация снижается, срок службы устройства логично повышается.


В борьбе между трехфазными и однофазными устройствами неизменно побеждает трехфазное, потому что оно не так сильно гудит в процессе работы и служит дольше однофазного

Правила наматывания катушки

Если спросить специалиста, то он скажет, что перед тем, как наматывать катушки, нужно выполнить тщательный расчет. Практик в этом вопросе положится на свою интуицию.

Мы выбрали не слишком скоростной вариант генератор. У нас процедура зарядки двенадцативольтового аккумулятора должна начаться при 100-150 оборотах за минуту. Такие исходные данные требуют, чтобы общее количество витков всех катушек составило 1000-1200 штук. Эту цифру нам осталось поделить между всеми катушками и определить, сколько же витков будет на каждой.

Ветряк на низких оборотах может быть мощнее, если увеличится количество полюсов. Частота колебаний тока в катушках при этом увеличится. Если для намотки катушек применять провод большего сечения, сопротивление уменьшится, а сила тока увеличится. Не упустите из виду тот факт, что большее напряжение может «съедать» ток из-за сопротивления обмотки.

Процесс намотки можно облегчить и сделать эффективнее, если использовать для этой цели специальный станочек.


Совсем необязательно такой рутинный процесс как наматывание катушек делать вручную. Немного смекалки и отличный станочек, который легко справляется с намоткой, уже есть

На рабочие характеристики самодельных генераторов большое влияние оказывают толщина и количество магнитов, которые расположены на дисках. Совокупную итоговую мощность можно рассчитать, если намотать одну катушку, а затем прокрутить её в генераторе. Будущая мощность генератора определяется путем измерения напряжения на конкретных оборотах без нагрузки.

Приведем пример. При сопротивлении 3 Ом и 200 оборотах в минуту выходит 30 вольт. Если отнять от этого результата 12 вольт напряжения аккумулятора, получится 18 вольт. Делим этот результат на 3 Ом и получаем 6 ампер. Объём в 6 ампер и отправится на аккумулятор. Конечно, в расчете мы не учли потери в проводах и на диодном мосту: фактический результат окажется меньше расчетного.

Обычно катушки делают круглыми. Но, если их немного вытянуть, то получится больше меди в секторе и витки окажутся прямее. Если сравнивать размер магнита и диаметр внутреннего отверстия катушек, то они должны соответствовать друг другу или размер магнита может быть немного меньше.

Толщина статора, который мы делаем, должна правильно соотноситься с толщиной магнитов. Если статор сделать больше за счет увеличения количества витков в катушках, междисковое пространство возрастет, а магнитопоток уменьшится. Результат же может оказаться таким: образуется такое же напряжение, но, из-за увеличившегося сопротивления катушек, мы получим меньший ток.

Для изготовления формы для статора применяют фанеру. Впрочем, сектора для катушек можно разметить на бумаге, используя в качестве бордюров пластилин.

Если поверх катушек на дно формы поместить стеклоткань, прочность изделия повысится. Перед нанесением эпоксидной смолы нужно форму смазать вазелином или воском, тогда смола не прилипнет к форме. Некоторые используют вместо смазки скотч или пленку.

Между собой катушки закрепляются неподвижно. При этом концы фаз выводятся наружу. Шесть выведенных наружу проводов следует соединить звездой или треугольником. Вращая собранный генератор рукой, производят его тестирование. Если напряжение будет 40 V, то сила тока составит примерно 10 ампер.

Окончательная сборка устройства

Длина готовой мачты должна составлять примерно 6-12 метров. При таких параметрах её основание должно быть забетонированным. Сам ветряк будет закреплен на верхней части мачты.

Чтобы до него можно было добраться в случае поломки, нужно предусмотреть в основании мачты специальное крепление, которое позволит поднимать и опускать трубу, используя при этом ручную лебедку.


Высоко вздымается мачта с прикрепленным к ней ветрогенератором, но предусмотрительный мастер сделал специальное устройство, которое позволяет при необходимости опустить конструкцию на землю

Чтобы изготовить винт, можно использовать трубу ПВХ диаметром 160 мм. Она будет использоваться для вырезания из её поверхности двухметрового винта, состоящего из шести лопастей. Форму лопастей лучше разработать самостоятельно опытным путем. Цель – усилить крутящий момент при низких оборотах.

Винт-пропеллер следует беречь от слишком сильного ветра. Для решения этой задачи используют складной хвост. Выработанная энергия накапливается в аккумуляторах.

Вниманию наших читателей мы предоставили два варианта ветрогенераторов, сделанных своими руками на 220 в, которые пользуются повышенным вниманием не только владельцев загородной недвижимости, но и простых дачников.

Обе модели ВЭУ эффективны по-своему. Особенно хорошие результаты эти устройства способны продемонстрировать в степной местности с частыми и сильными ветрами. Они достаточно эффективны, чтобы использоваться в организации альтернативного отопления дома и в поставке электроэнергии. И их не так уж сложно соорудить своими руками.

Место установки ветрогенератора

Ветрогенератор, описываемый здесь, установлен на 4-х метровой опоре на краю горы. Трубный фланец, который установлен снизу генератора обеспечивает легкую и быструю установку ветрогенератора — достаточно прикрутить 4 болта. Хотя для надежности, лучше приварить.

Обычно, горизонтальные ветрогенераторы «любят» когда ветер дует с одного направления, в отличии от вертикальных ветряков, где за счет флюгера, они могут поворачиваться и им не важно направление ветра. Т.к. данный ветряк установлен на берегу скалы, то ветер там создает турбулентные потоки с разных направлений, что не очень эффективно для данной конструкции.

Другим фактором, который необходимо учитывать при подборе места размещения, является сила ветра. Архив данных по силе ветра для вашей местности можно найти в интернете, правда это будет очень приблизительно, т.к. все зависит от конкретного места.
Также, в выборе месторасположения установки ветрогенератора поможет анемометр (прибор для измерения силы ветра).

Результат работы ветряка: расчет эффективности

Тестовые испытания ветрогенератора при разной скорости ветра показали следующие результаты:

  • при скорости ветра 5 м/с получаем 60 об/мин — 7 В и 2,3 А = 16 Вт;
  • при скорости ветра 10,6 м/с получаем около 120 об/мин — 13 В и 3,4 А = 44 Вт;
  • при скорости 15,3 м/с примерно 180 об/мин — 15 В и 5,1 А = 76,5 Вт;
  • при скорости ветра 18 м/с получаем 240 об/мин — 18 В и 9 А = 162 Вт.

В основном ветряк выдает 16–45 Вт, так как ветер более 15 м/с бывает редко. Однако, если поставить скоростной винт, тогда можно получить более высокие результаты.

Ветровые турбины с вертикальной осью (VAWT)

Инструкция для ветряных турбин с вертикальной осью.

Ротор ветряной турбины с вертикальной осью вращается вокруг вертикальной оси. Основным преимуществом этого является то, что он может принимать ветер с любого направления, поэтому при изменении ветра ветряная турбина такого типа не нуждается в приведении в действие рулевого устройства для отклонения ротора в сторону ветра. Поскольку нет необходимости в рулевом устройстве, конструкция вертикальной ветряной турбины упрощается.Еще одно достоинство такого рода в том, что редуктор и генератор можно установить на земле. Для обслуживающего персонала, который должен ремонтировать и обслуживать ветряную турбину с горизонтальной осью, которая находится на высоте более десяти метров над землей при сильном порыве ветра, это должно быть очень высокой заслугой.

Ветряная турбина с вертикальной осью в основном состоит из двух типов. Первый тип использует аэродинамическое сопротивление ветра, и наиболее типичной конструкцией является ротор S-типа, который состоит из двух полуцилиндрических лопастей, оси которых расположены в шахматном порядке.Достоинством этого типа является высокий пусковой крутящий момент, но недостатком является асимметричный поток газа вокруг ротора, который формирует поперечную тягу. Что касается относительно крупногабаритной ветряной турбины, то для ограничения прогиба и безопасности использовать эту конструкцию довольно сложно. Часто коэффициент использования ветра ниже, чем у высокоскоростной ветряной турбины с вертикальной осью или ветряной турбины с горизонтальной осью, а выходная мощность ниже в определенных обстоятельствах, связанных с размером ротора, весом и стоимостью, поэтому он не имеет конкуренции, если используется для выработки электроэнергии.

Второй тип использует подъемную силу профиля для работы, и наиболее типичным типом является ветряная турбина типа Дарье, которая была изобретена французом по имени Дарье в 1925 году. У нее могут быть разные модели, такие как структура Φ , Δ структура , структура Y и структура H и так далее. Но поскольку его ветровая площадь мала и, соответственно, начальная скорость ветра высока, она не применялась на практике в больших масштабах.

В настоящее время популярным типом является H-структура. В нем используется механика воздушной дыры.Согласно эксперименту по моделированию воздушной прослойки, лопасти принимают форму аэродинамического профиля лопасти самолета, и когда ротор вращается, это не влияет на эффективность из-за деформации. Он включает 4 или 5 лопастей, расположенных перпендикулярно, и фиксируется и соединяется с лопастями с помощью четырехугольной или пятиугольной ступицы колеса. Во время работы ротор приводит в действие генератор, который передает мощность на контроллер и выводит необходимую мощность на электрическое оборудование.

Из-за того, что поток газа по вертикальной оси более сложен, чем по горизонтальной оси, ветровые турбины с вертикальной осью начали работать поздно, и теория еще не созрела.Но структура простая. Ветер может использоваться с более высокой эффективностью без сложных институтов фазовой модуляции. Он может плавно стартовать при низкой скорости ветра и низком уровне шума. Можно сказать, что это направление развития ветряных турбин.

.

Ветряная турбина с вертикальной осью Aeolos

Aeolos- V 300W / 600W / 1000W — без сети

Небольшие вертикальные ветряные турбины Aeolos (300 Вт, 600 Вт, 1000 Вт) обычно представляли собой автономную систему с аккумулятором 24 В или 48 В для уличных фонарей, лодок, дома и телекоммуникационных вышек. Aeolos-V 1 кВ может быть подключен к сети с инвертором SMA Windy Boy 1100LV.

Aeolos-V 2кВт / 3кВт / 5кВт / 10кВт — сеть на

Вышеупомянутые вертикальные ветряные турбины могут применяться как в сети, так и вне ее.Для автономного применения ветряные генераторы могут заряжать аккумуляторные батареи на 48 В или 96 В для дома, небольшой деревни, школы, острова и других источников питания.

Для подключенной сети они могут подключаться к государственной сети на 120 В, 60 Гц или 230 В, 50 Гц с помощью инвертора ABB или инвертора SMA Windy Boy.

Другие ветряки с вертикальной осью

Видео о ветряной турбине с вертикальной осью Aeolos


Скидка 30%! Пожалуйста, свяжитесь с

Продажи

@ windturbinestar.com

Почему выбирают ветряные турбины Aeolos Veritcal?

Безопасность:
Наши лопасти из алюминиевого сплава имеют особую аэродинамическую конструкцию, которая ограничивает максимальную скорость вращения до 320 об / мин, даже если скорость ветра составляет 25 м / с или 30 м / с. Он более безопасен и надежен, чем традиционный ветряк с вертикальной осью. Как электронный, так и механический тормоз доступны для остановки ветряной турбины во время урагана, технического обслуживания или других целей.

КПД:
КПД ветряной турбины зависит от начальной скорости ветра, номинальной скорости ветра и КПД генератора.Наша ветряная турбина с вертикальной осью может запускаться со скоростью 1,5 м / с (3,4 мили в час), имеет выходную мощность на инвертор со скоростью 2,5 м / с и достигает номинальной мощности при скорости 10 м / с (22,3 мили в час). Годовая выработка энергии на 40% больше, чем у ветряной турбины с уменьшением скорости ветра на 3,5 или 4,5 м / с.

Надежность:
Лопасти и рама наших ветряных турбин изготовлены из высококачественного алюминиевого сплава с расчетным сроком службы 20 лет. Все детали прошли качественную антикоррозийную обработку. Нет коробки передач и механизмов регулировки, чувствительных к поломке.Таким образом, клиентам требуется только минимальное техническое обслуживание каждый год.

Низкий уровень шума:
Вертикальный ветряк Aeolos имеет низкий уровень шума. Его не слышно на расстоянии 20 метров. Средний уровень шума ниже 45 дБ (A) при скорости ветра 8 м / с. Он очень подходит для крепления на крыше в школе, супермаркете, парке и других городских районах.

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о