Типы ветродвигателей. Новые конструкции и технические решения 

Ветроэнергетика поражает многообразием и необычным дизайном конструкций ветрогенераторов. Существующие конструкции ветрогенераторов, а также предлагаемые проекты ставят ветроэнергетику вне конкуренции по оригинальности технических решений по сравнению со всеми остальными мини-энергокомплексами, работающими с использованием ВИЭ. 

В настоящее время существует множество различных концептуальных конструкций ветрогенераторов, которые по типу ветроколес (роторов, турбин, винтов) можно разделить на два основных вида. Это ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и с вертикальной (карусельные, так называемые Н-образные турбины).

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения. В ветряках с горизонтальной осью вращения роторный вал и генератор располагаются наверху, при этом система должна быть направлена на ветер. Малые ветряки направляются с помощью флюгерных систем, в то время как на больших (промышленных) установках есть датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на ветер. Большинство промышленных ветрогенераторов оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. В силу того, что мачта создает турбулентные потоки после себя, ветроколесо обычно ориентируется по направлению против воздушного потока. Лопасти ветроколеса делают достаточно прочными, чтобы предотвратить их соприкосновение с мачтой от сильных порывов ветра. Для ветряков такого типа не нужны установки дополнительных механизмов ориентации по ветру.

Ветроколесо с горизонтальной осью

Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей: от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более).

Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой закреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов для этой цели применяются хвостовые оперения, а у больших ориентацией управляет электроника.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, которые стоят на лопастях или вращаются вместе с ними, и др. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, либо вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.

В настоящее время высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 90 м. Ветроколесо совершает 10-20 поворотов в минуту. В некоторых системах есть подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой возможной автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.

Основные достоинства горизонтальной оси следующие: изменяемый шаг лопаток турбины, позволяющий по максимуму использовать энергию ветра в зависимости от атмосферных условий; высокая мачта позволяет «добираться» до более сильных ветров; высокая эффективность благодаря направлению ветроколеса перпендикулярно ветру.

В то же время горизонтальная ось имеет ряд недостатков. Среди них — высокие мачты высотой до 90 м и длинные лопасти, которые трудно транспортировать, массивность мачты, необходимость направления оси на ветер и т.д.

Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения. Основным преимуществом такой системы является отсутствие необходимости направления оси на ветер, так как ВЭУ использует ветер, поступающий с любого направления. Кроме того, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения. Особенно эффективны такие установки в областях с переменным ветром. Верти-кально-осевые турбины работают при низких скоростях ветра и любых его направлениях без ориентации на ветер, но имеют малый КПД.

Автором идеи создания турбины с вертикальной осью вращения (Н-образной турбины) является французский инженер Джордж Джин Мари Дариус (Жан Мари Дарье). Этот тип ветрогенератора был запатентован в 1931 г. В отличие от турбин с горизонтальной осью вращения Н-образные турбины «захватывают» ветер при изменении его направления без изменения положения самого ротора. Поэтому ветрогенераторы такого типа не имеют «хвоста» и внешне напоминают бочку. Ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух — четырех изогнутых лопастей.

 

Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,300,35. В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа.

Установка имеет довольно высокую эффективность, но при этом образуются серьезные нагрузки на мачту. Система также обладает большим стартовым моментом, который с трудом может быть создан ветром. Чаще всего это производится внешним воздействием.

 

Ротор савониуса

Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса, созданный финским инженером Сигуртом Савониусом в 1922 г. Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра — всего 0,1-0,15.

Главное преимущество вертикальных ветрогенераторов в том, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упрощает конструкцию. Рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра (2-2,5 м/с) производит меньше шума.

Однако серьезным недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Из-за потерь на вращение против потока воздуха большинство ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти вдвое менее эффективны, чем с горизонтальной осью.

Поиск новых решений в ветроэнергетике продолжается, и уже есть оригинальные изобретения, например турбопарус. Ветрогенератор монтируется в виде длинной вертикальной трубы в 100 м высотой, в которой из-за температурного градиента между концами трубы возникает мощный воздушный поток. Сам электрогенератор вместе с турбиной предлагается установить в трубе, в результате чего поток воздуха обеспечит вращение турбины. Как показывает практика эксплуатации таких ветрогенераторов, после раскрутки турбины и специального подогрева воздуха у нижнего края трубы даже при тихом ветре (и штиле) в трубе устанавливается сильный и стабильный поток воздуха. Это делает такие ветроустановки перспективными, но только в безлюдных местностях (при работе такая установка засасывает в трубу не только мелкие предметы, но и крупных животных). Данные установки окружают специальной защитной сеткой, а систему управления располагают на достаточном расстоянии.

Турбопарус

Специалисты работают над созданием специального устройства для уплотнения ветра — диффузора (уплотнителя энергии ветра). За год ветродвигатель этого типа успевает «поймать» в 4-5 раз больше энергии, чем обычный. Высокая скорость вращения ветроколеса достигается с помощью диффузора. В узкой его части воздушный поток особенно стремителен, даже при сравнительно слабом ветре.

Ветрогенератор с дифузором

Как известно, скорость ветра с высотой увеличивается, что создает более благоприятные условия для использования ветрогенераторов. Воздушные змеи были изобретены в Китае примерно 2 300 лет назад. Идея использования змея для подъема ветрогенератора на высоту постепенно находит реализацию.

Летающий ветрогенератор

Швейцарские конструкторы из компании Етра представили новую конструкцию надувных воздушных змеев, которые смогут поднимать до 100 кг при массе самого крыла 2,5 кг. Их можно использовать для установки на морских судах и подъема на большую высоту (до 4 км) ветряных турбин. В 2008 г. подобная система прошла испытания при плавании контейнеровоза Beluga SkySails из Германии в Венесуэлу (экономия топлива составила свыше 1 000 долл./сутки).

Beluga SkySails

Например, в Гамбурге компанией Beluga Shipping такая система установлена на дизельном сухогрузе Beluga SkySails. Воздушный змей в виде параплана размером 160 м2 поднимается в воздух на высоту до 300 м за счет подъемной силы ветра. Параплан разделен на отсеки, в которые по команде компьютера по эластичным трубкам подается сжатый воздух. Компания Beluga SkySails к 2013 г. собирается оснастить такой системой около 400 грузовых судов.

Ветроголовки «Ветролов»

Интересное решение имеет конструкция ветроголовки «Ветролов». Вращающийся корпус генератора выполнен достаточно длинным (около 0,5 м), в средней части (на промежутке от фланца генератора до лопастей) — механизм складывания лопастей. По принципу действия он похож на механизм раскрывания автоматического зонта, а лопасти напоминают крыло дельтаплана. Для того чтобы лопасти не упирались друг в друга во время складывания, оси их закрепления несколько смещены. Четыре лопасти (через одну) идут вовнутрь, а четыре — снаружи. После складывания площадь лобового сопротивления ветряка уменьшается почти в четыре раза, а коэффициент аэродинамического сопротивления — почти в два.

В верхней части опоры ветряка устанавливается «коромысло» с вертикальной осью вращения. На одном его конце расположен ветрогенератор, на другом — противовес. При слабом ветре ветрогенератор посредством противовеса поднят выше верхней отметки опоры и ось ветряка при этом горизонтальна. При усилении ветра давление на ветроколесо растет и оно начинает опускаться, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси. Таким образом работает еще одна система «ухода» от сильного ветра. Конструкция позволяет наращивать коромысла так, что ветрогенераторы устанавливаются друг за другом. Получается своеобразная гирлянда из одинаковых модулей, которые при слабом ветре стоят один выше другого, а при сильном уходят вниз, «прячась» в «ветровую тень» ветроколеса. Здесь также заложена способность системы адаптироваться к внешней нагрузке.

Ветрогенератор Eolic

Конструкторы Маркос Мадиа, Серджио Оаши и Хуан Мануэль Пантано разработали портативный ветрогенератор Eolic. Для изготовления устройства использовались только алюминий и волокно из углеродных материалов. В собранном виде турбина Eolic имеет длину около 170 см. Для приведения Eolic из сложенного в рабочее состояние потребуется 2-3 человека и займет этот процесс 15-20 мин. Данный ветрогенератор может складываться для переноски.

Дизайнерский ветрогенератор Revolution Air

Сегодня есть много дизайнерских проектов и разработок. Так, французский дизайнер Филипп Старк создал ветрогенератор Revolution Air. Проект дизайнерского ветряка носит название «Демократичная экология».

Ветрогенератор Energy Ball 

Международная группа дизайнеров и инженеров Home-energy представила свой продукт — ветрогенератор Energy Ball. Главной особенностью новинки является компоновка на нем лопастей по типу сферы. Все они соединены с ротором обоими концами. Когда ветер проходит сквозь них, он дует параллельно ротору, что увеличивает КПД генератора. Energy Ball может работать даже при очень низкой скорости ветра и производит гораздо меньше шума, чем обычные ветряки.

Ветрогенератор Третьякова

Уникальную ветроустановку создали конструкторы из Самары. При использовании в городской среде она дешевле, экономичнее и мощнее европейских аналогов. Ветрогенератор Третьякова представляет собой воздухозаборник, который улавливает даже относительно слабые воздушные потоки. Новинка начинает вырабатывать полезную энергию уже при скорости 1,4 м/с. Кроме того, не нужен дорогостоящий монтаж: установку можно ставить на здание, мачту, мост и т. д. Она имеет высоту 1 м и длину 1,4 м. КПД постоянный — около 52 %. Мощность промышленного аппарата — 5 кВт. На расстоянии 2 м шум от ветростанции составляет менее 20 Дб (для сравнения: шум вентилятора — от 30 до 50 Дб).

Windtronics

Американская компания Wind Tronics из Мичигана разработала компактную ветровую установку для применения в частных домохозяйствах. Разработчиком технологии является Wind Tronics, а производственный гигант Honeywell наладил изготовление ветровых установок. Дизайн предусматривает нулевой ущерб окружающей среде.

В этой установке используется турбинная безредукторная крыльчатка Blade Tip Power System (BTPS), что позволяет ветрогенератору работать в гораздо более широком диапазоне скоростей ветра, а также снизить механическое сопротивление и вес турбины. Wind Tronics начинает вращаться при скорости ветра всего 0,45 м/с и работоспособна до скорости 20,1 м/с! Расчеты показывают, что такая турбина генерирует электроэнергию в среднем на 50 % чаще и дольше, чем традиционные ветрогенераторы. Кстати, автоматика с постоянно подключенным к ней анемометром следит за скоростью и направлением ветра. При достижении максимальной рабочей скорости турбина просто поворачивается к ветру обтекаемым боком. Автоматика системы немедленно реагирует на переохлажденный дождь, способный вызвать обледенение. Технология уже запатентована более чем в 120 странах.

Интерес к малым ветровым турбинам растет во всем мире. Многие из компаний, работающих над решением этой проблемы, вполне преуспели в создании собственных оригинальных решений.

Optiwind 300

Компания Optiwind выпускает оригинальные ветровые установки Optiwind 300 (300 кВт, стоимость — 75 тыс. евро) и Optiwind 150 (150 кВт, стоимость — 35 тыс. евро). Они предназначены для коллективной экономии энергии в поселках и фермерских хозяйствах (рис. 12). Основная идея — сбор энергии ветра наборными конструкциями из нескольких турбин на приличной высоте. Optiwind 300 комплектуется 61-метровой башней, платформа акселератора имеет 13 м в диаметре, а диаметр каждой турбины составляет 6,5 м.

GEDAYC

Необычный вид имеет конструкция турбины GEDAYC (рис. 13). Малый вес позволяет турбине эффективно вращать электрогенератор при скорости ветра 6 м/с. Новая конструкция лопастей использует принцип, подобный «системе» воздушного змея. Турбины GEDAYC уже установлены на трех ветрогенераторах мощностью 500 кВт, снабжающих энергией горные выработки. Установка турбин GEDAYC и их опытная эксплуатация показали, что благодаря новой конструкции турбины легче, удобнее в транспортировке и проще в обслуживании.

Honeywell 

Компанией Earth Tronics разработан новый тип «домашних» ветряных турбин Honeywell. Система позволяет вырабатывать электроэнергию на кончиках лопастей, а не на оси (как известно, скорость вращения концов лопастей гораздо выше скорости вращения оси). Таким образом, турбина Honeywell не использует редуктор и генератор, как в обычных ветрогенераторах, что упрощает конструк-цию, уменьшает ее вес и порог скорости ветра, при котором ветрогенератор начинает производить электроэнергию.

В Китае создан опытный проект ветрогенератора с магнитной левитацией. Магнитная подвеска позволила снизить стартовую скорость ветра до 1,5 м/с и соответственно на 20 % повысить суммарную отдачу генератора в течение года, что должно снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии.

Maglev Turbine 

Компания Maglev Wind Turbine Technologies из Аризоны намерена производить ветровые турбины с вертикальной осью Maglev Turbine максимальной мощностью 1 ГВт. Экзотическая модель ветровой турбины выглядит как высотное здание, но по отношению к своей мощности она небольшая. Одна турбина Maglev может обеспечить энергией 750 тыс. домов и занимает площадь (вместе с зоной отчуждения) около 40 га. Придумал эту турбину изобретатель Эд Мазур, основатель компании MWTT. Maglev Turbine плавает на магнитной подушке. Главные компоненты новой установки находятся на уровне земли, их проще обслуживать. В теории новая турбина нормально работает как при крайне слабом ветре, так и при очень сильном (свыше 40 м/с). Компания намерена открыть научные и образовательные центры поблизости от своих турбин.

При изучении творческого наследия гениального русского инженера Владимира Шухова (1853-1939 гг.) специалисты ООО «Инбитек-ТИ» обратили внимание на его идеи использования стальных стержневых гиперболоидов в архитектуре и строительстве.

Ветровая турбина гиперболоидного типа

Потенциал подобных конструкций сегодня до конца не изучен и не исследован. Известно также, что Шухов называл свои работы с гиперболоидами «исследованиями». На основе его идей появилась разработка ветрогенераторов роторного типа абсолютно новой конструкции. Подобная конструкция позволит получать электроэнергию даже при очень малых скоростях ветрового потока. Для запуска из состояния покоя необходима скорость ветра 1,4 м/с. Это достигнуто за счет использования эффекта левитации ротора ветрогенратора. Ветрогенератор подобного типа способен начать работу даже в восходящих потоках воздуха, что имеет место, как правило, рядом с рекой, озером, болотом.

Mobile Wind Turbine

Еще один любопытный проект — ветрогенератор Mobile Wind Turbine — разработали дизайнеры студии Pope Design (рис. 17) [10]. Это мобильный ветрогенератор, расположенный на базе грузовой машины. Для управления Mobile Wind Turbine нужен лишь оператор-водитель. Этот ветрогенератор можно будет использовать в зонах стихийных бедствий, во время ликвидации последствий ЧП и при восстановлении инфраструктуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современное состояние ветроэнергетики, предлагаемые конструкции и технические решения ветрогенераторов и «уплотнителей ветра» позволяют создавать мини-ветроэлектростанции для частного использования практически повсеместно. Порог скорости «трогания» ветрогенератора значительно снижен благодаря техническим разработкам, массогабаритные показатели ВЭУ также уменьшаются. Это позволяет эксплуатировать ветроэнергетические установки в «домашних» условиях.

Светлана КОНСТАНТИНОВА, кандидат технических наук, доцент БНТУ

источник

 

Случайные статьи



Роторные ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

Кто за вертикаль? Кто против?

Если бы мы оказались на собрании специалистов, спорящих какие ветряки выгоднее поставить возле загородного дома или котеджном посёлке – ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, или горизонтальные, то предстала бы такая атмосфера, выдающая плюсы-минусы этих видов ветроустановок. Сначала о преимуществах вертикального ветряка:

• почти бесшумный при самых сильных порывах ветра;
• обеспечивает оптимальный КПД при любых ветровых капризах;
• ловит любые направления движения воздуха;
• неприхотлив;
• отсутствие токосъёмных щёток не требует их замены;
• берёт старт при минимальном дуновении ветерка до 1 м/сек;
• в его конструкции используется лишь один подшипник за счёт левитации оси;
• его можно располагать вблизи дома, или на крыше;
• не требует дополнительных приборов для запуска;
• совершенно безобиден для птиц, пчёл, окружающей среды;
• не боится мокрых снегопадов и обледенений.

А те, кто предпочтение отдаёт горизонтальным ветрякам, отмечают один из немногих, но существенных недостатков вертикалок:

• не эффективно используют ветровую энергию по сравнению с горизонталками;
• больше уходит материала на их сборку;
• заметная разница цен в сторону завышения.

Их оппоненты не сдаются: ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, возражают они, неприхотливы к порывам ветра при любых направлениях (вихреобразных), что даёт возможность устанавливать их в местах с небольшими пространствами. Кроме того, им безразличны разрушительные ураганы, так как при увеличивающейся скорости вращения повышается устойчивость оси с крыльчаткой. В довершение преимуществ вертикалок перед традиционными горизонтальными ветроустановками является то, что их можно использовать где угодно: на крышах домов, на платформах, вышках, таёжных бытовках, вагончиках.

Хотя, как бы ни спорили о плюсах-минусах той или иной установки, а перевешивают аргументы практики. Они дают возможность оценивать достоинства, недостатки любой ветрогенераторной установки при конкретных условиях работы.

Да, горизонтальный ветряк дешевле, зато вертикальный не потребует больших средств при монтаже и установке. Да, горизонтальный ветрогенератор имеет более высокий КПД, зато роторный ветрогенератор не требует поднятия на большую высоту, чем упрощает его эксплуатацию. Да, горизонтальный ветряк требует меньше материала на крыльчатку, зато его собрат более устойчив к ураганным ветрам.

Как говорится, кто куда, а я в сберкассу. Кто за что, а большинство за вертикальные ветряки. Тем более, с каждым годом изобретатели усовершенствуют эту установку и она скоро выйдет в число лидеров по спросу.

Ветер – на деньги!

Стоп! Вы не ошиблись, случаем, в смысле заголовка? Не поменять ли слова местами? – можешь спросить уважаемый читатель. Нет, когда речь идёт о том, как роторный ветрогенератор победно шествует по нашей планете, уверенно занимает место под солнцем, — такое словосочетание вполне приемлемо.

Для доказательства данного утверждения можно привести один пример из тысячи вариантов. Возьмём подобное детище конструктора Александра Сергеевича Абрамова. На просторах России именно ему принадлежит идея выгодного использования роторного ветрогенератора. Потому что при главном достоинстве этой установки работать при малейшем дуновении воздуха, при любом его направлении, такой ветрогенератор как нельзя лучше пригоден для слабых российских ветров.

Кто будет спорить с тем, что выгоднее иметь подле своего дома более чувствительную ветроустановку, чем ту, которая согласна работать только при довольно сильных ветрах. А где такие найдёшь на бескрайних просторах России?

Именно Абрамову впервые в России пришла мысль перейти на производство, а также на внедрение таких ветрогенераторов. Что самое ценное в этой идее – при вечном дефиците материалов для строительства ветряка, да плюс при знаменитой выдумке русского народа – такую установку может смастерить даже самый ленивый сельский мужичок. Не верите?

Подобный ветрогенератор без особого труда можно сконструировать из самых подручных материалов, валяющихся буквально под ногами: из больших, 3-х литровых пластиковых бутылок, из жестяной банки, фанеры или текстолита, стальной оси, бросового электромотора. Схема вертикального простейшего ветродвигателя из консервной банки (см. на рис).

Достаточно разрезать бутылку пополам, скрепить её вогнутыми сторонами в противоположные стороны, а по центру смастерить ось вращения, которая должна быть связана с генератором. Всё. Ветряк готов к работе. Можете брать его в походы. Он осветит вашу таёжную, походную палатку, зарядит батарейку телефона, ноутбука.

Здесь необходимо пару слов сказать о самом Абрамове. Александр Сергеевич – старейший приверженец мастеровитости, ни одного дня не представляющий себя без технического творчества. В его мозгах, а потом на бумаге, появлялись всё новые модели двигателей, которые работают за счёт немыслимых, для поверхностного взгляда, источников энергии. До самых своих последних дней (а прожил он 96 лет), Александра Сергеевича интересовали роторные ветрогенераторы, которым он предсказывал большое будущее. Изобретатель был глубоко убеждённым в том, что из ветра-таки можно делать деньги. Причём, легко.

Известно пренебрежение конструкторов к роторным ветрогенераторам. Якобы, они по сравнению с горизонтальными ветряками малоэффективны в использовании энергии ветра. Александр Сергеевич Абрамов не возражал своим оппонентам. Он просто молча сделал, опробовал несколько моделей собственной конструкции вертикальных ветрогенераторов. Все его конструкции продемонстрировали безукоризненную эффективность при любых напорах воздушного потока, начиная от лёгкого дуновения до ураганного ветра. Это главнейшее отличие их от своих горизонтальных собратьев говорит о многом. Бесполезное дело – сотрясать воздух спорами, криками, лучше сделать. Показать.

Вот ещё наглядный пример самостартующегося ветрогенератора с вертикальной осью при скорости ветра меньше 1 м/сек. В этом видео показан экспериментальный образец вертикального ветряка, который начинает вращаться в условиях совсем незначительного движения воздуха. Даже ветки деревьев неподвижны, а ветряк медленно вращает свои крылья, радуя глаз изобретателя.

В заключение необходимо добавить, что роторные ветрогенераторы мало того, что бесшумны, способны работать при любых ветрах. Сегодня они выпускаются с двух и трёх – ярусными роторами применительно к мощности установки и господствующим в данной местности ветрам.

В.Ильин

Сегодня использование энергии от природы – это альтернатива использованию привычных ресурсов

Описание и принцип работы

Вертикальный ветряк имеет циклоническую форму, которая устанавливается на прочное основание. Функционирует независимо от направления движения ветра.

Виды генераторов бывают различными, но и этот фактор никаким образом не влияет на воздействие воздушного потока. При этом воздух на одну сторону оказывает большее давление, чем на другую. В результате этой разницы в показаниях производится вращение генератора, а далее выработка электрической энергии. Сила ветра направляется одновременно на две стороны  ветроустановки, однако при этом показания воздействия ветровых усилий все же больше, чем у аналогов горизонтального типа при предусмотренном качестве конструктивных элементов. Имеет место самораскрутка или увеличение крутящих оборотов даже при небольшой ветровой нагрузке, к примеру, от 3 м/с.

Всего существует несколько разновидностей ВЭУ

1. Ротор Савониуса. Лопасти для вертикального ветрогенератора в количественном показателе могут проектироваться две и более. Выполняются они в форме полукруга. В принципе вращения заложено, что давление на внешнюю часть круга в несколько раз превышает показатели давления на противоположную сторону. Конструкция проста, и чтобы ее изготовить, необязательно обладать опытом этой работы. Но при всех ее преимуществах у нее имеются и недостатки. Во-первых, достигается высокая парусность. Под воздействием ветра подшипник выходит из строя и при этом создается напряжение в вертикальной оси, что способствует крену. Во-вторых, если лопастей всего 2 или 3, то вращение будет недостаточно обеспечиваться. Для этого производится установка одновременно двух ветряков при закреплении их под прямым углом.
2. Ротор Дарье. Он же ещё имеет название ортогональный. При большом количестве модификаций этой конструкции в принципе работы заложена неизменность технологии. Процесс вращения производится за счет функционирования крылообразной лопасти. Под воздействием силы воздушного потока создается сила подъема, в результате этого происходит вращение оси. К недостаткам можно отнести невысокую эффективность функционирования конструкции. К тому же показатель скорости ветра должен быть не менее 4 м/с. Нельзя дополнительно производить подключение нагрузки до набора полных оборотов, иначе ветряк перестанет работать. Функционирование подвижных деталей усиливает шум лопастей. Ввиду высокой вибрации, происходит выход из строя подшипников, а также основных несущих элементов.
3. Геликоидный ротор. Роторный ветрогенератор подобной формы необычен, по существу этот ветряк является ортогональным с вертикальной осью для обеспечения вращения. При этом обеспечивается равномерно распределенная нагрузка на ось и повышается срок эксплуатации. Этот роторный ветрогенератор при всех преимуществах обладает и некоторыми недостатками.  Его изготовление достаточно сложно, и соответственно, по этой причине, имеет высокую цену.
4.  Многолопастной роторный ветряк. По сравнению с другими типами, этот генератор имеет высокую производительность. Наименьшая нагрузка на подвижные части позволяет его долго эксплуатировать. Внутри его размещены дополнительные лопасти, позволяющие улучшить результат работы ротора. Его стоимость высока в связи с установкой на нем дорогостоящих деталей.

Ветряки с вертикальной осью вращения сегодня начинают использоваться для выработки электроэнергии, что позволяет сэкономить ее и соответственно снизить денежные затраты на энергоресурсы.

Положительные характеристики вертикальных осей

Вертикальные ветряки отличаются некоторыми достоинствами, независимо от их типа:

• функционируют при любом направлении ветра;
• в связи с установленной вращающей ветродвигатели осью в единственном числе они меньше подвергаются износу, если их сравнивать с горизонтальными аналогами;
• даже при установке на небольшой высоте он будет работать, но все зависит от  модели;
• удобство при обслуживании, так как самые важные части, обеспечивающие движение, находятся внизу.
• собрать можно в домашних условиях, несмотря на отсутствие опыта;
• в связи с жесткостью установки конструктивных элементов, ветрогенератоы вертикальные будут продолжать работу даже при запредельной скорости ветра;
• устойчивость по отношению к нагрузкам силы ветров высока;
• создание внутри конструктивных элементов внутренней циркуляции воздушного потока, именно по этой причине возникает эффект быстроходности;
• установленная линейная скорость лопастей превышает скоростной поток ветра почти в 20 единиц.

Наряду с перечисленными достоинствами, ветрогенератор с вертикальной осью вращения обладает существенным преимуществом: вал ротора можно увеличивать до необходимой длины, при этом нет потери КПД.

Недостатки конструкции

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения имеют и некоторые минусы при эксплуатации:

• конструкция габаритна, вес совместно со стойкой самого маленького технического устройства составляет 300 кг;
• по отношению к горизонтальным, вертикально осевые ветрогенераторы менее эффективны;
• во время работы лопастей зафиксированы высокие характеристики шума.

Модели ветряков можно приобрести в розничной продаже, но несложно изготовить их самим, при этом обладать опытом необязательно.

‘; blockSettingArray[0][«setting_type»] = 6; blockSettingArray[0][«elementPlace»] = 2; blockSettingArray[1] = []; blockSettingArray[1][«minSymbols»] = 0; blockSettingArray[1][«minHeaders»] = 0; blockSettingArray[1][«text»] = ‘

‘; blockSettingArray[1][«setting_type»] = 6; blockSettingArray[1][«elementPlace»] = 0; blockSettingArray[3] = []; blockSettingArray[3][«minSymbols»] = 1000; blockSettingArray[3][«minHeaders»] = 0; blockSettingArray[3][«text»] = ‘

Ветрогенератор с вертикальным ротором | Синтезгаз

Самодельный ветрогенератор в сборе

Группой умельцев была разработана конструкция ветрогенераторной установки с вертикально расположенной осью вращения. Ниже, представлено подробное руководство по изготовлению этой установки. Внимательно прочитав это руководство, вы сможете сделать подобный вертикальный ветрогенератор своими руками.

Конструкция ветрогенератора получилась достаточно надежной, с низкой стоимостью обслуживания, простой в изготовлении и не дорогой по комплектующим. Представленный ниже список деталей носит ознакомительный и ориентировочный характер. Соблюдать его не обязательно, можно внести какие-то свои коррективы, что-то улучшить, что-то использовать свое, т.к. не везде можно найти именно то, что в списке. Для изготовления этого ветрогенератора использовались недорогие и качественные детали.

Схема вертикального ветрогенератора

Наименование	Кол-во	Примечание
Список используемых деталей и материалов для ротора:
Предварительно вырезанный лист металла	1	Вырезан из стали толщиной 1/4″ при помощи гидроабразивной, лазерной и др. резке
Ступица от авто (Хаб)	1	Должна содержать 4 отверстия, диаметр около 4 дюймов
2″ x 1″ x 1/2″ неодимовый магнит	26	Очень хрупкие, лучше заказать дополнительно
1/2″-13tpi x 3“ шпилька	1	TPI – кол-во витков резьбы на дюйм
1/2″ гайка	16
1/2″ шайба	16
1/2″ гровер	16
1/2″.-13tpi колпачковая гайка	16
1″ шайба	4	Для того, чтобы выдержать зазор между роторами
Список используемых деталей и материалов для турбины:
3″ x 60″ Оцинкованная труба	6
ABS пластик 3/8″ (1.2×1.2м)	1
Магниты для балансировки	Если нужны	Если лопасти не сбалансированы, то магниты прикрепляются для балансировки
1/4″ винт	48
1/4″ шайба	48
1/4″ гровер	48
1/4″ гайка	48
2″ x 5/8″ уголки	24
1″ уголки	12 (опционально)	В случае, если лопасти не держат форму, то можно добавить доп. уголки
винты, гайки, шайбы и гроверы для 1″ уголка	12 (опционально)
Список используемых деталей и материалов для статора:
Эпоксидка с затвердителем	2 л
1/4″ винт нерж.	3
1/4″ шайба нерж.	3
1/4″ гайка нерж.	3
1/4″ кольцевой наконечник	3	Для эл. соединения
1/2″-13tpi x 3“ шпилька нерж.	1	Нерж. сталь не является ферромагнетиком, поэтому не будет «тормозить» ротор
1/2″ гайка	6
Стеклоткань	Если нужна
0.51мм эмал. провод		24AWG
Список используемых деталей и материалов для монтажа:
1/4″ x 3/4″ болт	6
1-1/4″ фланец трубы	1
1-1/4″ оцинк. труба L-18″	1
Инструменты и оборудование:
1/2″-13tpi x 36“ шпилька	2	Используется для поддомкрачивания
1/2″ болт	8
Анемометр	Если нужен
1″ лист алюминия	1	Для изготовления проставок, если понадобятся
Зеленая краска	1	Для покраски держателей пластика. Цвет не принципиален
Голубая краска бал.	1	Для покраски ротора и др. частей. Цвет не принципиален
Мультиметр	1
Паяльник и припой	1
Дрель	1
Ножовка	1
Керн	1
Маска	1
Защитные очки	1
Перчатки	1

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения не настолько эффективны, как их горизонтальные собратья, однако вертикальные ветрогенераторы менее требовательны к месту их установки.

Описание изготовления турбины ветрогенератора

Турбина ветрогенератора

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

Крепление лопастей уголками

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

Общий вид расположения уголков, крепящих лопасти

Последовательность действий изготовления турбины:

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

Описание изготовления ротора ветрогенератора

Разметка роторов с помощью бумажных шаблонов

Последовательность действий по изготовлению ротора:

1. Положите два основания ротора друг на друга, совместите отверстия и напильником или маркером сделайте небольшую метку по бокам. В дальнейшем, это поможет правильно сориентировать их относительно друг-друга.
2. Сделайте два бумажных шаблона расположения магнитов и приклейте их на основания.
3. Промаркируйте полярность всех магнитов при помощи маркера. В качестве “тестера полярности” можно использовать небольшой магнит, обмотанный тряпкой или изолентой. Проводя его над большим магнитом, будет хорошо видно, отталкивается он или притягивается.


Крепление магнитов на основании ротора

4. Приготовьте эпоксидную смолу (добавив в нее отвердитель). И равномерно нанесите ее снизу магнита.
5. Очень аккуратно поднесите магнит к краю основания ротора и переместите его к своей позиции. Если магнит устанавливать сверху ротора, то большая мощность магнита может его резко примагнитить и он может поломаться. И никогда не суйте свои пальцы и другие части тела между двумя магнитами или магнитом и железом. Неодимовые магниты очень мощные!
6. Продолжайте приклеивать магниты к ротору (не забудьте смазывать эпоксидкой), чередую их полюса. Если магниты сьезжают под действием магнитной силы, то воспользуйтесь куском дерева, располагая его между ними для страховки.
7. После того, как один ротор закончили, переходите к второму. Используя ранее поставленную метку, расположите магниты точно напротив первого ротора, но в другой полярности.
8. Положите роторы подальше друг от друга (чтобы они не примагнитились, иначе потом не отдерете).

Описание изготовления статора ветрогенератора

Изготовление статора – это очень трудоемкая часть процесса изготовления ветрогенератора. Можно, конечно попробовать купить готовый статор (его еще надо найти у нас) или генератор, но не факт, что они подойдут для конкретного ветряка со своими индивидуальными характеристиками

Катушка статора

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

• 320 витков, 0.51 мм (24AWG) = 100В * 120 об/мин.
• 160 витков, 0.0508 мм (16AWG) = 48В * 140 об/мин.
• 60 витков, 0.0571 мм (15AWG) = 24В * 120 об/мин.

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

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

Приспособление для намотки катушек

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

Приспособление для намотки катушек, сделанное из двух кусков фанеры, изогнутой шпильки, куска ПВХ-трубы и гвоздей

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

Крупный вид приспособления для намотки катушек

Вы можете придумать свою конструкцию намоточного станка, или возможно у вас уже имеется готовый.

После того, как все катушки намотаны их необходимо проверить на идентичность друг к другу. Это можно сделать при помощи весов, а также нужно померить сопротивления катушек мультиметром.

Подробный вид приспособления для намотки катушек

Схема соединения катушек статора

Внимание!

Категорически запрещается подключать домашние бытовые потребители напрямую к ветрогенератору во избежании выхода их из строя! Также соблюдайте меры безопасности при обращении с электричеством!

Схема соединения катушек статора

Последовательность действий соединения катушек:

1. Зачистите шкуркой концы выводов каждой катушки.
2. Соедините катушки, как показано на рисунке выше. Должно получиться 3 группы, по 3 катушки в каждой группе. При такой схеме соединений получится трехфазный переменный ток. Концы катушек припаяйте, либо воспользуйтесь зажимами.
3. Выберите одну из следующих конфигураций:

• А. Конфигурация «звезда». Для того, чтобы получить большое напряжение на выходе, соедините выводы X,Y и Z между собой.
• B. Конфигурация «треугольник». Для того, чтобы получить большой ток, соедините X с B, Y с C, Z с A.
• C. Для того, чтобы в будущем сделать возможность изменять конфигурацию, нарастите все шесть проводников и выведите их наружу.

1. На большом листе бумаге нарисуйте схему расположения и подключения катушек. Все катушки должны быть равномерно распределены и соответствовать расположению магнитов ротора.
2. Прикрепите катушки при помощи скотча к бумаге. Приготовьте эпоксидную смолу с отвердителем для заливки статора.
3. Для нанесения эпоксидки на стеклоткань используйте малярную кисть. Если необходимо, то добавьте небольшие кусочки стеклоткани. Центр катушек не заполняйте, чтобы обеспечить их достаточное охлаждение при работе. Постарайтесь избегать образования пузырьков. Целью данной операции является закрепление катушек на своих местах и придание плоской формы статору, который будет располагаться между двумя роторами. Статор не будет нагруженным узлом и не будет вращаться.

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

Изготовление статора

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

Вокруг катушек помещается стеклоткань

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

Статор, залитый эпоксидкой с кронштейном

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

Изготовление кронштейна статора

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

Крепление оси

Эскиз (чертеж) кронштейна

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

Шпилька с гайками и втулкой

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

Окончательная сборка генератора

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

Сборочный чертеж генератора

На левом рисунке ниже, показан ротор с 4-мя шпильками для обеспечения зазора и двумя алюминиевыми пластинами (которые в дальнейшем будут убраны).

На правом рисунке показан собранный и покрашенный в зеленый цвет статор, установленный на место.

Ротор и статор

Процесс сборки:

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

Этапы сборки генератора

Генератор готов!

Генератор будущего ветрогенератора в сборе

После установки шпилек (1) и фланца (2) ваш генератор должен выглядеть приблизительно так, ка на рисунке выше.

Установка и крепление клемм

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

Установка клемм

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

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

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

Мостовой выпрямитель

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

Рекомендации по выбору места 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).

Немного о механике ветрогенератора

Как известно, ветер возникает из-за разности температур поверхности земли. Когда ветер вращает турбины ветрогенератора, он создает три силы: подьемную, торможения и импульсную. Подьемная сила обычно возникает над выпуклой поверхностью и является следствием разности давлений. Сила торможения ветра возникает за лопастями ветрогенератора, она является нежелательной и тормозит ветряк. Импульсная сила возникает из-за изогнутой формы лопастей. Когда молекулы воздуха толкают лопасти сзади, то им некуда потом деваться и они собираются позади них. В результате, они толкают лопасти в направлении ветра. Чем больше подьемная и импульсная силы и меньше сила торможения, тем быстрее лопасти будет вращаться. Соответственно вращается ротор, который создает магнитное поле на статоре. В результате чего вырабатывается электрическая энергия.

Скачать схему расположения магнитов

Комментарии:

Что такое газ БраунаХронология водородных топливных элементов

назначение, разновидности, преимущества и перспективы

к содержанию ↑

Назначение

Точное название этого несложного механизма, ветроэлектрическая установка (ВЭУ). Вертикальный ветряк, это название народное. Главное его предназначение, это превращение энергии ветра в электроэнергию. Упрощено, ВЭУ состоит из ротора, генератора и мачты, на которой закреплена эта конструкция. При рассмотрении всего комплекса, в котором ВЭУ занимает главное место, добавляются: контроллер заряда блока аккумуляторов, аккумуляторные батареи, инвертор, электрическая сеть с лампочками и розетками. Продолжительность работы сети потребителей определяется количеством аккумуляторов и их емкостью.

Вертикальный ротор ветряка снабжен дугообразными лопастями. Бывают лопасти прямые, но каплеобразного сечения. Лопасти, когда на них попадает ветер, при помощи эффекта подъемной силы раскручивают ротор. Он, в свою очередь раскручивает генератор, вырабатывающий электричество. Электроток по кабелю поступает к контроллеру, который регулирует зарядку блока аккумуляторных батарей и к инвертору, выравнивающему синусоиду поступающего тока. После инвертора, в сеть вашей дачи или коттеджа, подходит чистый ток, без перепадов напряжения. В зависимости от размера всей установки и скорости ветра, можно получать от 100 Ватт до 10 киловатт в час от одного ветряка.

Чем хороши вертикальные ветряки? Тем, что в своей работе они почти бесшумны и не создают вибрации. Размеры и разнообразная конфигурация их лопастей не портят внешний вид усадьбы. Вертикальные ветряки устанавливают на отдельных мачтах или крышах домов. Используя длинные, изогнутые лопасти, ветрогенератор можно установить даже на уровне земли что облегчит доступ к генератору и его обслуживанию. Такой механизм, не создает никакой нагрузки на окружающую среду, а птицы воспринимают его как неподвижный предмет и облетают не ударяясь. Вертикальные ветрогенераторы не боятся разнонаправленного ветра или бури, так как у них минимальное сопротивление ветру. Все эти качества позволяют устанавливать эти ВЭУ даже в городах, близко к жилью.

к содержанию ↑

Разновидности

Ветрогенераторы с ротором Савониуса, имеют две или более изогнутые лопасти в виде полуцилиндров, закрепленные на вертикальном валу, который проходит сквозь мачту. Внешне это очень красивые и оригинальные ветрогенераторы. Производство лопастей такого ветрогенератора требует высокотехнологической подготовки. Они начинают давать электроэнергию даже при малой скорости ветра.

Вертикальные ветряки с ротором Дарье снабжены двумя — тремя выпуклыми лопастями, без определенной аэродинамической направленности. Крепятся они в нижней и верхней точке оси ротора. Они могут устанавливаться на отдельных столбах или подготовленном фундаменте, на уровне земли. Иногда, роторы Дарье и Савониуса объединяют в одно целое и их свойства прекрасно дополняют друг друга.

Ортогональные вертикальные ветряки имеют ось и несколько ей параллельных, равноудаленных лопастей. В зависимости от силы ветра, и конкретного места установки, мачта может быть высотою от трех до восемнадцати метров. Вертикальная ось позволяет установить генератор и приводной механизм внизу, что облегчает к ним доступ и контроль над их состоянием.

Ветряки с геликоидным ротором, имеют второе свое название: ротор Горлова. Фактически это модификация ортогонального ветрогенератора с закрученными лопастями и их винтовым сечением. В этом случае механизм ВЭУ движется более плавно, а опорные подшипники генератора не испытывают вредных разнонаправленных сил. За счет этого вся механика становится более долговечной. Но производство сложных винтовых лопастей делает эту ВЭУ дороже чем простые ортогональные ветрогенераторы.

Многолопастные вертикальные ветряки являются самой удачной разновидностью ортогональных ветрогенераторов. Надо признать, что они более сложны в изготовлении, но они самые эффективные из всех рассмотренных ветрогенераторов. Их ротор состоит из двух рядов лопастей. Наружный ряд лопастей закреплен неподвижно, но с некоторым углом поворота к центру оси. Это создает постоянное направление ветра, проходящего сквозь наружный ряд лопастей. Щели между наружными лопастями уплотняют и усиливают поток воздуха, который давит на внутренний, движущийся ряд лопастей. За счет этой конструкции ВЭУ, она начинает крутиться от легкого ветерка со скоростью 0,2 метра в секунду. Его номинальная мощность достигается всего при 3 м/сек.

к содержанию ↑

Общие преимущества

1. Вертикальные роторы без последствий переносят резкие порывы ветра, вплоть до бури;
2. Нормально работают в условиях снегопадов и обледенения;
3. Самостоятельно начинают вращаться при скорости ветра 0,2-0,5 метров в секунду;
4. Они выходят на номинальную мощность при скорости всего 3-4 м/сек;
5. Доступность разнообразных мест установки ветрогенератора. Это могут быть крыши зданий, платформы, осветительные столбы или передвижные бытовки.;
6. Бесшумность движения вращающихся деталей, при любом ветре;
7. Без флюгерной системы, ВЭУ легко ловит разнонаправленный ветер;
8. Относительно небольшая рабочая скорость вращения, до 200 оборотов в минуту, продлевает работоспособность всех подшипников механизма, увеличивает срок между обслуживаниями установки;
9. Минимальное количество движущихся элементов и неподвижно закрепленный внизу генератор установки. Это упрощает его осмотр и обслуживание без прекращения работы.;
10. Вертикальная ВЭУ позволяет использовать любой низовой ветер, турбулентность, сквозняк вдоль улицы или между многоэтажками.;
11. Возможность применения ВЭУ в местах нестабильного снабжения электроэнергией или там, где она отсутствует вообще;
12. Ветроэлектрическая установка удобно располагается в местах, где запрещены высокие строения;

к содержанию ↑

Перспективы

Постоянно растущая цена на электроэнергию и другое энергетическое сырье сделает ветроэлектрическую установку обычным оборудованием для снабжения жилья человека электричеством. Вертикальные ветряки имеют высокую стартовую цену, но десятилетиями отдают людям бесплатную электроэнергию. Гарантийный срок работы ветряка 15 — 25 лет. Простота конструкции и применение современных материалов, дают уверенность, что ветрогенератор будет служить в несколько раз дольше.

То что у нас сегодня ветроэлектрические установки являются диковинкой, говорит только о том, как плохо мы используем бесплатную энергию природы. Сотни тысяч работающих ветрогенераторов установлены в Англии и других странах Западной Европы. Это наша перспектива, к которой мы обязательно придем.

Оцените статью:

Загрузка…

Поделитесь с друзьями:

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, ветровые генераторы

Некоторые страны, серьезно задумывающиеся о дополнительных источниках получения электроэнергии, используют на электростанциях ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения. Однако последние исследования в области техники позволяют предположить, что в будущем ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, станут основным источником получения энергии с помощью ветра.

Все известные на сегодняшний день генераторы можно разделить на два типа. Тип генератора зависит от вида оси, которая приводит в действие механизм. Ось может быть как горизонтального, так и вертикального типа.

Ветровые генераторы с вертикальной осью — преимущества и недостатки:

Ученые, наблюдая ветрогенератор с вертикальной осью, смогли установить, что в следующих областях данный вид генератора намного превосходит его горизонтальный аналог:

1. Нет необходимости в дорогостоящем дополнительном устройстве, которое определяет направление ветра и направляет генератор навстречу воздушному потоку;
2. Меньшее количество деталей которые двигаются, следовательно стоимость ремонта и затраты на производство менее значительные;
3. Конструкция вертикального ветрогенератора ниже, поэтому при обслуживании механизма нет нужды в дополнительных приспособлениях для подъёма обслуживающего персонала на высоту;
4. На эффективность генератора не влияет скорость и угол направления ветра.

Вышеперечисленные преимущества являются достаточно весомой причиной для продолжения исследований проводимых в данной области. Однако наряду с плюсами, вертикальные ветряные электростанции имеют ряд значительных недостатков:

1. Огромный объем лопастей. Пожалуй, самый существенный недостаток данной разновидности ветрогенераторов. У горизонтальной турбины при общем объеме лопастей 90 метров получаемая энергия может достигать 1-3 КВт, для достижения аналогичных результатов лопасти вертикальной турбины должны иметь общую площадь 270 метров.
2. Второй аспект плавно вытекает из первого. Ветрогенератор с вертикальной осью вращения имеет КПД почти в 3 раза ниже, чем с горизонтальной осью.

Монтаж ветрогенератора:

Единственным необходимым условием для работы ветрогенератора является наличие постоянного ветра, достаточной силы. Поэтому перед установкой вертикального ветряка стоит найти место, в котором ветер может дуть, не встречая препятствий. Обычно идеальным местом для установки ветряка будет вершина скалы или высокого холма, либо крыша дома, при условии, что она отвечает для этого техническим требованиям. Особое внимание следует уделить креплению всей конструкции ветрового генерирующего устройства, так как постоянная вибрация и давление ветра легко может завалить её.

Определить место расположения, в котором установка ветряка будет наиболее эффективной, можно при помощи интернета. Достаточно ввести в поисковик запрос о движении ветра в той области, где вы живете. Кстати, при помощи такой информации можно определить будет ли экономически выгодно устанавливать ветрогенератор вертикальный и как скоро он окупит вложенные в него средства.

Принцип работы:

Ветровые генераторы во время вращения турбин создают сразу три действующих силы: импульсную, подъемную и противодействующую им силу торможения. Импульсная и подъемная сила заставляют лопасти генератора крутится. В результате ротор генератора создает магнитное поле на статоре. Благодаря магнитному полю вырабатывается электричество.

Оправдают ли себя затраты:

Перед тем как купить вертикальный ветрогенератор, необходимо взвесить все за и против. К примеру, если воздушные потоки обходят стороной вашу местность, то эффективность использования мощного устройства вряд ли окупится. Для такой местности может подойти использование генератора маленькой мощности.

Иногда бывают места, в которых направление воздушных потоков может меняться по несколько раз в сутки, в таком случае, конечно, стоит задуматься вообще о том, является ли целесообразно использование ветряков, если да, то в таком случае единственно возможным остается использование ветрогенератора с вертикальной осью вращения.

Цена за генераторы варьируется в зависимости от мощности электростанции. Так станцию с мощностью 2 КВт можно приобрести за 6200$, а если мощность достигает 10 КВт — то на такой вертикальный ветрогенератор цена может достичь 40000$. Для получения электричества способного подзарядить аккумуляторы в автомобиле или мобильнике можно купить станцию мощностью 0,6 КВт, ее стоимость не будет превышать 3000$.
Генераторы могут существенно различаться в цене в зависимости от производителя и их вида. Цена на ветряк отечественного производителя обычно на треть дешевле импортного, а качество станции практически одинаковое.

Приобретение генератора работающего от ветра возможно при условии, что есть возможность вложить крупную сумму денег в долгосрочную инвестицию и при наличии благоприятных погодных условий.

Вертикальный ветрогенератор: виды, сборка, подключение

Содержание:

1. Общее устройство и принцип работы
2. Плюсы и минусы вертикальных конструкций
3. Разновидности и модификации вертикальных ветряков
4. Сборка компонентов ветрогенератора
5. Подключение и сборка конструкции
6. Видео

Энергия ветра уже давно используется в качестве альтернативного источника электричества. Это направление считается одним из наиболее перспективных, постоянно развиваясь и совершенствуясь. Для выработки электроэнергии созданы специальные механизмы, среди которых заметно выделяется вертикальный ветрогенератор. Данное устройство обладает существенными преимуществами перед горизонтальными аналогами, поскольку ему не требуется ориентация по ветровому потоку.

Конструкция механизма довольно простая, она может находиться в произвольном положении и работать при любом направлении ветра. Вращение вала создается за счет подъемной силы лопастей установки.

Общее устройство и принцип работы

Каждый ветрогенератор вертикального типа состоит из нескольких общих конструктивных элементов:

• Основной ротор, выполненный в виде колеса с лопастями, принимающими на себя действие воздушного потока. С его помощью кинематическая энергия ветра преобразуется в механическую, создавая на валу крутящий момент.
• Редуктор. Используется для синхронизации вращательного движения. Он обеспечивает вращение вала генератора с определенной скоростью.
• Генератор. Один из главных агрегатов, предназначенный для вырабатывания электрического тока. Он преобразует крутящий момент в магнитное поле и создает в проводниках разницу напряжений.
• Аккумуляторная батарея. Обеспечивает накопление и выдачу постоянного тока в пределах 12 вольт.
• Инвертор. Преобразует постоянный ток в переменный, с напряжением 220 В. На практике вся электрическая система значительно сложнее. Она состоит из блоков управления и стабилизации, обеспечивает подключение сразу к нескольким потребителям.

В целом ветрогенераторы с вертикальной осью вращения всегда изготавливаются в виде условного цилиндра, смонтированного на основании. Его форма обеспечивает работоспособность устройства независимо от направления ветра. Поток воздуха давит на одну из сторон значительно сильнее, чем на другую. Ветрогенератор двигается с определенной скоростью и достигает лопастей, являющихся своеобразным препятствием. Под действием ветра на их поверхности создается давление, придающее ротору вращательное движение. Далее крутящий момент передается через редуктор к генератору, после чего и начинается выработка электрического тока.

Затем электроэнергия, преобразованная в постоянный ток, начинает заряжать аккумуляторы. От них электричество через инвертор поступает к потребителю с переменным напряжением 220 В.

Плюсы и минусы вертикальных конструкций

Ветрогенераторы вертикального типа, благодаря своим конструктивным особенностям, обладают многими положительными качествами:

• Как уже отмечалось, они не требуют направления по ветру и нормально функционируют в любых условиях.
• В зависимости от модификации и особенностей конструкции, вертикальные устройства могут устанавливаться на незначительной высоте – 1,5 метра и более.
• Наличие всего одной оси вращения позволяет значительно увеличить срок эксплуатации механизма.
• Расположение всех подвижных элементов в нижней части генераторной установки дает возможность быстрого и удобного ремонта и обслуживания механизма.
• Действующая установка может быть сравнительно легко собрана самостоятельно из подручных материалов.
• Жесткая конструкция имеет несколько точек опоры, что дает возможность максимально использовать скорость ветра. Такие механизмы обладают высокой устойчивостью к разрушающему действию ветрового потока.
• Практически все вертикальные ветрогенераторы создают собственную циркуляцию воздуха, способствующую образованию быстроходного эффекта. В этом случае величина линейной скорости лопастей многократно превышает скорость ветра.

В качестве недостатков следует отметить высокий уровень шума от лопастей в процессе работы, более низкую эффективность по сравнению с горизонтальной конструкцией, а также излишний вес и большие габаритные размеры.

Разновидности и модификации вертикальных ветряков

Ортогональный ветрогенератор оборудован несколькими лопастями, расположенными на определенном расстоянии параллельно оси вращения. Эти ветряки известны также под названием ротора Дарье. Данные агрегаты зарекомендовали себя, как наиболее эффективные и функциональные.

Вращение лопастей обеспечивается их крылообразной формой, создающей необходимую подъемную силу. Однако, нормальная работоспособность устройства требует приложения значительных усилий, поэтому производительность генератора можно увеличить путем установки дополнительных статических экранов. В качестве недостатков следует отметить излишний шум, высокие динамические нагрузки (вибрация), которые нередко приводят к преждевременному износу опорных узлов и выходу из строя подшипников.

Существуют ветроустановки с ротором Савониуса, наиболее подходящие для бытовых условий. Ветровое колесо состоит из нескольких полуцилиндров, вращающихся непрерывно вокруг своей оси. Вращение осуществляется всегда в одну и ту же сторону и не зависит от направления ветра.

Минусом таких установок является раскачивание конструкции под действием ветра. За счет этого в оси создается напряжение и подшипник вращения ротора выходит из строя. Кроме того, вращение не может начаться самостоятельно, если в ветрогенераторе установлено всего две или три лопасти. В связи с этим, на оси рекомендуется закреплять два ротора под углом 90 градусов относительно друг друга.

Вертикальный многолопастный ветрогенератор относится к наиболее функциональным устройствам этого модельного ряда. Он обладает высокой производительностью при незначительной нагрузке на несущие элементы.

Внутренняя часть конструкции состоит из дополнительных статичных лопастей, размещенных в один ряд. Они сжимают воздушный поток и регулируют его направление, увеличивая, тем самым, эффективность работы ротора. Основным недостатком считается высокая цена в связи с большим количеством деталей и элементов.

Сборка компонентов ветрогенератора

Обладая некоторыми специальными навыками, вполне возможно изготовить вертикальный ветрогенератор своими руками из подручных материалов. В результате получается простая и недорогая конструкция, пригодная для собственных нужд. Самое главное – правильно изготовить все элементы.

Турбина. Ее основой служит соединяющий элемент для ротора и лопастей генератора. Рекомендуется использовать схему расположения лопастей в виде двух встречных равносторонних треугольников. Чтобы не допустить ошибок, лучше всего заранее сделать картонный шаблон. Вся конструкция состоит из двух опор – верхней и нижней. Снизу размечаются места креплений уголков, соединяющих опору с лопастями.

Ротор. Состоит из двух оснований с отверстиями, сориентированными между собой. На бумажных шаблонах выполняется схема расположения магнитов с соблюдением полярности. Полярность на самих магнитах отмечается маркером. После этого каждый из них приклеивается на свое место эпоксидной смолой. Данная операция проделывается с обоими основаниями.

Статор. Состоит из 9 катушек, разделенных на три группы. Его изготовление считается наиболее сложным и трудоемким процессом. Готовое изделие может не подойти для конкретного ветрогенератора с собственными техническими характеристиками. В каждой катушке содержится определенное число витков медного провода, наматываемых с помощью самодельного станка. Витки должны наматываться одинаково, в одном направлении, с соблюдением начала и конца катушек. Чтобы предотвратить их разматывание, используется эпоксидная смола и изолента.

Подключение и сборка конструкции

Соединение катушек между собой осуществляется по определенной схеме – три группы по 3 катушки в каждой. Подобная схема необходима для получения трехфазного переменного тока. Выведенные концы припаиваются или соединяются зажимами.

Соединение может быть выполнено звездой или треугольником. В первом случае между собой в одной точке соединяются выводы X, Y и Z. Во втором случае выводы соединяются таким образом: X-B, C-Z и Z-A. Для изменения конфигурации подключения в дальнейшем, все проводники следует нарастить и вывести наружу.

Все катушки нужно заранее равномерно разложить на листе бумаги относительно расположения магнитов ротора. Далее они закрепляются скотчем на своих местах и фиксируются эпоксидной смолой. В результате, статор примет плоскую форму и разместится между роторами. Он не несет нагрузки и не будет вращаться. Все соединения нужно прозвонить мультиметром. Остается лишь просверлить в статоре крепления для кронштейна, и далее собрать всю конструкцию.