Конструкция вертикального ветрогенератора


Вертикальный ветрогенератор

Вертикальный ветровой генератор – это техническое устройство служащее для преобразования энергии ветра в электрическую энергию с вертикально установленной осью вращения.

Принцип действия ветрового генератора

Работа ветрового генератора основана на преобразовании кинетической энергии ветра, во вращательную энергию передаточного механизма (лопасти-редуктор-передаточный вал) и далее, во вращательную энергию вала электрического генератора.

Во время вращения в обмотках генератора вырабатывается переменный электрический ток. Выработанный электрический ток подается на контроллер, преобразуется и накапливается в аккумуляторных батареях. С батарей аккумуляторов электрический ток поступает на инвертор, на которым преобразуется и поступает в электрическую сеть для использования.

Составляющие ветрового генератора:

  1. Лопасти – служат для улавливания потоков ветра, который приводит их во вращательное движение;
  2. Редуктор – служит для преобразования мало оборотистой скорости вращения лопастей в более высокую, позволяющую вырабатывать электрический ток;
  3. Генератор – преобразует кинетическую энергию в электрическую;
  4. Защитный кожух – элемент защиты технического устройства от источника посторонних воздействий;
  5. Хвостовик — предназначен для обеспечения направленности лопастей в соответствии с направлением ветра;
  6. Контроллер – служит для преобразования переменного тока в постоянный;
  7. Аккумуляторная батарея – предназначена для накопления выработанной электрической энергии;
  8. Инвертор – преобразует постоянный электрический ток в переменный.

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.

Популярные модели

Прежде чем рассмотреть популярные модели ветровых генераторов, необходимо определиться с критериями выбора этих устройств, такими являются:

  1. Электрическая мощность агрегата;
  2. Количество вырабатываемой электрической энергией в месяц;
  3. Минимальная скорость воздушного потока;
  4. Условия эксплуатации;
  5. Система защиты от перегрузок;
  6. Срок службы;
  7. Стоимость.

В настоящее время ветровые генераторы выпускаются как в нашей стране, так и за ее пределами.

В России подобные агрегаты выпускают: ООО «СКБ Искра», ООО «ГРЦ-Вертикаль», ЗАО «Ветроэнергетическая компания», ЛМВ «Ветроэнергетика», ЗАО «Агрегат-Привод», и еще несколько компаний.

Наиболее известными зарубежными производителями ветровых генераторов являются немецкие, датские, бельгийский и китайские компании.

Наиболее востребованы и надежны в эксплуатации ветровые генераторы выпускаемые фирмой Blue Planet Wind (Бельгия) и «Guangzhou Sunning Windpower Generator Co., Ltd.» (Китай).

В линейке выпускаемых ветровых генераторов EnergyWind компании Blue Planet Wind присутствуют модели различной мощности от 1,0 до 10,0 кВт, которые отличаются по стоимости и комплектности оборудования.

В линейке китайской компании представлены ветровые генераторы мощность от 0,6 кВт до 5,0 кВт, различные по конструкции и вариантам монтажа.

Российские вертикальные ветровые генераторы

Российские компании выпускают вертикальные ветровые генераторы различной мощности и типов ротора.

OOO «ГРЦ-Вертикаль» (Челябинская обл., г. Миасс) выпускает ветрогенераторы вертикального типа мощностью от 1,5 до 30 кВт, рассмотрим некоторые из них:

  1. Ветроустановка ВЭУ-1.5 мощностью 1,5 кВт.

Портативная установка, может транспортироваться любым видом транспорта, проста в монтаже и эксплуатации.

Технические характеристики:

Номинальная мощность – 1,5 кВт;

Выходное напряжение — 48 В;

Рабочий диапазон скоростей ветра — от 2,5 до 25 м/с;

Номинальная скорость ветра 10,0 м/с;

Диаметр ротора 2,8 м;

Температура при эксплуатации — от -50 до +50ºС;

Срок эксплуатации — 20 лет;

Межремонтный цикл — 5 лет;

Масса установки — 75,0 кг;

Стоимость установки – от 100000,00 рублей.

  1. Ветроустановка ВЭУ-3(6), 6-и лопастная, мощностью 3,0 кВт.

Предназначена для автономного электроснабжения потребителей малой мощности (жилой дом, коттедж). Преимущества – удобство и простота монтажа, при установке дополнительного оборудования (аккумуляторов и инвертора), возможно увеличение мощности установки до 6,0 кВт.

Технические характеристики:

  • Номинальная мощность – 3,0 кВт;
  • Выходное напряжение — 48 В;
  • Рабочий диапазон скоростей ветра — от 4 до 30 м/с;
  • Номинальная скорость ветра 10,4 м/с;
  • Диаметр ротора 3,4 м;
  • Высота ротора 4,2 м;
  • Число лопастей — 6 шт.;
  • Частота вращения ротора – от 60 до 180 об/мин;
  • Температура при эксплуатации — от -50 до +50ºС;
  • Срок эксплуатации — 20 лет;
  • Межремонтный цикл — 5 лет;
  • Масса установки — 620 кг;
  • Стоимость установки – от 300000,00 рублей.
  1. Ветроустановка ВЭУ-30 мощностью 30 кВт.

Предназначена для электроснабжения большого дома, либо группы домов.

Технические характеристики:

  • Номинальная мощность – 30,0 кВт;
  • Выходное напряжение – 96 — 400 В;
  • Рабочий диапазон скоростей ветра — от 4 до 60 м/с;
  • Номинальная скорость ветра 10,4 м/с;
  • Диаметр ротора 9,2 м;
  • Высота ротора 12,0 м;
  • Число лопастей — 6 шт.;
  • Частота вращения ротора – от 25 до 65 об/мин;
  • Температура при эксплуатации — от -50 до +40ºС;
  • Срок эксплуатации — 20 лет;
  • Межремонтный цикл — 5 лет;
  • Масса установки — 5100 кг;
  • Стоимость установки – от 1250000,00 рублей.

Как сделать своими руками

Ветряк подобной конструкции не составит труда изготовить человеку умеющему работать с ручным инструментом и немного разбирающимся в электротехнике.

Для изготовления понадобится:

  • Листовой металл (любой, толщиной 0,8– 0,9 мм) – для изготовления лопастей;
  • Сталь полосовая 40х40 мм (либо другого сечения);
  • Труба стальная, диаметром 25 мм;
  • Автомобильная полуось (марка авто не принципиальна) с подшипниками в комплекте;
  • Стальной уголок (профиль);
  • Шкивы разных диаметров – 2 шт.
  • Автомобильный генератор.

Из листового металла изготавливаются 4 лопасти габаритными размерами 1000х800 мм, которые скрепляются между собой полосовой сталью в форме барабана (лопасти направлены от центра круга по радиусам к наружному диаметру). Из стальной трубы делается мачта, которая с одной стороны закрепляется на автомобильной полуоси, а со второй стороны на нее крепятся собранные в виде барабана лопасти. Полуось, с соответствующими ей подшипниками, крепится на металлической опорной конструкции, которая изготавливается произвольной формы и из имеющихся материалов.

Два основных условия при изготовлении металлической конструкции, это:

  • Устойчивость при ветровых нагрузках;
  • Плотная посадка подшипников полуоси.

Для увеличения числа оборотов можно применить ременную передачу, установив на нижнюю полуось шкив большего диаметра, а на генератор меньшего. Генератор можно подобрать автомобильный.

Плюсы и минусы

К положительным свойствам ветровых генераторов с вертикальной осью вращения можно отнести:

  1. Способность работать вне зависимости от направления ветра;
  2. Продолжительные срок эксплуатации;
  3. Удобство в обслуживании и эксплуатации;
  4. Простота конструкции, позволяющая собрать из подручных материалов;
  5. Способность выдерживать значительные внешние нагрузки.

К отрицательным свойствам относятся:

  • Металлоемкость конструкций и как следствие значительный вес;
  • Низкий КПД установок;
  • Высокий уровень шума.

Приведенные «плюсы» и «минусы» использования ветровых генераторов данного вида определяет выбор потенциальных потребителей «зеленой» энергетики, которых с каждым годом становится все больше и больше.

alter220.ru

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

Реальное применение тонкопленочных солнечных батарей Фотомануал: солнечная батарея своими руками шаг за шагом Power Bank с солнечной батареей - расчет на безграмотность Ветряк для частного дома - игрушка или реальная альтернатива

Все права защищены © 2019

«Электрика в доме»

electricadom.com

Вертикальный ветрогенератор: принцип работы

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

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

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

Существуют две основные разновидности ветрогенераторов:

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

Виды 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.

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.

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

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:  Создаем ветрогенератор Савониуса своими руками

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

energo.house

Вертикальный ветрогенератор – особенности конструкций разного типа и самостоятельное изготовление

Альтернативные источники электроэнергии в вашем доме

Использовать энергию ветра с целью получения электричества – идея, отнюдь, не новая. Существуют регионы, где именно это способ добычи считается наиболее выгодным и приоритетным – естественно, в этих местах постоянно дуют ветра. Ярким примером может послужить Дания, где на долю ветровой энергии приходится 25% от всего электричества, потребляемого в стране.

Сегодня мы расскажем вам, что такое ветрогенератор вертикального типа, каковы его основные особенности, преимущества и недостатки, а также поделимся информацией, как собрать такое устройство своими руками, используя лишь подручные материалы.

Особенности и принцип работы

Ветрогенератор вертикальной оси вращения в действии

Преимущества вертикального ветрогенератора достаточно весомые:

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

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

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

Как работает и включается в сеть ветрогенератор

Ветрогенераторы вертикально-осевые парусные

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

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

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

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

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

Типы вертикальных ветрогенераторов

Внешний вид и характеристики вертикальных ветрогенераторов во многом зависят от конструктивного строения этих устройств. Давайте разберем основные.

Ортогональные системы

Ветрогенераторы вертикальные 10 квт

Тех характеристика вертикального ветрогенератора ортогонального типа подразумевает не очень высокий КПД при больших габаритах, при сравнении с горизонтально-осевыми устройствами, однако независимость от направления ветра делает его более приоритетным.

  • В основе конструкции данные генераторы имеют центральную ось вращения (вертикальную) и несколько плоских лопастей, расположенных ей параллельно.
  • Все лопасти удалены от центра вращения на определенное расстояние.
  • При таком устройстве приводной механизм может быть размещен на уровне земли, что существенно облегчает техническое обслуживание и ремонтные мероприятия.

Интересно знать! Ортогональные ветрогенераторы имею непродолжительный срок службы, так как в процессе работы ротор оказывает высокие динамические нагрузки на опорные узлы конструкции. Чтобы продлить срок эксплуатации необходимо регулярно проводить осмотр опорных частей и своевременно осуществлять их замену.

Ротор Дарье

Вертикальные ветрогенераторы 10 квт с ротором Дарье

Лопасти данного генератора совсем непохожи на предыдущие. Обычно это две-три полосы характерной изогнутой формы, которые не имеют аэродинамический профиль. Крепятся они у основания и на верхушке центральной оси вращения.

  • Для турбины также не важно направление ветра.
  • Устройство способно развивать большую скорость вращения.
  • Привод также может быть размещен у основания.

Эффективность такого ветрогенератора  также не очень высока из-за тех же динамических нагрузок, которые еще ложатся и на вращающиеся узлы. При этом запустить генератор может только порыв ветра достаточной силы – если поток будет усиливаться равномерно, старта не будет.

Ротор Савониуса

Ветрогенератор с вертикальной осью вращения с ротором Савониуса

Данные установки имеют лопастную систему полуцилиндрического типа.

  • От прочих конструкций данные генераторы отличает высокий крутящий пусковой момент.
  • Система способна эффективно работать даже при низкой силе ветра.
  • Мощность выпускаемых генераторов такого типа не превышает 5 кВт.
  • Они редко используются как отдельные источники энергии, применяясь в основном для создания пускового момента в роторах Дарье.
  • Из недостатков системы можно отметить большой расход металла, а, следовательно, и вес.
  • КПД устройства также ниже, чем у генераторов на горизонтальной оси.

Многолопастные роторы с направляющей системой

Ветрогенератор вертикальный 10 квт многолопастной

Данная конструкция, по сути, мало чем отличается от классической ортогональной системы, за исключением того, что ротор состоит из двух рядов лопастей (внешнего и внутреннего).

  • Внешний ряд выступает направляющим контуром. Будучи статичным, его задача состоит в улавливании потока ветра, его сжатии и направлении внутрь. Таким образом, поток ветра, фактически, усиливается.
  • Внутренний ряд вращается от потока воздуха, который отражается от внешнего под определенным углом.
  • Специалисты считают, что данные генераторы являются самыми эффективными, однако слишком высокая цена делают эту категорию устройств менее окупаемой.
  • КПД конструкции очень высокое, что позволяет ей эффективно работать даже при низких скоростях ветра.

Ветрогенераторы с геликоидными роторами

Ветряк с геликоидным ротором

Такие роторы называют еще установками Горлова. По сути, перед нами снова модификация ортогональной системы, однако лопасти используются не прямые, а закрученные по дуге.

  • Подобная конструкция позволяет легко улавливать даже незначительные потоки воздуха и вращаться плавно, без рывков, благодаря чему существенно снижается динамическая нагрузка, а основания и вращающиеся узлы работают долго и исправно.
  • Надежность таких роторов очень высока, однако ложки дегтя не закинуть не можем. Во время работы агрегата создаются достаточно громкие звуковые эффекты, включая звуковые волны, короткого диапазона.
  • Изготовление лопастей сложной формы – дело достаточно затратное, поэтому и стоимость готовой установки довольно высока.

Вертикально-осевые роторы

Осевой ротор с вертикальным расположением лопастей

Лопасти такого генератора располагаются вертикально, плавно изгибаются и немного напоминают крыло от авиалайнера.

  • Эти установки довольно быстро набирают рабочую скорость, и практически не издают шума, а значит, не мешают окружающим.
  • Конструкция очень эффективна и имеет довольно солидный рабочий ресурс.
  • Производство установки тоже нельзя отнести к самым дорогим, поэтому они пользуются хорошим спросом.

Самостоятельное изготовление вертикального ветрогенератора

Итак, сборка вертикального ветрогенератора — дело очень увлекательное, но достаточно сложное. В плане стоимости гораздо больше потянут сопровождающие устройства, но тут при желании можно сэкономить.

Основные комплектующие

Нам потребуется сделать следующие части конструкции:

  • Осевая мачта – металлическая труба, которая будет удерживать наш генератор на высоте. Можно применить и другие конструкции согласно вашей задумке.
  • Ротор – подвижная часть агрегата, которая будет задействована в выработке электрического тока. Ротор ветряного генератора будет оборудован мощными неодимовыми магнитами.
  • Статор – неподвижная часть генератора, на которой размещаются катушки индуктивности, соединенные с внешней цепью. Строение статора сильно влияет на эффективность генератора – сегодня мы разберем самодельное изделие, которое будет выдавать трехфазный ток.
  • Турбина – конструкция, состоящая из лопастей, заставляющая механизм вращаться от ветра.

Изготовление каждой детали обсудим по отдельности.

Как сделать турбину

Начнем с турбины. Ее конфигурация может быть любой. Посмотрите на следующие фото, чтобы понять до чего иной раз доходят народные умельцы в своих изысканиях.

В интернете нами была найдена следующая интересная схема сборки этого агрегата:

За основу конструкции взят прототип водяной турбины
  1. Тут мы видим соединяющий элемент, через который будет подсоединен ротор.
  2. На этой схеме показано, как будут располагаться роторы. Сделать такую разметку на шаблоне из картона не составит труда.

Высота лопастей составляет 116 сантиметров, чего достаточно для эффективной работы устройства. Можно сделать и больше, чтобы увеличить эффект парусности, но имейте ввиду, что возрастут и динамические нагрузки на конструкцию.

  • В качестве материала для оснований (верхнего и нижнего) можно использовать влагостойкую фанеру, ОСБ плиты, ABS пластик и прочие легкие материалы. Вырезаются они достаточно просто, при помощи электролобзика. Главное условие при этом, чтобы детали имели одинаковые размеры и форму.
В основании турбины просверлено 4 дополнительных отверстия для крепления роторов
  • Лопасти вырезаются из листового железа, согласно требуемым габаритам.
  • Крепление лопастей выполняется при помощи небольших металлических уголков, через болтовое соединение. В качестве шайбы используется гровер, чтобы от вибраций конструкция не разбалтывалась.

Сборка не очень сложна, так что все пройдет интуитивно, главное, не спешить, и четко соединять детали по шаблонам.

Сборка ротора

Собрать электрическую часть установки, не имея опыта в радиоэлектронике, занятие достаточно проблематичное, но все же возможное. При желании вы можете найти и готовый ротор со статором, но не каждое устройство подойдет для параметров ветроустановки, а готовый образец будет стоить много денег.

  • Итак, нам понадобится две части ротора, представляющие собой круглые пластины, на которые будет наклеены мощные неодимовые магниты. Изготовлены они из металла.
  • Основания изготавливаются одинаковыми, после чего на них приклеиваются шаблоны, которые сориентируют нас при размещении магнитов (смотрите фото выше).
  • Как видите, магнитов будет 12 штук. Приклеивать их нужно таким образом, чтобы их полярность чередовалась.
Магниты приклеены к основанию
  • Монтаж выполняется при помощи эпоксидного клея – он держит надежно и застывает очень быстро.
  • Нанесите клей на основание тонким слоем, после чего аккуратно установите магнит. Подносить его нужно с краю, чтобы избежать резкого примагничивания, иначе магнит может просто треснуть от удара.
  • Избегайте того, чтобы магниты слиплись друг с другом, так как оторвать их будет очень сложно. Возможно, резонно воспользоваться деревянной прокладкой.
  • Вторая часть ротора проклеивается аналогично, но с условием, что наклеенные магниты должны иметь обратную полярность. Чтобы сориентироваться, не помешает предварительно поставить метки на основаниях, показывая, как они будут стоять на установке.

Оставьте роторы застывать, предусмотрительно, убрав их подальше друг от друга, чтобы они случайно не примагнитились.

Статор

Статор является самой технически сложной деталью генератора. Для него нам понадобится изготовить 9 катушек одинакового размера и формы.

  • Для изготовления катушки нам потребуется простейший станок, который можно сколотить своими руками из четырех гвоздей, двух кусочков фанеры, шпильки, четырех гаек и двух шайб, водрузив все это дело на вертикальную стойку из бруса.
Как сделать катушку для статора
  • Сама катушка сделана из лакированной проволоки 0,51 мм, и содержит 320 ее витков. Если нужно большее напряжение, но меньший ток, то применяется проволока меньшего сечения, а количество витков увеличивается.
  • Вообще, параметры обмотки статора нужно тщательно высчитывать, что требует знаний и опыта. Вдаваться в подробности не будем, а лишь приведем следующую небольшую табличку.
Кол-во витков Сечение проволоки Напряжение при оборотах
320 0,51 мм 100В/120 об
160 0,0508 мм 48В/140 об
60 0,0571 24В/120 об

Если опыта в наматывании катушек у вас нет, то помните просто следующие важные вещи:

  • Количество витков обязательно одинаковое;
  • Укладываются витки в одном и том же направлении;
  • Отмечайте начало и конец катушки;
  • Чтобы не допустить произвольного разматывания катушки, обмотайте ее изолентой и залейте эпоксидкой.
  • Вам понадобится вощеная бумага, на которой делается чертеж, разбивающий окружность на 9 частей.
  • Положение катушек должно соответствовать расположению магнитов на роторе.
Схема подключения катушек
  • Катушки соединяются в три независимых контура, как показано на схеме выше. Соединения лучше всего спаять и заизолировать.
  • Затем полученные шесть выводов соединяются по одной из схем: звезда (x, y, z соединяются вместе) – позволяет получить большее напряжение; треугольник (x–b, y-c, z-a) – на выходе будет увеличенный ток.
  • Уложите катушки на бумагу и зафиксируйте их положение скотчем.
  • Чтобы эпоксидная смола не растекалась, сформируйте внутренний и внешний круг из стекловолокна.
  • Тестово прозвоните катушки на предмет замыкания, и залейте пространство между ними.
В статоре нужно проделать отверстия под шпильки от кронштейна

Сборка генератора

Схема готового генератора

Для окончательной сборки вам потребуется смастерить кронштейн, который будет удерживать статор в неподвижном положении, тогда как роторы будут вращаться снизу и сверху.

Вот, как это все будет выглядеть в сборе.

  • Мы видим, что статор связывается с кронштейном через три длинные шпильки.
  • Роторы отнесены от статора на одинаковое расстояние, которое также задается шпильками с втулками заданной длины.
  • Чем меньше расстояние между деталями, тем эффективнее генератор, но возрастает риск повреждения конструкции при сильном ветре. Если обмотку протрет, то может произойти короткое замыкание.
  • Вращение ротора на оси можно организовать при помощи автомобильной ступицы, под которую в основаниях турбины и роторов и были сделаны отверстия.
  • Фиксируется ось ступицы в кронштейне за счет шести болтов закручиваемых по периметру трубы.

На этом сборку ветрогенератора можно считать оконченной. Вам осталось только выбрать место для установки, зафиксировать установку и подключить ее по уже описанной схеме.

На этом, пожалуй, завершим наш материал. Мы узнали основные характеристики вертикального ветрогенератора, его строение, преимущества вертикальных ветрогенераторов перед моделями с горизонтальной осью, а также поделились информацией по самостоятельной сборке данного устройства. Надеемся, материал был для вас полезным и познавательным. Прилагаем еще и видео, содержащее много полезных советов. Всего хорошего.

elektrik-a.su


Смотрите также