Ветрогенератор для дома, нужен или нет? Как сконструировать?

Еще недавно о домашней электрификации могли только мечтать. Но мечтам свойственно сбываться и человек научился обеспечивать себя электричеством не только в промышленных масштабах, но и для домашнего пользования. О том, что такое ветрогенератор, как он работает, каких он бывает видов, и как его сконструировать своими руками, мы и расскажем в нашей статье.

Целесообразность установки ветрогенератора

Прежде чем сказать категорическое нет установке ветрогенератора, необходимо ознакомиться с его способностями и преимуществами, и только тогда отвечать на вопрос, а нужен ли он вам.

Первое и самое главное преимущество такого устройства это то, что оно является альтернативным источником энергии. Другими словами, ветряк способствует превращению энергии воздушных потоков в электричество.

Вторым преимуществом конструкции можно считать тот фактор, что ее можно эксплуатировать не только в экстремальных условиях обитания человека, но и в нашей повседневной жизни, например, на приусадебном участке, где отсутствует электропитание или в населенных пунктах, где подача электроэнергии производится с большими перепадами или перебоями.

На сегодняшний день популярность электрогенераторов возрастает с каждым днем. В первую очередь ими оборудуют дорогие коттеджи, на содержание которых, как правило, требуется много электроэнергии. В этом случае, наиболее подходящим оборудованием будут именно ветрогенераторы, которые, помимо этого, обладают и другими положительными свойствами:

• экологичностью;
• ему не требуется сырья для производства электроэнергии;
• процесс преобразования не имеет отходов.

Принцип работы ветрогенератора

Чтобы разобраться с тем, как работает ветрогенератор, придется детально рассмотреть его составляющие. Основными элементами такой конструкции будут:

• лопасти, которые под воздействием потоков воздуха преобразуют энергию ветра, путем своего вращения;
• генератор, который предназначен для выработки переменного тока;
• контроллер, предназначенный для контроля за лопастями и для преобразования поступающей энергии. Именно переменный ток требуется для аккумуляторов;
• аккумуляторы, предназначающиеся для накапливания и выравнивания энергии;
• инвертор, который предназначен для превращения постоянного тока, поступающего с аккумулятора, в переменный;
• мачта, приподнимающая лопасти над уровнем земли.

Если говорить простым языком, то эксплуатация такого оборудования выглядит по такому принципу: при воздействии ветра происходит движение лопастей, которые способствуют запуску ротора, в результате чего наблюдается преобразование энергии механической в электрическую.

При вращении, ротор производит трехфазный ток, который несовместим с электроприборами. Чтобы их работа была возможной его необходимо преобразовать. Это выполняет контроллер, который преобразует поступающий ток в постоянный.

Этот ток, при прохождении через аккумуляторы, заряжает их и поступает в инвертор, где преобразуется в переменный ток, с привычными нам характеристиками. Он имеет напряжение 220 В и частоту 50 Гц.

Все ли ветрогенераторы одинаковые?

Если учитывать работу устройства, то она одинаковая у всех видов ветрогенераторов. Но различия все-таки есть, которые кроются в лопастной системе. Если говорить о конструкциях для бытового использования, то здесь необходимо уделить внимание материалу, который будет использоваться для конструирования лопастей. Помимо этого, эффективность оборудования зависит от количества лопастей, шагового признака винта и направлений оси движения, относительно земли.

Многие ветрогенераторные устройства относятся к одно-, двух-, трех- и многолопастным конструкциям. Некоторые, вообще, их не имеют, а вместо лопастей они оборудованы специальным парусом, который улавливает потоки ветра. За этим парусом находятся поршни, запускающие гидросистему, которая и производит электричество.

КПД таких устройств намного выше, чем у лопастных моделей. Что касается их, то они придерживаются такого принципа, чем меньше количество лопастей на установке, тем больший объем энергии может произвести генератор.

Ветрогенераторы и их виды

Все устройства этого типа имеют отличия не только по числу лопастей, но и по материалу изготовления. Обычно, для их производства используют металл, стеклопластик или парус, который считается более доступным, но недостаточно практичным материалом.

Если сравнить изделия по шаговому признаку винта, то наиболее надежным будет та конструкция, которая будет содержать фиксированный шаг. Есть несколько моделей с изменяемым шагом, которые могут изменить скорость движения, но из-за своей громоздкости они требуют увеличения расходов на монтаж и дальнейшее обслуживание.

Если сравнивать устройства, согласно направления оси движения, относительно поверхности земли, то здесь существует больше вариантов.

Конструкции с вертикальными осями могут быть нескольких видов:

• ветрогенераторы Савониуса, состоящие из нескольких частей пустотелых цилиндров, установленных на вертикальную ось. Главная их особенность, это возможность движения, невзирая на направление и скорость воздушных потоков. Но и минус они имеют весомый, они способны использовать ветряную энергию только на треть;
• ротор Дарье, представляющий собой устройство из двух или более лопастей, которые выглядят как пластины. Изготовление такого ветрогенератора не представляет никакой сложности, но произвести много электроэнергии вряд ли получится. Помимо этого, для старта такой конструкции требуются дополнительные механизмы;
• геликоидный ротор, который выглядит как устройство с загнутыми лопастями. Это позволяет выполнять равномерное вращение. Преимуществом такой конструкции можно назвать ее долговечность, но высокая стоимость — это существенный минус;
• многолопастной ветрогенератор с вертикальной осью считается наиболее эффективным устройством во всей группе таких конструкций.

Устройства с горизонтальными осями вращения тоже обладают несколькими преимуществами и недостатками. Неоспоримый плюс — это высокое КПД, а недостатками считают необходимость улавливания ветряных потоков с помощью флюгеров, а также зависимость эффективности от направлений ветра.

Следующий критерий, по которому отличаются все ветрогенераторы, это его страна производства, он может быть отечественным или импортным.

Стоимость ветрогенераторов определяется, исходя от их мощности и дополнительных функций. Если конструкция содержит солнечные батареи, то ее цена может колебаться до сотен тысяч рублей.

Как сконструировать ветрогенератор в домашних условиях

Несмотря на все преимущества ветрогенераторов, самым главным их минусом будет высокая стоимость. Естественно, что позволить их установку может не каждый, поэтому единственным выходом из сложившейся ситуации будет изготовление оборудования самостоятельно. Для выполнения этих работ вам необходимо подготовить схему конструкции, чертеж и все элементы оборудования.

Каждый самодельный ветрогенератор должен содержать такие детали:

• лопасти;
• генератор;
• мачту;
• установку для преобразования тока.

Процесс изготовления роторного ветрогенератора начинается с того, что подыскивается бочка или другая емкость, цилиндрической формы. Используя измерительные инструменты, необходимо разделить нашу емкость на четыре равные части — это будут лопасти конструкции. Остальные работы выполняются в несколько шагов:

• При прорезании лопастей обратите внимание, что их не прорезают до конца, достаточно будет сделать глубокие прорези, при помощи болгарки;
• Одновременно с этим занятием, вам необходимо переделать шкив генератора. Для этого, в днище емкости и шкиве отмечают и просверливают отверстия для будущих болтов;
• Теперь необходимо отогнуть лопасти, но так, чтобы они не сильно отдалялись от центральной части. При отгибании лопастей учтите, куда будет выполняться вращение генератора. В большинстве случаев его движение выполняется по часовой стрелке;

• На шкив необходимо установить емкость с отогнутыми лопастями;
• Прикрепить генератор на мачту, закрепив его при помощи хомутов;
• Осталось подсоединить все провода и собрать цепь. Для удобства, необходимо переписать схему соединения проводов и промаркировать контакты, это поможет избежать путаницы в дальнейшем. Провода закрепляют на мачте;
• Присоединение аккумулятора выполняется 4 мм проводами. Максимальная длина отрезка, который может пригодиться, будет равна 1 м;
• Для подключения конструкции к сети используют провода, сечением 2,5 мм 2;
• Теперь устанавливается инвертор, для чего используются провода, сечением 4 мм 2 .

Есть еще несколько способов изготовления ветрогенератора в домашних условиях, что можно посмотреть на представленных видео.

Сколько энергии необходимо для среднестатистической семьи

Если это городская квартира, то для обеспечения работоспособности электрических приборов хватит и 0,5 кВт.

При установке ветрогенератора, мощностью 5 кВт, вы можете обеспечить себя достаточным объемом электроэнергии, даже если скорость воздушных потоков будет незначительной.

Если обогрев квартиры зависит от электроприбора, то для его работоспособности потребуется более мощные генераторы и высокая скорость ветров, которая наблюдается в береговой линии.

Советы, как выбрать ветрогенератор

При подборе такого оборудования необходимо придерживаться нескольких правил и советов:

Не думайте, что дорогая конструкция импортного производства будет наиболее надежной и долговечной. При выборе такого устройства обратите внимание на количество производимой энергии, если эти данные соответствуют вашим потребностям, то вы можете присмотреться к этой модели.

Если выбранная модель соответствует вашим запросам, то учтите, что их работа рассчитана на определенную скорость воздушных потоков. Оцените будущее месторасположение ветрогенератора, насколько часто там бываю заявленные порывы ветра, чтобы не получилось так, что вы заплатили за то, чего не сможете получить.

Мощность ветряка напрямую зависит от размера колеса, сформированного лопастями. Поэтому при его увеличении даже в 2 раза вы приобретете в 4 раза больше электричества.

Прочитайте про еще один вид альтернативного источника энергии солнечные батареи. Их также можно сделать своими руками.

Следующее, на что следует сделать акцент, это емкость аккумулятора. Если ваше местоположение не относится к береговой зоне, то, скорее всего, штиль будет частым спутником вашей конструкции. Поэтому работоспособность устройства будет полностью зависеть от емкости аккумулятора. Так как они могут очень быстро разряжаться, то нелишним будет иметь дополнительное оборудование, такое как солнечные батареи.

Где следует устанавливать ветрогенераторы

От правильной установки ветрогенератора зависит объем производимой электроэнергии. Оптимальным местом для таких устройств будет открытая площадка, обдуваемая со всех сторон ветрами. Если поблизости располагаются высокие деревья, то лучше подыскать более подходящее место для его установки.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что использование ветрогенератора на своем участке должно быть обоснованно его целесообразностью, а не данью моде. Если было решено использовать альтернативные источники энергии, то вам придется сделать выбор: заплатить большую сумму и приобрести готовую конструкции или сэкономить и изготовить устройство своими руками. Если эти вопросы остались позади, обратите внимание на месторасположение ветряка, ведь от этого тоже зависит эффективность его использования.

Вертикальный ветряк своими руками: процесс сборки. Что такое вертикальные ветрогенераторы и как их сделать своими руками Ветряк с вертикальной осью своими руками

Вертикальный ветрогенератор своими руками, чертежи, фото, видео ветряка с вертикальной осью.

Ветрогенераторы подразделяются по типу размещения вращающейся оси (ротора) на вертикальные и горизонтальные. Конструкцию ветрогенератора с горизонтальным ротором мы рассматривали в прошлой статье, теперь поговорим о ветрогенераторе с вертикальным ротором.

Схема аксиального генератора для ветрогенератора.

Изготовление ветроколеса.

Ветроколесо (турбина) вертикального ветрогенератора состоит из двух опор верхней и нижней, а также из лопастей.

Ветроколесо изготовляется из листов алюминия или нержавейки, также ветроколесо можно вырезать из тонкостенной бочки. Высота ветроколеса должна быть не менее 1 метра.

В этом ветроколесе угол изгиба лопастей задаёт скорость вращения ротора, чем больше изгиб, тем больше скорость вращения.

Ветроколесо крепится болтами сразу к шкиву генератора.

Для установки вертикального ветрогенератора можно использовать любую мачту, изготовление мачты подробно описано в этой .

Схема подключения ветогенератора.

Генератор подключается к контроллеру, тот в свою очередь к аккумулятору. В качестве накопителя энергии практичней использовать автомобильный аккумулятор. Поскольку бытовые приборы работают от переменного тока, нам понадобится инвертор для преобразования постоянного тока 12 V в переменный 220V.

Для подключения используется медный провод сечением до 2,5 квадрата. Схема подключения подробно описана .

Видео где показан ветрогенератор в работе.

Россия в отношении ветроэнергетических ресурсов занимает двоякое положение. С одной стороны, благодаря огромной общей площади и обилию равнинных местностей ветра в целом много, и он большей частью ровный. С другой – наши ветры преимущественно низкопотенциальные, медленные, см. рис. С третьей, в мало обжитых местностях ветры буйные. Исходя из этого, задача завести на хозяйстве ветрогенератор вполне актуальна. Но, чтобы решить – покупать достаточно дорогое устройство, или сделать его своими руками, нужно как следует подумать, какой тип (а их очень много) для какой цели выбрать.

Основные понятия

1. КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
2. КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
3. Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
4. Максимально допустимая скорость ветра (МДС) – его скорость, при которой выработка энергии прекращается: автоматика или отключает генератор, или ставит ротор во флюгер, или складывает его и прячет, или ротор сам останавливается, или ВСУ просто разрушается.
5. Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
6. Отрицательная стартовая скорость (ОСС) – это значит, что ВСУ (или ВЭУ – ветроэнергетическая установка, или ВЭА, ветроэнергетический агрегат) для запуска при любой скорости ветра требует обязательной раскрутки от постороннего источника энергии.
7. Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
8. Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
9. Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
10. Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
11. Тихоходный ветряк – в нем линейная скорость частей ротора в потоке существенно не превосходит скорость ветра или ниже ее. Динамический напор потока непосредственно преобразуется в тягу лопасти.
12. Быстроходный ветряк – линейная скорость лопастей существенно (до 20 и более раз) выше скорости ветра, и ротор образует свою собственную циркуляцию воздуха. Цикл преобразования энергии потока в тягу сложный.

1. Тихоходные ВСУ, как правило, имеют КИЭВ ниже, чем быстроходные, но имеют стартовый момент, достаточный для раскрутки генератора без отключения нагрузки и нулевую ССВ, т.е. абсолютно самозапускающиеся и применимы при самых слабых ветрах.
2. Тихоходность и быстроходность – понятия относительные. Бытовой ветряк на 300 об/мин может быть тихоходным, а мощные ВСУ типа EuroWind, из которых набирают поля ветроэлектростанций, ВЭС (см. рис.) и роторы которых делают порядка 10 об/мин – быстроходные, т.к. при таком их диаметре линейная скорость лопастей и их аэродинамика на большей части размаха – вполне «самолетные», см. далее.

Какой нужен генератор?

Электрический генератор для ветряка бытового назначения должен вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне скоростей вращения и обладать способностью самозапуска без автоматики и внешних источников питания. В случае использования ВСУ с ОСС (ветряки с раскруткой), обладающих, как правило, высокими КИЭВ и КПД, он должен быть и обратимым, т.е. уметь работать и как двигатель. При мощностях до 5 кВт этому условию удовлетворяют электрические машины с постоянными магнитами на основе ниобия (супермагнитами); на стальных или ферритовых магнитах можно рассчитывать не более чем на 0,5-0,7 кВт.

Примечание: асинхронные генераторы переменного тока или коллекторные с ненамагниченным статором не годятся совершенно. При уменьшении силы ветра они «погаснут» задолго до того, как его скорость упадет до МРС, и потом сами не запустятся.

Отличное «сердце» ВСУ мощностью от 0,3 до 1-2 кВт получается из автогенератора переменного тока со встроенным выпрямителем; таких сейчас большинство. Во-первых, они держат выходное напряжение 11,6-14,7 В в довольно широком диапазоне скоростей без внешних электронных стабилизаторов. Во-вторых, кремниевые вентили открываются, когда напряжение на обмотке достигнет примерно 1,4 В, а до этого генератор «не видит» нагрузки. Для этого генератор нужно уже довольно прилично раскрутить.

В большинстве случаев автогенератор можно непосредственно, без зубчатой или ременной передачи, соединить с валом быстроходного ВД, подобрав обороты выбором количества лопастей, см. ниже. «Быстроходки» имеют малый или нулевой стартовый момент, но ротор и без отключения нагрузки успеет достаточно раскрутиться, прежде чем вентили откроются и генератор даст ток.

Выбор по ветру

Прежде чем решать, какой сделать ветрогенератор, определимся с местной аэрологией. В серо-зеленоватых (безветренных) областях ветровой карты хоть какой-то толк будет лишь от парусного ветродвигателя (и них далее поговорим). Если необходимо постоянное энергоснабжение, то придется добавить бустер (выпрямитель со стабилизатором напряжения), зарядное устройство, мощную аккумуляторную батарею, инвертор 12/24/36/48 В постоянки в 220/380 В 50 Гц переменного тока. Обойдется такое хозяйство никак не менее $20.000, и снять долговременную мощность более 3-4 кВт вряд ли получится. В общем, при непреклонном стремлении к альтернативной энергетике лучше поискать другой ее источник.

В желто-зеленых , слабоветренных местах, при потребности в электричестве до 2-3 кВт самому можно взяться за тихоходный вертикальный ветрогенератор . Их разработано несть числа, и есть конструкции, по КИЭВ и КПД почти не уступающие «лопастникам» промышленного изготовления.

Если же ВЭУ для дома предполагается купить, то лучше ориентироваться на ветряк с парусным ротором. Споров и них много, и в теории пока еще не все ясно, но работают. В РФ «парусники» выпускают в Таганроге на мощность 1-100 кВт.

В красных , ветреных, регионах выбор зависит от потребной мощности. В диапазоне 0,5-1,5 кВт оправданы самодельные «вертикалки»; 1,5-5 кВт – покупные «парусники». «Вертикалка» тоже может быть покупной, но обойдется дороже ВСУ горизонтальной схемы. И, наконец, если требуется ветряк мощностью 5 кВт и более, то выбирать нужно между горизонтальными покупными «лопастниками» или «парусниками».

Примечание: многие производители, особенно второго эшелона, предлагают комплекты деталей, из которых можно собрать ветрогенератор мощностью до 10 кВт самостоятельно. Обойдется такой набор на 20-50% дешевле готового с установкой. Но прежде покупки нужно внимательно изучить аэрологию предполагаемого места установки, а затем по спецификациям подобрать подходящие тип и модель.

О безопасности

Детали ветродвигателя бытового назначения в работе могут иметь линейную скорость, превосходящую 120 и даже 150 м/с, а кусочек любого твердого материала весом в 20 г, летящий со скоростью 100 м/с, при «удачном» попадании убивает здорового мужика наповал. Стальная, или из жесткого пластика, пластина толщиной 2 мм, движущаяся со скоростью 20 м/с, рассекает его же напополам.

Кроме того, большинство ветряков мощностью более 100 Вт довольно сильно шумят. Многие порождают колебания давления воздуха сверхнизкой (менее 16 Гц) частоты – инфразвуки. Инфразвуки неслышимы, но губительны для здоровья, а распространяются очень далеко.

Примечание: в конце 80-х в США был скандал – пришлось закрыть крупнейшую на тот момент в стране ВЭС. Индейцы из резервации в 200 км от поля ее ВСУ доказали в суде, что резко участившиеся у них после ввода ВЭС в эксплуатацию расстройства здоровья обусловлены ее инфразвуками.

В силу указанных выше причин установка ВСУ допускается на расстоянии не менее 5 их высот от ближайших жилых строений. Во дворах частных домовладений можно устанавливать ветряки промышленного изготовления, соответствующим образом сертифицированные. На крышах ставить ВСУ вообще нельзя – при их работе, даже у маломощных, возникают знакопеременные механические нагрузки, способные вызвать резонанс строительной конструкции и ее разрушение.

Примечание: высотой ВСУ считается наивысшая точка ометаемого диска (для лопастных роторов) или геомерической фигуры (для вертикальных ВСУ с ротором на древке). Если мачта ВСУ или ось ротора выступают вверх еще выше, высота считается по их топу – верхушке.

Ветер, аэродинамика, КИЭВ

Самодельный ветрогенератор подчиняется тем же законам природы, что и заводской, рассчитанный на компьютере. И самодельщику основы его работы нужно понимать очень хорошо – в его распоряжении чаще всего нет дорогих суперсовременных материалов и технологического оборудования. Аэродинамика же ВСУ ох как непроста…

Ветер и КИЭВ

Для расчета серийных заводских ВСУ используется т. наз. плоская механистическая модель ветра. В ее основе следующие предположения:

• Скорость и направление ветра постоянны в пределах эффективной поверхности ротора.
• Воздух – сплошная среда.
• Эффективная поверхность ротора равна ометаемой площади.
• Энергия воздушного потока – чисто кинетическая.

При таких условиях максимальную энергию единицы объема воздуха вычисляют по школьной формуле, полагая плотность воздуха при нормальных условиях 1,29 кг*куб. м. При скорости ветра 10 м/с один куб воздуха несет в себе 65 Дж, и с одного квадрата эффективной поверхности ротора можно, при 100% КПД всей ВСУ, снять 650 Вт. Это весьма упрощенный подход – все знают, что ветер идеально ровным не бывает. Но на это приходится идти, чтобы обеспечить повторяемость изделий – обычное в технике дело.

Плоскую модель игнорировать не следует, она дает четкий минимум доступной энергии ветра. Но воздух, во-первых, сжимаем, во-вторых, очень текуч (динамическая вязкость всего 17,2 мкПа*с). Это значит, поток может обтекать ометаемую площадь, уменьшая эффективную поверхность и КИЭВ, что чаще всего и наблюдается. Но в принципе возможна и обратная ситуация: ветер стекается к ротору и площадь эффективной поверхности тогда окажется больше ометаемой, а КИЭВ – больше 1 относительно его же для плоского ветра.

Приведем два примера. Первый – прогулочная, довольно тяжеловесная, яхта может идти не только против ветра, но и быстрее его. Ветер имеется в виду внешний; вымпельный ветер все равно должен быть быстрее, иначе как он судно потянет?

Второй – классика авиационной истории. На испытаниях МИГ-19 оказалось, что перехватчик, который был на тонну тяжелее фронтового истребителя, по скорости разгоняется быстрее. С теми же движками в том же планере.

Теоретики не знали, что и думать, и всерьез засомневались в законе сохранения энергии. В конце концов оказалось – дело в выступающем из воздухозаборника конусе обтекателя РЛС. От его носка к обечайке возникало уплотнение воздуха, как бы сгребавшее его со сторон к компрессорам двигателей. С тех пор ударные волны прочно вошли в теорию как полезные, и фантастические летные данные современных самолетов в немалой степени обусловлены их умелым использованием.

Аэродинамика

Развитие аэродинамики принято делить на две эпохи – до Н. Г. Жуковского и после. Его доклад «О присоединенных вихрях» от 15 ноября 1905 г. стал началом новой эры в авиации.

До Жуковского летали на поставленных плашмя парусах: полагалось, что частицы набегающего потока отдают весь свой импульс передней кромке крыла. Это позволяло сразу избавиться от векторной величины – момента количества движения – порождавшей зубодробительную и чаще всего неаналитическую математику, перейти к куда более удобным скалярным чисто энергетическим соотношениям, и получить в итоге расчетное поле давления на несущую плоскость, более-менее похожее на настоящее.

Такой механистический подход позволил создать аппараты, способные худо-бедно подняться в воздух и совершить перелет из одного места в другое, не обязательно грохнувшись на землю где-то по пути. Но стремление увеличить скорость, грузоподъемность и другие летные качества все больше выявляло несовершенство первоначальной аэродинамической теории.

Идея Жуковского была такова: вдоль верхней и нижней поверхностей крыла воздух проходит разный путь. Из условия непрерывности среды (пузыри вакуума сами по себе в воздухе не образуются) следует, что скорости верхнего и нижнего потоков, сходящих с задней кромки, должны отличаться. Вследствие пусть малой, но конечной вязкости воздуха там из-за разности скоростей должен образоваться вихрь.

Вихрь вращается, а закон сохранения количества движения, столь же непреложный, как и закон сохранения энергии, справедлив и для векторных величин, т.е. должен учитывать и направление движения. Поэтому тут же, на задней кромке, должен сформироваться противоположно вращающийся вихрь с таким же вращательным моментом. За счет чего? За счет энергии, вырабатываемой двигателем.

Для практики авиации это означало революцию: выбрав соответствующий профиль крыла, можно было присоединенный вихрь пустить вокруг крыла в виде циркуляции Г, увеличивающей его подъемную силу. Т.е., затратив часть, а для больших скоростей и нагрузок на крыло – большую часть, мощности мотора, можно создать вокруг аппарата воздушный поток, позволяющий добиться лучших летных качеств.

Это делало авиацию авиацией, а не частью воздухоплавания: теперь летательный аппарат мог сам создавать себе нужную для полета среду и не быть более игрушкой воздушных потоков. Нужен только двигатель помощнее, и еще и еще мощнее…

Снова КИЭВ

Но у ветряка мотора нет. Он, наоборот, должен отбирать энергию у ветра и давать ее потребителям. И здесь выходит – ноги вытащил, хвост увяз. Пустили слишком мало энергии ветра на собственную циркуляцию ротора – она будет слабой, тяга лопастей – малой, а КИЭВ и мощность – низкими. Отдадим на циркуляцию много – ротор при слабом ветре будет на холостом ходу крутиться как бешеный, но потребителям опять достается мало: чуть дали нагрузку, ротор затормозился, ветер сдул циркуляцию, и ротор стал.

Закон сохранения энергии «золотую середину» дает как раз посерединке: 50% энергии даем в нагрузку, а на остальные 50% подкручиваем поток до оптимума. Практика подтверждает предположения: если КПД хорошего тянущего пропеллера составляет 75-80%, то КИЭВ так же тщательно рассчитанного и продутого в аэродинамической трубе лопастного ротора доходит до 38-40%, т.е. до половины от того, чего можно добиться при избытке энергии.

Современность

Ныне аэродинамика, вооруженная современной математикой и компьютерами, все более уходит от неизбежно что-то да упрощающих моделей к точному описанию поведения реального тела в реальном потоке. И тут, кроме генеральной линии – мощность, мощность, и еще раз мощность! – обнаруживаются пути побочные, но многообещающие как раз при ограниченном количестве поступающей в систему энергии.

Известный авиатор-альтернативщик Пол Маккриди еще в 80-х создал самолет, с двумя моторчиками от бензопилы мощностью в 16 л.с. показавший 360 км/ч. Причем шасси его было трехопорным неубирающимся, а колеса – без обтекателей. Ни один из аппаратов Маккриди не вышел на линию и не встал на боевое дежурство, но два – один с поршневыми моторами и пропеллерами, а другой реактивный – впервые в истории облетели вокруг земного шара без посадки на одной заправке.

Парусов, породивших изначальное крыло, развитие теории тоже коснулось весьма существенно. «Живая» аэродинамика позволила яхтам при ветре в 8 узл. встать на подводные крылья (см. рис.); чтобы разогнать такую громадину до нужной скорости гребным винтом, требуется двигатель не менее 100 л.с. Гоночные катамараны при таком же ветре ходят со скоростью около 30 узл. (55 км/ч).

Есть и находки совершенно нетривиальные. Любители самого редкого и экстемального спорта – бейсджампинга – надев апециальный костюм-крыло, вингсьют, летают без мотора, маневрируя, на скорости более 200 км/ч (рис. справа), а затем плавно приземляются в заранее выбранном месте. В какой сказке люди летают сами по себе?

Разрешились и многие загадки природы; в частности – полет жука. По классической аэродинамике, он летать не способен. Точно так же, как и родоначальник «стелсов» F-117 с его крылом ромбовидного профиля тоже не способен подняться в воздух. А МИГ-29 и Су-27, которые некоторое время могут лететь хвостом вперед, и вовсе ни в какие представления не укладываются.

И почему тогда, занимаясь ветродвигателями, не забавой и не орудием уничтожения себе подобных, а источником жизненно важного ресурса, нужно плясать непременно от теории слабых потоков с ее моделью плоского ветра? Неужели не найдется возможности продвинуться дальше?

Чего ожидать от классики?

Однако от классики отказываться ни в коем случае не следует. Она дает основу, не оперевшись на которую нельзя подняться выше. Точно так же, как теория множеств не отменяет таблицу умножения, а от квантовой хромодинамики яблоки с деревьев вверх не улетят.

Итак, на что можно рассчитывать при классическом подходе? Посмотрим на рисунок. Слева – типы роторов; они изображены условно. 1 – вертикальный карусельный, 2 – вертикальный ортогональный (ветряная турбина); 2-5 – лопастные роторы с разным количеством лопастей с оптимизированными профилями.

Справа по горизонтальной оси отложена относительная скорость ротора, т.е., отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. По вертикальной вверх – КИЭВ. А вниз – опять же относительный крутящий момент. Единичным (100%) крутящим моментом считается такой, который создает насильно заторможенный в потоке ротор со 100% КИЭВ, т.е. когда вся энергия потока преобразуется во вращающее усилие.

Такой подход позволяет делать далеко идущие выводы. Скажем, количество лопастей нужно выбирать не только и не столько по желательной скорости вращения: 3- и 4-лопастники сразу много теряют по КИЭВ и вращательному моменту по сравнению с хорошо работающими примерно в том же диапазоне скорстей 2- и 6-лопастниками. А внешне похожие карусель и ортогонал обладают принципиально разными свойствами.

В целом же предпочтение следует отдавать лопастным роторам, кроме случаев, когда требуются предельная дешевизна, простота, необслуживаемый самозапуск без автоматики и невозможен подъем на мачту.

Примечание: о парусных роторах поговорим особо – они, похоже, в классику не укладываются.

Вертикалки

ВСУ с вертикальной осью вращения имеют неоспоримое для быта преимущество: их узлы, требующие обслуживания, сосредоточены внизу и не нужен подъем наверх. Там остается, и то не всегда, упорно-опорный самоустанавливающийся подшипник, но он прочен и долговечен. Поэтому, проектируя простой ветрогенератор, отбор вариантов нужно начинать с вертикалок. Основные их типы представлены на рис.

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

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

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

Дарье

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

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

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

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

Ортогонал

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

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

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

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

Геликоид

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

Бочка-загребушка

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

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

Видео: ветрогенератор Ленца

В 60-х в СССР Е. С. Бирюков запатентовал карусельную ВСУ с КИЭВ 46%. Немного позже В. Блинов добился от конструкции на том же принципе КИЭВ 58%, но данных о ее испытаниях нет. А натурные испытания ВСУ Бирюкова были проведены сотрудниками журнала «Изобретатель и рационализатор». Двухэтажный ротор диаметром 0,75 м и высотой 2 м при свежем ветре раскручивал на полную мощность асинхронный генератор 1,2 кВт и выдерживал без поломки 30 м/с. Чертежи ВСУ Бирюкова приведены на рис.

1. ротор из кровельной оцинковки;
2. самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;
3. ванты – 5 мм стальной трос;
4. ось-древко – стальная труба с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;
5. рычаги аэродинамического регулятора оборотов;
6. лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или листовой пластик;
7. тяги регулятора оборотов;
8. груз регулятора оборотов, его вес определяет частоту вращения;
9. ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;
10. подпятник – упорно-опорный подшипник;
11. ведомый шкив – штатный шкив генератора;
12. генератор.

Бирюков на свою ВСУ получил сразу несколько авторских свидетельств. Во-первых, обратите внимание на разрез ротора. При разгоне он работает подобно ВС, создавая большой стартовый момент. По мере раскрутки во внешних карманах лопастей создается вихревая подушка. С точки зрения ветра, лопасти становятся профилированными, и ротор превращается в быстроходный ортогонал, причем виртуальный профиль меняется соответственно силе ветра.

Во-вторых, профилированный канал между лопастями в рабочем диапазоне скоростей работает как центральное тело. Если же ветер усиливается, то в нем также создается вихревая подушка, выходящая за пределы ротора. Возникает такой же вихревой кокон, как вокруг ВСУ с направляющим аппаратом. Энергия на его создание берется от ветра, и тому на поломку ветряка ее уже не хватает.

В-третьих, регулятор оборотов предназначен прежде всего для турбины. Он держит ее обороты оптимальными с точки зрения КИЭВ. А оптимум частоты вращения генератора обеспечивается выбором передаточного отношения механики.

Примечание: после публикаций в ИР за 1965 г. ВСУ Бирюкова канула в небытие. Ответа от инстанций автор так и не дождался. Судьба многих советских изобретений. Говорят, какой-то японец стал миллиардером, регулярно читая советские популярно-технические журналы и патентуя у себя все, заслуживающее внимания.

Лопастники

Как у сказано, по классике горизонтальный ветрогенератор с лопастным ротором – наилучший. Но, во-первых, ему нужен стабильный хотя бы средней силы ветер. Во-вторых, конструкция для самодельщика таит в себе немало подводных камней, из-за чего нередко плод долгих упорных трудов в лучшем случае освещает туалет, прихожую или крыльцо, а то и оказывается способен только раскрутить самого себя.

По схемам на рис. рассмотрим подробнее; позиции:

• Фиг. А:

1. лопасти ротора;
2. генератор;
3. станина генератора;
4. защитный флюгер (ураганная лопата);
5. токосъемник;
6. шасси;
7. поворотный узел;
8. рабочий флюгер;
9. мачта;
10. хомут под ванты.

• Фиг. Б, вид сверху:

1. защитный флюгер;
2. рабочий флюгер;
3. регулятор натяжения пружины защитного флюгера.

• Фиг. Г, токосъемник:

1. коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;
2. подпружиненные меднографитовые щетки.

Примечание: ураганная защита для горизонтального лопастника диаметром более 1 м совершенно необходима, т.к. создать вокруг себя вихревой кокон он не способен. При меньших размерах можно добиться выносливости ротора до 30 м/с с лопастями из пропилена.

Итак, где нас ждут «спотыки»?

Лопасти

Рассчитывать добиться мощности на валу генератора более 150-200 Вт на лопастях любого размаха, вырезанных из толстостенной пластиковой трубы, как часто советуют – надежды беспросветного дилетанта. Лопасть из трубы (если только она не настолько толстая, что используется просто как заготовка) будет иметь сегментный профиль, т.е. его верхняя, или обе поверхности будут дугами окружности.

Сегментные профили пригодны для несжимаемой среды, скажем, для подводных крыльев или лопастей гребного винта. Для газов же нужна лопасть переменного профиля и шага, для примера см. рис.; размах – 2 м. Это будет сложное и трудоемкое изделие, требующее кропотливого расчета во всеоружии теории, продувок в трубе и натурных испытаний.

Генератор

При насадке ротора прямо на его вал штатный подшипник скоро разобьется – одинаковой нагрузки на все лопасти в ветряках не бывает. Нужен промежуточный вал со специальным опорным подшипником и механическая передача от него на генератор. Для больших ветряков опорный подшипник берут самоустанавливающийся двухрядный; в лучших моделях – трехъярусный, Фиг. Д на рис. выше. Такой позволяет валу ротора не только слегка изгибаться, но и немного смещаться из стороны в сторону или вверх-вниз.

Примечание: на разработку опорного подшипника для ВСУ типа EuroWind ушло около 30 лет.

Аварийный флюгер

Принцип его работы показывает Фиг. В. Ветер, усиливаясь, давит на лопату, пружина растягивается, ротор перекашивается, обороты его падают и в конце концов он становится параллельно потоку. Вроде бы все хорошо, но – гладко было на бумаге…

Попробуйте в ветреный день удержать за ручку параллельно ветру крышку от выварки или большой кастрюли. Только осторожно – вертлявая железяка может садануть по физиономbии так, что расквасит нос, рассечет губу, а то и выбьет глаз.

Плоский ветер бывает только в теоретических выкладках и, с достаточной для практики точностью, в аэродинамических трубах. Реально же ураган ветряки с ураганной лопатой корежит больше, чем вовсе беззащитные. Лучше все-таки менять исковерканные лопасти, чем делать заново все. В промышленных установках – другое дело. Там шаг лопастей, по каждой в отдельности, отслеживает и регулирует автоматика под управлением бортового компьютера. И делаются они из сверхпрочных композитов, а не из водопроводных труб.

Токосъемник

Это – регулярно обслуживаемый узел. Любой энергетик знает, что коллектор со щетками нужно чистить, смазывать, регулировать. А мачта – из водопроводной трубы. Не залезешь, раз в месяц-два придется весь ветряк валить на землю и потом опять поднимать. Сколько он протянет от такой «профилактики»?

Видео: лопастной ветрогенератор + солнечная панель для электроснабжения дачи

Мини и микро

Но с уменьшением размеров лопастника трудности падают по квадрату диаметра колеса. Изготовление горизонтальной лопастной ВСУ своими силами на мощность до 100 Вт уже возможно. Оптимальным будет 6-лопастный. При большем количестве лопастей диаметр ротора, рассчитанного на ту же мощность, будет меньше, но их окажется трудно прочно закрепить на ступице. Роторы о менее чем 6 лопастях можно не иметь в виду: 2-лопастнику на 100 Вт нужен ротор диаметром 6,34 м, а 4-лопастнику той же мощности – 4,5 м. Для 6-лопастного зависимость мощность – диаметр выражается следующим образом:

• 10 Вт – 1,16 м.
• 20 Вт – 1,64 м.
• 30 Вт – 2 м.
• 40 Вт – 2,32 м.
• 50 Вт – 2,6 м.
• 60 Вт – 2,84 м.
• 70 Вт – 3,08 м.
• 80 Вт – 3,28 м.
• 90 Вт – 3,48 м.
• 100 Вт – 3,68 м.
• 300 Вт – 6,34 м.

Оптимальным будет рассчитывать на мощность 10-20 Вт. Во-первых, лопасть из пластика размахом более 0,8 м без дополнительных мер защиты не выдержит ветер более 20 м/с. Во-вторых, при размахе лопасти до тех же 0,8 м линейная скорость ее концов не превысит скорость ветра более чем втрое, и требования к профилировке с круткой снижаются на порядки; здесь уже вполне удовлетворительно будет работать «корытце» с сегментным профилем из трубы, поз. Б на рис. А 10-20 Вт обеспечат питание планшетки, подзарядку смартфона или засветят лампочку-экономку.

Далее, выбираем генератор. Отлично подойдет китайский моторчик – ступица колеса для электровелосипедов, поз. 1 на рис. Его мощность как мотора – 200-300 Вт, но в режиме генератора он даст примерно до 100 Вт. Но подойдет ли он нам по оборотам?

Показатель быстроходности z для 6 лопастей равен 3. Формула для расчета скорости вращения под нагрузкой – N = v/l*z*60, где N – частота вращения, 1/мин, v – скорость ветра, а l – длина окружности ротора. При размахе лопасти 0,8 м и ветре 5 м/с получаем 72 об/мин; при 20 м/с – 288 об/мин. Примерно с такой же скоростью вращается и велосипедное колесо, так что свои 10-20 Вт от генератора, способного дать 100, мы уж снимем. Можно ротор сажать прямо на его вал.

Но тут возникает следующая проблема: мы, потратив немало труда и денег, хотя бы на моторчик, получили… игрушку! Что такое 10-20, ну, 50 Вт? А лопастный ветряк, способный запитать хотя бы телевизор, дома не сделаешь. Нельзя ли купить готовый мини-ветрогенератор, и не обойдется ли он дешевле? Еще как можно, и еще как дешевле, см. поз. 4 и 5. Кроме того, он будет еще и мобильным. Поставил на пенек – и пользуйся.

Второй вариант – если где-то валяется шаговый двигатель от старого 5- или 8-дюймового дисковода, или от привода бумаги или каретки негодного струйного или матричного принтера. Он может работать как генератор, и приделать к нему карусельный ротор из консервных банок (поз. 6) проще, чем собирать конструкцию наподобие показанной на поз. 3.

В целом по «лопастникам» вывод однозначен: самодельные – скорее для того, чтобы помастерить всласть, но не для реальной долговременной энергоотдачи.

Видео: простейший ветрогенератор для освещения дачи

Парусники

Парусный ветрогенератор известен давно, но мягкие полотнища его лопастей (см. рис.) начали делать с появлением высокопрочных износостойких синтетических тканей и пленок. Многолопастные ветряки с жесткими парусами широко разошлись по миру как привод маломощных автоматических водокачек, но их техданные ниже даже чем у каруселей.

Однако мягкий парус как крыло ветряка, похоже, оказался не так-то прост. Дело не в ветроустойчивости (производители не ограничивают максимально допустимую скорость ветра): яхсменам-парусникам и так известно, что ветру разорвать полотнище бермудского паруса практически невозможно. Скорее шкот вырвет, или мачту сломает, или вся посудина сделает «поворот оверкиль». Дело в энергетике.

К сожалению, точных данных испытаний не удается найти. По отзывам пользователей удалось составить «синтетические» зависимости для установки ВЭУ-4.380/220.50 таганрогского производства с диаметром ветроколеса 5 м, массой ветроголовки 160 кг и частотой вращения до 40 1/мин; они представлены на рис.

Разумеется, ручательств за 100% достоверность быть не может, но и так видно, что плоско-механистической моделью тут и не пахнет. Никак не может 5-метровое колесо на плоском ветре в 3 м/с дать около 1 кВт, при 7 м/с выйти на плато по мощности и далее держать ее до жестокого шторма. Производители, кстати, заявляют, что номинальные 4 кВт можно получить и при 3 м/с, но при установке их силами по результатам исследований местной аэрологии.

Количественной теории также не обнаруживается; пояснения разработчиков маловразумительны. Однако, поскольку таганрогские ВЭУ народ покупает, и они работают, остается предположить, что заявленные коническая циркуляция и пропульсивный эффект – не фикция. Во всяком случае, возможны.

Тогда, выходит, ПЕРЕД ротором, по закону сохранения импульса, должен возникнуть тоже конический вихрь, но расширяющийся и медленный. И такая воронка будет сгонять ветер к ротору, его эффективная поверхность получится больше ометаемой, а КИЭВ – сверхединичным.

Пролить свет на этот вопрос могли бы натурные измерения поля давления перед ротором, хотя бы бытовым анероидом. Если оно окажется выше, чем с боков в стороне, то, действительно, парусные ВСУ работают, как жук летает.

Самодельный генератор

Из сказанного выше ясно, что самодельщикам лучше браться или за вертикалки, или за парусники. Но те и другие очень медленные, а передача на быстроходный генератор – лишняя работа, лишние затраты и потери. Можно ли сделать эффективный тихоходный электрогенератор самому?

Да, можно, на магнитах из ниобиевого сплава, т. наз. супермагнитах. Процесс изготовления основных деталей показан на рис. Катушки – каждая из 55 витков медного 1 мм провода в термостойкой высокопрочной эмалевой изоляции, ПЭММ, ПЭТВ и т.п. Высота обмоток – 9 мм.

Обратите внимание на пазы под шпонки в половинах ротора. Они должны быть расположены так, чтобы магниты (они приклеиваются к магнитопроводу эпоксидкой или акрилом) после сборки сошлись разноименными полюсами. «Блины» (магнитопроводы) должны быть изготовлены из магнитомягкого ферромагнетика; подойдет обычная конструкционная сталь. Толщина «блинов» – не менее 6 мм.

Вообще-то лучше купить магниты с осевым отверстием и притянуть их винтами; супермагниты притягиваются со страшной силой. По этой же причине на вал между «блинами» надевается цилиндрическая проставка высотой 12 мм.

Обмотки, составляющие секции статора, соединяются по схемам, также приведенным на рис. Спаянные концы не должны быть натянуты, но должны образовывать петли, иначе эпоксидка, которой будет залит статор, застывая, может порвать провода.

Заливают статор в изложнице до толщины 10 мм. Центрировать и балансировать не нужно, статор не вращается. Зазор между ротором и статором – по 1 мм с каждой стороны. Статор в корпусе генератора нужно надежно зафиксировать не только от смещения по оси, но и от проворачивания; сильное магнитное поле при токе в нагрузке будет тянуть его за собой.

Видео: генератор для ветряка своими руками

Вывод

И что же мы имеем напоследок? Интерес к «лопастникам» объясняется скорее их эффектным внешним видом, чем действительными эксплуатационными качествами в самодельном исполнении и на малых мощностях. Самодельная карусельная ВСУ даст «дежурную» мощность для зарядки автоаккумулятора или энергоснабжения небольшого дома.

А вот с парусными ВСУ стоит поэкспериментировать мастерам с творческой жилкой, особенно в мини-исполнении, с колесом 1-2 м диаметром. Если предположения разработчиков верны, то с такого можно будет снять, посредством описанного выше китайского движка-генератора, все его 200-300 Вт.

Спасибо за вашу бесплатную консультацию…А цены “от фирм”не реально дороги,и я думаю,что мастеровые люди из глубинки смогут сделать генераторы подобные вашему.А аккамуляторы Li-po можно выписать из Китая,инверторы в Челябинске делают очень хорошие (с плавным синусом).А паруса,лопасти или роторы – это очередной повод для полёта мысли наших рукастых Русских мужиков.

вопрос:
Для ветряков с вертикальной осью(позиция 1) и варианта “Ленца” возможно добавить дополнительную деталь – крыльчатку,выставляющуюся по ветру, и закрывающую от него же бесполезную сторону(идущую в сторону ветра). То есть ветер будет не лопасть тормозить, а этот “экран”. Постановка по ветру “хвостом”, находящимся за самим ветряком ниже и выше лопостей(гребней). Читал статью и родилась идея.

Нажимая кнопку «Добавить комментарий», я соглашаюсь с сайта.

Из-за дороговизны электроэнергии стало актуально использовать альтернативные её источники, одними из которых являются вертикальные ветрогенераторы. При необходимости соорудить такое оборудование можно самостоятельно.

Устройство ветрового генератора

В конструкцию ветряка нового поколения для выработки ветроэнергии входят:

1. Колесо, оборудованное лопастями. Этот узел представляет собой основной ротор, который необходим для восприятия силы воздушного потока. Его предназначение заключается в преобразовании кинетической энергии ветра в механическую. Для этого образуется крутящий момент на валу.
2. Редукторный узел. Используется для синхронизации вращательного движения и образует скорость вращения вала генераторного узла. Монтируется внутри конструкции.
3. Генераторный узел, представляет собой устройство, предназначенное для выработки электротока в результате преобразования крутящего момента в магнитное поле. Данный агрегат способствует созданию в электроцепи разности напряжений.
4. АКБ. Предназначение аккумулятора заключается в накоплении энергии и выдаче постоянного тока, величина которого составляет 12 вольт.
5. Инверторный узел. Являет собой механизм, использующийся для преобразования постоянного значения тока в переменное. Рабочий параметр составляет 220 вольт.

Схема подключения ветряка Vertical к бытовой сети дома

Принцип работы ветровых генераторов

В самодельных или фирменных ветряных устройствах с вертикальной или горизонтальной осью вращения лопасти начинают двигаться в результате воздействия силы ветра. Основные элементы оборудования заставляют вращаться роторный узел посредством специального приводного агрегата. Наличие статорной обмотки способствует преобразованию механической энергии в электрический ток. Осевые винты обладают аэродинамическими особенностями, в результате чего обеспечивают быстрое прокручивание турбины агрегата.

Затем в роторных генераторах происходит преобразование силы вращения в электричество, собирающееся в аккумуляторе. По факту чем сильнее будет воздушный поток, тем быстрее прокручиваются лопасти агрегата, что способствует образованию энергии. Так как работа генераторного оборудования основывается на максимальном применении альтернативного источника, одна часть лопастей обладает более закругленной формой. А вторая — ровная. При прохождении потока воздуха по округлой части происходит образование вакуумного участка, это способствует засасыванию лопасти и уводит ее в сторону.

При прокручивании происходит вращение оси винтов, которые подключены к роторному механизму. На этом устройстве располагаются двенадцать магнитных элементов, которые прокручиваются внутри. Это приводит к образованию переменного электрического тока с частотой, как в бытовых розетках. Полученную энергию можно не только вырабатывать, но и передавать на расстояния, однако ее нельзя аккумулировать.

Чтобы ее собирать, потребуется преобразование в постоянный ток, именно эту цель выполняет электроцепь, расположенная внутри турбины. Для получения большого объема электроэнергии осуществляется изготовление промышленного оборудования, ветровые парки обычно включают в себя десятки таких установок.

Принцип работы ветрогенератора дает возможность использовать агрегат в вариантах:

• для автономного функционирования;
• с солнечными батареями;
• параллельно с резервным аккумулятором;
• вместе с бензиновым либо дизельным генераторным устройством.

При движении воздушного потока скоростью около 45 км/час выработка энергии турбиной составляет примерно 400 Вт. Этого хватит для освещения загородного дачного участка. При необходимости можно реализовать накопление электроэнергии в батарее.

Для зарядки аккумулятора используется специальное оборудование. При снижении величины подзаряда скорость вращения лопастей станет падать. Если аккумулятор полностью разрядится, элементы генераторного оборудования будут опять прокручиваться. Этот принцип дает возможность поддерживать зарядку устройства на конкретном уровне. При более высокой скорости потока воздуха турбина агрегата сможет производить больший объем энергии.

Пользователь Darkhan Dogalakov на примере модели SEAH 400-W рассказал о принципе действия ветрового оборудования.

Какие ветрогенераторы самые эффективные (классификация агрегатов)

Классификация по оси вращения:

Применение такого оборудования более целесообразно на промышленных предприятиях, чем в быту. На практике они чаще используются для создания систем ветроэлектростанций.

Это связано с тем, что редукторный узел и генератор монтируются на земле. К минусам такого оборудования следует отнести дорогостоящую установку и серьезные эксплуатационные затраты. Для монтажа генератора потребуется достаточно места. Поэтому использование вертикальных устройств более целесообразно в небольших частных хозяйствах.

Классификация по количеству лопастей:

Карусельные устройства, оборудованные множеством лопастей, начинают вращение при небольшой силе ветра. Но их применение более актуально, если играет роль непосредственно сам факт прокручивания, к примеру, когда требуется перекачка воды. Чтобы эффективно обеспечить выработку большого количества энергии, многолопастные агрегаты не используются. Для их функционирования требуется установка редукторного устройства. Это не только усложняет всю конструкцию оборудования в целом, но и делает ее менее надежной по сравнению с двух- и трехлопастными.

Классификация по материалам элементов вращения:

С жесткими лопастями

Парусные агрегаты

Стоимость таких агрегатов более высокая за счет дороговизны производства деталей вращения. Но по сравнению с парусным оборудованием, генераторы с жесткими лопастями более надежны и характеризуются высоким ресурсом эксплуатации. Поскольку в воздухе содержится пыль и песок, на элементы вращения воздействует высокая нагрузка. При работе оборудования в стабильных условиях, ему требуется ежегодная замена антикоррозийной пленки, которая наносится на концы лопастей. Без этого элемент вращения со временем начинает терять свои рабочие свойства.

Такой тип лопастей более прост в плане производства и менее затратный, по сравнению с металлом либо стеклопластиком. Но экономия при изготовлении может привести к серьезным расходам в будущем. При диаметре ветрового колеса в три метра скорость движения конца лопасти может составить до 500 км/ч, когда обороты оборудования составляют около 600 в минуту. Это — серьезная нагрузка даже для жестких деталей. Практика показывает, что элементы вращения на парусном оборудовании приходится менять часто, особенно если сила ветра высокая.

Канал «Fodiator Ch» подробно рассказал о разновидностях ветряных генераторных установок.

Классификация по типу ротора

В соответствии с разновидностью роторного механизма все агрегаты можно разделить на несколько видов:

• ортогональные устройства Дарье;
• агрегаты с роторным узлом Савониуса;
• устройства с вертикально-осевой конструкцией агрегата;
• оборудование с геликоидным типом роторного механизма.

Устройства Дарнье

Оборудование такого класса может оснащаться двумя либо тремя элементами вращения. Лопасти будут изогнуты в виде овала.

Основные достоинства такого типа:

• оборудование самостоятельно ориентируется на направление потока воздуха;
• простота кинетической схемы устройства;
• основной вал приводного механизма находится близко к земле, что способствует более упрощенному обслуживанию.

• из-за конструктивных особенностей отсутствует возможность самостоятельной раскрутки оборудования;
• слишком большая нагрузка на опорные узлы, что связано с динамическим воздействием от потока ветра;
• агрегаты с ротором Дарнье работают громко;
• заданного профиля элемента вращения необходимо придерживаться по длине.

Генераторы с ротором Савониуса

Такое оборудование являет собой устройство, где лопасти механизма изготовлены в виде цилиндрических устройств.

• устройство может начать работу при небольшой силе потока ветра, составляющей от трех метров в секунду;
• высокий ресурс эксплуатации и надежность агрегата;
• оперативный набор хороших показателей крутящего момента;
• дешевизна в плане производства и обслуживания.

К основным минусам относится низкая эффективность агрегата в преобразовании ветрового потока. Мощность оборудования составляет не более 4-6 кВт. Из-за этого роторные механизмы Савониуса обычно используются в комбинированных агрегатах. К примеру, для разгона генераторного устройства, разработанного по схеме Дарнье.

Пользователь Andrey Vasilyev показал, как работает спиральный тип оборудования, построенный на роторе Савониуса.

Агрегаты с вертикально-осевым ротором

Основная особенность такого типа оборудования заключается в том, что лопасти располагаются вертикально и характеризуются профилем авиационного крыла. Его ось параллельна валу. Визуально такой генератор похож на агрегат Дарнье, но он более прост в плане производства. При функционировании быстрее набирает рабочую скорость, а во время работы практически не издает звуковых волн. Генераторы с вертикально-осевым ротором оптимально использовать для дачных участков, поскольку они характеризуются высокой надежностью и длительным ресурсом службы.

С геликоидным механизмом

Данный тип оборудования является более усовершенствованной версией вышеописанного вида. Его лопасти сделаны в форме геликоидной кривой. Это позволяет обеспечить более равномерное вращение лопастей и понизить величину нагрузки на опорную составляющую агрегата.

Благодаря изгибу основных элементов во время работы генератор быстрее набирает скорость. В плане эффективности такое оборудование можно сравнить с классическими горизонтальными ветрогенераторами. Но во время функционирования такие устройства издают больше шума. В результате того, что конфигурация лопастей в целом сложная, агрегаты с таким типом роторных механизмов более дороги в плане изготовления.

Канал «AERO Prop» продемонстрировал процесс работы установки с геликоидным устройством.

Преимущества ветровых генераторов

Достоинства, характерные для такого оборудования:

1. Небольшие начальные значения скорости ветрового потока для того, чтобы привести в движение роторный механизм установки. В некоторых современных моделях оборудования данный показатель составляет от 0,3 метров в секунду. Но по факту вертикальные ветрогенераторы начнут эффективно производить энергию при скорости около 3-5 м/сек. Показатель номинальной мощности оборудования будет в случае, когда скоростные значения составят 10-18 метров в секунду.
2. Работа ветрового генератора не зависит от направления движения ветра. Благодаря особенностям конструкции установка может улавливать воздух независимо от угла.
3. Вертикальные генераторные установки, как правило, характеризуются пониженным звуковым фоном. На практике этот параметр составляет не более 20 децибел. Также в работе устройств не проявляются частоты, близкие к нижнему порогу — инфразвук, негативно влияющий на здоровье. Поэтому установка оборудования возможна в непосредственной близости с жилыми домами.
4. Во время функционирования ветрогенераторы практически не вырабатывают электромагнитное излучение. Работа конструкции не создает разрушительных вибраций.
5. Оборудование неопасно для птиц, поскольку ими оно воспринимается как одно препятствие. Это весомое преимущество по сравнению с горизонтальными ветрогенераторами. Лопасти таких устройств птицы не ассоциируют с препятствиями, в результате сталкиваются с ними.
6. Благодаря конструктивным особенностям вертикальное оборудование не нуждается в использовании дополнительных механизмов для осуществления запуска. Роторный узел начинает вращаться, как только ветровой поток достигнет минимального значения для старта установки.
7. Работа ветрогенератора возможна в любых климатических условиях. Такое оборудование позволяет противостоять даже сильному ветру, вплоть до урагана.
8. Простота использования и обслуживания агрегатов. Ветрогенераторы характеризуются упрощенной системой управления и минимальными расходами при эксплуатации, которые требуются для поддержания рабочего состояния. Благодаря этому оборудование все чаще используется в частных домах.

Пользователь Одесский инженер подробно рассказал о достоинствах и недостатках, характерных для генераторных установок.

Недостатки вертикальных ветрогенераторов

1. Низкий параметр эффективного преобразования потока воздуха. Если сравнивать с горизонтальным оборудованием, то он меньше в 2-2,5 раза.
2. Вертикальные устройства характеризуются высокой материалоемкостью. Это связано с большим объемом лопастей.
3. Некоторые модели агрегатов имеют громоздкую конструкцию, которая обычно увеличивается при росте полезной мощности. В итоге этот недостаток негативно отражается на планировке площади для установки оборудования.
4. Чтобы собрать вертикальный агрегат, потребуется большее число материалов, по сравнению с горизонтальными устройствами. В результате этого их стоимость будет выше.
5. Вибрации, которые издает установка, хоть и небольшие, но все же присутствуют. В результате этого, а также резких изменений режимов прокручивания, образуется высокая нагрузка на подшипниковые устройства. Поэтому подвижные элементы оборудования часто ломаются.

Канал «Тепло-вода» подробно рассказал обо всех недостатках, характерных для такого типа устройств.

Инструкция по изготовлению вертикального ветрогенератора своими руками

Чтобы использовать такое устройство, его необязательно покупать. Можно изготовить оборудование самостоятельно.

Что понадобится?

Для сборки агрегата потребуются:

• роторный механизм, это подвижная часть оборудования;
• лопасти — будут улавливать воздушный поток;
• осевая мачта, предназначенная для фиксирования роторного механизма, а также элементов вращения, может быть выполнена в виде шеста либо пирамиды;
• статорное устройство — используется для расположения катушки, оснащенной проволокой;
• АКБ — батарея необходима для накопления полученной энергии;
• инверторный узел, использующийся для преобразования постоянного тока в переменный;
• контроллер — блок управления системой, предназначен для остановки генераторного узла в момент, когда мощность оборудования будет превышать норму.

Лопасти могут быть выполнены из легкой листовой пластмассы, обладающей упругостью. Рекомендуется использовать именно этот материал, поскольку другие более подвержены деформированию и повреждениям. Только листовой пластик эффективно справляется с высокой динамической нагрузкой. Небольшие лопасти можно соорудить из ПВХ средней плотности, но для широких элементов понадобится более прочный материал.

Подробнее о подготовке комплектующих, а также о создании ветрового генераторного устройства из бытового вентилятора рассказал пользователь Alexander Polulyakh.

Пошаговый алгоритм действий

Процедура изготовления оборудования выглядит так:

1. На первом этапе выполняется производство элементов вращения. Для этого из высокопрочной трубы ПВХ надо вырезать четыре одинаковых детали. Затем два полукруглых элемента выкраиваются из жесткого материала и фиксируются на каждой стороне трубы. Высота лопасти составит около 70 см. Тогда радиус вращения деталей будет в районе 69 см.
2. Чтобы соорудить роторную систему, потребуется шесть неодимовых магнитов, а также ферритовые диски, каждый имеет диаметр 23 см. Для фиксации элементов необходим суперклей. С его помощью производится закрепление магнитов на первом диске. При выполнении этой задачи важно чередовать полярность, а в ходе установки между элементами должен соблюдаться угол в 60 градусов. Диаметр расположения составит 16,5 см.
3. Аналогичным образом выполняется сборка второго диска. Все магнитные элементы надо зафиксировать с помощью клея, а лучше — залить их.
4. Чтобы изготовить статорный механизм, потребуется девять катушек, на каждую из которых наматывается по 60 витков медного проводника. Диаметр его сечения должен составить 1 мм. Важно правильно выполнить спайку проводников. Начало первой катушки фиксируется на конце четвертой, а она — с контактом седьмой.
5. Сборка следующей фазы роторного механизма осуществляется аналогичным образом. Только действия начинаются со второй катушки.
6. Затем из фанерного листа надо сделать форму для статорного устройства. На дно укладывается полотно стекловолокна, а сверху производится монтаж фаз, на которые припаяны катушки. Полученную конструкцию надо залить клеем и оставить просохнуть на два дня. Это позволит эффективно схватиться всем элементам и занять необходимые места. После выполнения этой задачи производится подключение отдельных составляющих компонентов в единую систему.
7. Для сборки в верхнем роторном механизме надо сделать четыре отверстия, куда будут устанавливаться шпильки. Затем на кронштейн ставится нижнее устройство, при монтаже магниты направляются вверх.
8. Потом производится установка статорного механизма. Перед этим надо сделать в устройстве отверстия, через которые узел будет фиксироваться на кронштейне.
9. Шпильки упираются в алюминиевую пластину, после чего производится монтаж второго роторного механизма. Этот узел устанавливается магнитными элементами вниз.
10. Затем, используя гаечный ключ, надо по очереди вращать каждую шпильку. Это позволит обеспечить равномерное опускание верхнего роторного механизма на нижнее. После того как узел займет необходимое место, шпильки надо демонтировать. Алюминиевые пластины извлекаются, они больше не нужны.
11. По завершении работ вся конструкция закрепляется посредством гаек. Элементы фиксации надо затянуть максимально прочно, но не жестко, иначе можно сорвать резьбу.
12. В качестве мачты рекомендуется использовать прочную стальную трубу, ее длина должна составить около пяти метров. К ней производится фиксация готового генераторного устройства. После этого выполняется подсоединение каркаса с пластмассовыми лопастями к агрегату. Затем собранная конструкция монтируется на площадку, подготовленную для установки оборудования. Рекомендуется заранее сделать трехточечный армированный фундамент на поверхности, а для лучшей фиксации надо обеспечить растяжку.
13. Если говорить о подключении электросети к ветровому генераторному устройству, то соединение проводников производится в конкретной последовательности. Блок управления должен принимать ресурс от агрегата и выполнять преобразование переменной величины тока в постоянную, которая требуется для зарядки аккумулятора. АКБ будет сохранять заряд. Инверторный механизм предназначен для преобразования постоянной величины тока в переменную, которая будет использовать для питания бытового оборудования.

Фотогалерея

Установка роторных элементов и магнитов, а также шпилек на алюминиевую пластину Схемы фиксации лопаток роторного механизма

Как сделать расчет ветрогенератора самостоятельно

Для вычисления параметра мощности оборудования, которое будет использоваться на определенной местности, применяются формулы. В первую очередь производится расчет объема энергии, позволяющую выработать ветрогенератором на протяжении года.

Вычисление общей мощности оборудования

Для осуществления задачи выполняются такие действия:

1. Сначала производятся вычисления. В соответствии с полученными результатами подбирается длина элементов вращения, а также высота башни.
2. Выполняется анализ средней скорости воздушного потока, характерного для определенной местности. Для этого потребуется специальное оборудование. С его помощью необходимо следить за силой потока воздуха на протяжении нескольких месяцев. При отсутствии прибора можно запросить результаты у представителей местной метеостанции.

Расчет мощности ветрогенератора выполняется по формуле Р=krV 3S/2.

• r — параметр плотности воздушного потока, при обычных условиях это значение равно 1,225 кг/м3;
• V — средняя величина скорости ветра, измеряется в метрах в секунду;
• S — общая площадь воздушного потока, замеряется в метрах;
• k — параметр эффективности турбины, которая устанавливается в оборудовании;

Используя эти расчеты, можно точно определить величину мощности, необходимой для генераторной установки в конкретной местности. Если покупается фирменное оборудование, то на его упаковке должно указываться, при какой силе воздушного потока работа устройства будет максимально эффективной. В среднем это значение составит в диапазоне от семи до одиннадцати метров в секунду.

Пользователь Одесский инженер подробно рассказал о процедуре сборки генераторного устройства, а также о выполнении расчетов.

Вычисление винтов для ветряной установки

Процедура расчета выполняется по формуле Z=LW/60/V, обозначение символов:

• Z — величина тихоходности одного винта;
• L — размер окружности, которую будут описывать элементы вращения;
• W — скорость прокручивания одного винта;
• V — скоростной параметр подачи воздушного потока.

С учетом этой формулы производится вычисление количества оборотов. Но для расчета надо учитывать и шаг одного винта оборудования. Он вычисляется по формуле H=2пR* tga.

• 2п — константное значение, составляющее 6,28;
• R — значение радиуса, который будут описывать элементы вращения оборудования;
• tg a — угол сечения.

Расчет инвертора для ветряного генератора

Перед выполнением этих вычислений надо учесть следующий момент. Если в домашней сети будет использоваться только одна батарея, рассчитанная на 12 вольт, то смысла ставить инвертор нет. Средняя величина мощности дачного участка или частного домовладения составляет около 4 кВт при условии максимальных нагрузок. Для подобной сети число батарей будет не менее десяти, каждая из них рассчитана на 24 вольта. С таким количеством аккумуляторов целесообразно применение инверторного устройства.

Но для данных условий, когда используется десять батарей на 24 вольта, понадобится ветрогенератор, рассчитанный на 3 кВт, не менее. Более слабое оборудование не сможет обеспечить энергией такое число аккумуляторов. Для бытовых приборов подобная мощность может быть слишком высокой.

Расчет мощностного параметра инверторного устройства осуществляется так:

1. Сначала необходимо суммировать мощностные характеристики всех потребителей энергии.
2. Затем определяется время потребления.
3. Вычисляется параметр пиковой нагрузки.

Александр Капустин показал процедуру запуска ветрового генераторного устройства с инвертором.

Где лучше устанавливать?

Для максимальной эффективности оборудование следует ставить на открытой местности, в наиболее высокой точке. Важно, чтобы ветровой генератор располагался не ниже уровня зданий, находящихся рядом. Из-за этого возникнут препятствия для ветрового потока, в результате чего коэффициент полезного действия будет низким. В случае когда участок выходит к водоему или реке, ветровой генератор устанавливается непосредственно на берегу.

Для монтажа системы оптимально подходят возвышенности либо большие пустые местности. Желательно, чтобы на пространстве не было искусственных преград, препятствующих прохождению ветрового потока. Если участок или здание расположено в городской черте, то установку ветрового генератора необходимо выполнить на крыше. Чтобы расположить оборудование в жилом многоквартирном доме, нужно получить письменное согласие соседей, а также разрешение из государственных инстанций. Установка генератора будет производиться также на крыше.

При выборе места важно помнить, что ветрогенератов должен располагаться не ближе, чем в 15 метров от зданий и не дальше, чем в 25. Благодаря этому шум от работы установки не будет беспокоить жильцов.

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 . 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:

• . Они считаются наиболее эффективными, имеют больший КПД и дают неплохие результаты при пользовании
• . 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
• . 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

Место установки ветрогенератора

Для монтажа ветрогенератора потребуется открытая площадка, не имеющая вблизи препятствий, способных закрыть устройство от ветровых потоков. 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
• 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. 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, 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.

Вы когда-нибудь думали о том, чтобы использовать дармовой и бесполезный, казалось бы, ветер для хозяйственных нужд? Ведь давно известно, что природная энергия дается нам даром и было бы странно, если бы мы не пытались использовать ее для себя! В этой статье автор не предлагает создавать старинные ветряные мельницы, или какой-нибудь фантастический двигатель на космическом ветре. Но вот построить ветрогенератор, причем необычный, с вертикальной осью вращения, который будет вырабатывать электричество, и с довольно с хорошей мощностью – дело достижимое своими руками. Идея вертикального ветрогенератора вполне реальная, ее могут реализовать даже начинающие мастера, живущие в деревне, или имеющие садовый дом за городом. А для школьной мастерской этот несложный ветряной генератор – настоящая находка, которая будет развивать технические умения у школьников и пробуждать таланты, которые стандартной школьной программы не всегда могут быть раскрыты. Такое устройство будет украшать школьный двор, а лопасти этого красивого ветрогенератора при ветре будут вращаться, привлекая внимание школьников и прохожих, пробуждая интерес к техническому творчеству.

Готовые китайские ветрогенераторы и детали для сборки в этом китайском магазине .

Мощность и конструкция вертикального ветряка

Электричество, которое можно получить с помощью этой ветроустановки с вертикальной осью, достаточно, чтобы питать насос для поливки огорода, дать освещение в школьном классе или в комнате жилого дома. Если бы была возможность хотя бы в 20 процентах домах иметь такую бесплатную маленькую ветряную электростанцию, вы можете себе представить, сколько можно было бы сэкономить киловатт-часов и разгрузить электрические сети нашей страны!

Вертикальный ветрогенератор состоит из двух частей, представляющих собой половины полого цилиндра, которые способны расходиться. Созданный таким образом объект имеет четкую аэродинамическую не симметричность. Воздух, который надвигается поперек оси вращения устройства, соскальзывает с наружной стороны первой половины цилиндра. А другая сторона, которая направлена в другую сторону, является для ветра препятствием. Такое соотношение приводит к тому, что барабан начинает вращаться на вертикальной оси, и по мере борьбы с ветром все более разгоняется.

Этот механизм был использован в модели ветряной электростанции, которую разработал юный изобретатель Сергей Корнев. Эта схема имеет выгодные отличия от ветроустановки с пропеллером. Здесь не требуется высокой точности, допустимо применять различные материалы для изготовления. Ее размеры также выгодно отличаются от пропеллерной модели.

Взгляните на самом деле. Мощность ветряка, основанного на барабанном принципе, требует использования ветроустановки диаметром приблизительно 1 метр, его мощность будет равна пропеллеру с тремя лопастями диаметром 2,5 метров. При этом пропеллер на вертушку необходимо поднимать на большую высоту, например на крышу дома, а барабанный пропеллер можно установить непосредственно на земле. Есть еще некоторые преимущества нового механизма: значительные крутящий момент, достигаемый при небольших оборотах. А это означает, что можно совсем не использовать редуктор, либо ограничиться одноступенчатым редуктором.

Сергей в первоначальной конструкции ограничился барабаном с двумя лопастями. Наиболее оптимальным может быть конструкция, в которой количество лопастей доведены до четырех. Это может значительно увеличить тягу.

Изготовление барабана

В качестве материала для создания лопастей можно взять фанеру, кровельное железо, лист дюралюминия, пластик нужного размера. Нужно учесть, что ротор не должен быть тяжелым, поэтому заготовки большой толщины здесь не подойдут. Это поможет снизить трение в подшипниках, ветроустановка будет лучше вращаться от энергии ветра.

Ниже чертеж вертикального ветряка

На рисунке 3:
1 – сопротивление;
2 – обмотка статора ;
3 – ротор;
4 – регулятор напряжения;
5 – реле обратного тока;
6 – прибор для измерения тока (амперметр);
7 – акб;
8 – предохранитель;
9 – выключатель.
Если в качестве материала применить кровельное железо, возникает необходимость укрепить вертикальные края лопастей. Для этого можно взять железный прут диаметром 5-6 миллиметров, установив его под отбортовкой. Фанеру, если используется она, нужно взять толщиной 5-6 миллиметров, этот материал требует обработки горячей олифой. Щеки барабана делаются из дерева, пластика, либо легкого металла. Стыки необходимо обработать масляной краской.

Крестовины в местах соединений лопастей ветрогенератора предпочтительно соединить сваркой или клепкой из остальных полосок размером 5 x 60 миллиметров. Если взять древесину, то толщина её должна быть не меньше 25 миллиметров, ширина 80 миллиметров.
Вертушки оптимально изготовить из куска стальной трубы длиной 2 метров, внешний диаметр 30 миллиметров. Предварительно, перед выбором заготовки для оси, нужно раздобыть 2 шарикоподшипника. Не стоит брать старые, так как это увеличение трения. Сопоставив размеры подшипников и трубы, вы сэкономите силы и время, вам не придется подстраивать трубу к обоймам подшипников.

Крестовины ротора ветрогенератора нужно приварить к оси вращения, крестовины из дерева присоединить эпоксидкой и металлическими штифтами 5- 6 миллиметров, они должны быть продеты через каждую крестовину и трубу. Для установки лопастей используйте болты М 12. Хорошо проконтролируйте промежуток от лопастей до оси вращения: здесь нужно соблюсти один размер – 140-150 мм. Сконструировав барабан, еще раз промажьте стыки масляной краской (желательно густой).

Базовая часть ветроустановки с вертикальной осью вращения завершена, теперь нужно сделать станину, сварив её или используя клепку, из уголка (можно как металл, так и дерево). На сделанную станину поставьте подшипники. Смотрите за тем, чтобы не возник перекос, так как в этом случае ротор не будет хорошо вращаться. Все элементы ветроустановки 2 раза покрасьте масляной краской, на нижнем месте оси вращения установите шкивы разного диаметра. Ремень, который переброшен через шкив вертушки, присоедините к электрогенератором, здесь подойдет, к примеру, автогенератор. Созданная по представленной технологии модель ветровой установки при ветре 9-10 метров в секунду способно дать мощность в 800 ватт.

Если ветра на улице нет, либо ветер очень слабый для вращения лопастей, то нужно передать вырабатываемую электроэнергию ветра для накопления на акб. Дует ветер – подавайте ток на потребителей, погода безветренная – подключайте аккумуляторы.

Если ветроустановка с вертикальным планируется для питания насоса огорода или сада, ее следует установить над источником воды.

Ниже – попытка сделать ветряк для садового насоса

Построение ветрогенератора с вертикальной осью

Расходные материалы:

Шаг 1: Запчасти

– Труба ПВХ
– Водостойкая древесина
– 2 подшипника (нижняя должна выдерживать нагрузку)
– Катанка (2 размера) (1 большая и 4 маленьких) (нержавеющая сталь, если возможно)
– Болты и шайбы (2 размера) (нержавеющая сталь, если возможно)
– кусок 40 мм круглого алюминия (сплав) (он удержит нижний подшипник)
– 3 винта с ушком

Шаг 2: Давайте начнем

Первое, что вы должны сделать, это измерить вашу трубу ПВХ и разрезать ее на 4 равных части. (у меня было 2 метра в длину, так что было 50 см за штуку).
Когда вы это сделаете, вы обрежете его по длине отверстия.
Теперь у вас должно быть 8 штук (они должны быть точно одинакового размера!

Шаг 3: Изготовление двух дисков турбины

Возьмите 2 куска водостойкой фанеры (12 мм).
Измерьте в 2 направлениях, чтобы получить середину пластины и отметьте эту точку.
Возьми свой компас и сделай круг диаметром 40 см.
Возьмите свою головоломку и вырежьте ее.

Шаг 4: Разделите круг на 8 частей

Вы должны сделать это только на одной доске.
На следующем шаге я объясню почему.

Шаг 5: Вырезание слотов для турбинных лопаток

Я сделал так, чтобы нарисовал линии на двух досках, а затем пометил все дуги, которые мне пришлось разрезать.
Это я бы не стал делать снова! Я думаю, что лучше отметить только один.
Дуги рисуйте так: возьмите одну половину трубы и держите ее напротив одной из 8 линий, которые вы нарисовали ранее. Нарисуйте линию внутри и снаружи трубы. Тот, где вы отметили луки, надеваете сверху, а затем вы зажимаете их вместе. Когда вы порежете их, они будут точно такими же. Я использовал лезвие, которое обычно предназначалось для резки металла. Этот пильный диск чуть тоньше, чем лезвия.
На стороне двух дисков вы делаете маркировку, которая проходит над ними обоими. Таким образом, при сборке турбины диски будут идеально выровнены.
То, что вы также должны делать, когда все еще зажато, это просверлить центральное отверстие до размера вашей большой катанки и 4 отверстия для маленьких стержней. Разделите 4 стержня на турбину, как показано на рисунке ниже. Держитесь на расстоянии около 2 см от луков. Таким образом, вы все еще можете поместить несколько шайб на свои стержни, не касаясь их лезвий. Возьмите зажимы и установите лопасти турбины и 4 меньших стержня, как показано на последнем рисунке. Это должно плотно облегать!

Шаг 6: Приспособление центральной проволочной катушки к размеру

Сначала вы устанавливаете верхнюю часть турбины так же, как вы делали нижнюю часть на предыдущем шаге.
Обратите внимание на маркировку, которую вы сделали на боковых сторонах дисков, когда они все еще были зажаты.
Таким образом, те же самые разрезы будут приятно накладываться друг на друга, и турбина будет меньше качаться после ее завершения. Возможно, вы захотите использовать молоток и маленький кусочек дерева, чтобы не повредить лезвия или диск при ударе по нему. Убедитесь, что лезвия плотно прилегают и 4 маленьких стержня находятся в нужном месте. Это была нелегкая работа. Успехов.
Теперь мы оснастим большую катанку необходимыми болтами и шайбами.
То, что собирались сделать сейчас, это отметка, где мы будем резать катанку.
Первая картинка – вид с нижнего диска.
Я положил 2 болта туда, и они будут опираться на нижний подшипник.
Я оставил там провод дольше, чтобы там можно было подключить какой-нибудь генератор.
Верхний диск – вторая картинка, и стержень будет обрезан короче.
На этой стороне у нас будет только подшипник для балансировки турбины, когда она установлена ​​на раме.

Шаг 7: Повернуть катанку вниз до нужного размера

Если у вас есть токарный станок, это довольно прямолинейная работа.
Я сделал стержень толщиной 10 мм с обеих сторон.
На фотографии показана нижняя сторона катанки.
Убедитесь, что он хорошо сидит, потому что это определит, насколько гладко будет работать ваша турбина.

Шаг 8: Изготовление держателя для нижнего подшипника

Подшипник, который я использовал, состоит из 3 частей, как показано на первом рисунке.
Этот подшипник сделан, чтобы справиться с вертикальным весом.
Если вы внимательно посмотрите, то увидите, что 2 диска не имеют отверстия одинакового внутреннего размера.
Диск с самым большим отверстием (тот, что справа) – это верхняя часть подшипника, на которой будет стоять турбина.
Я вырезал отверстие на токарном станке только диаметром подшипника. Делайте это в зависимости от размера подшипника, который вы будете использовать .
Не делайте дыру глубоко!
Убедитесь, что верхняя часть подшипника просто торчит из держателя.
Причина этого заключается в том, что верхнее кольцо будет вращаться вместе с турбиной и в противном случае трутся о внутреннюю часть держателя, что приведет к замедлению работы турбины и ее быстрому износу.
Вам также придется просверлить отверстие в нижней части держателя, чтобы катанка могла проходить сквозь него.
Сделайте его немного больше, чем размер стержня, чтобы его крепление не касалось боков.
Вы видели, что в этом подшипнике нет смазки, поэтому нам нужно будет установить смазочный ниппель.
Для этого используйте инструмент для нарезания резьбы.
Сначала просверлите отверстие в соответствии с протектором и размером соска, который вы будете использовать. Мой был М6.
Используйте немного смазочно-охлаждающей жидкости, потому что вы режете алюминий, и в противном случае он станет грубым внутри. Запустите режущий инструмент примерно на 1 оборот, а затем верните его назад на пол-оборота. Таким образом, металл режется внутри, и вы не будете тормозить инструмент. Используйте 3 этапа резки, пока не достигнете нужного протектора.

Шаг 9: Создание рамы вокруг турбины

Сначала вы получаете два куска дерева одинаковой длины.
Убедитесь, что они достаточно широкие, чтобы вы могли создать прочную структуру.
Посмотрите на центр их обоих и сделайте отверстие размером с держатель подшипника для нижнего и размер верхнего подшипника для верхнего.
Мне повезло, у меня была большая тренировка, чтобы сделать это. Если нет, возьмите свое самое большое сверло и просверлите его, а затем вырежьте остальное круглым топором.
Для нижнего вы должны просверлить центр желоба с помощью сверла на один размер больше, чем размер большого катанки, которая будет вставляться в подшипник. В нижней части вы должны будете вырезать маленький паз, чтобы ниппель мог поместиться внутрь и чтобы у вас было достаточно места, чтобы вставить смазочный насос. Вы можете видеть, как это должно выглядеть на фотографиях.
Возьмите еще два куска дерева по бокам. (У меня было немного фанеры, поэтому я использовал это)
Возьмите нижнюю часть с держателем подшипника внутри и положите ее на плоскую поверхность.
Используйте одну из боковых частей и прикрутите ее туда. Сначала просверлите несколько отверстий сбоку, чтобы винты лучше вошли. Убедитесь, что он идеально квадратный. (Угол 90 градусов).
Сделайте то же самое для другой стороны.
Теперь возьмите турбину, которая полностью собрана, и опустите ее в нижний подшипник.
Теперь возьмите верхнюю часть и наденьте подшипник на большой стержень. Измерьте по обе стороны турбины и убедитесь, что вы измеряете одинаковое расстояние, чтобы рама была идеально квадратной.
Фильм показывает, как хорошо он крутится.

Вложения

Шаг 10: Создание поддержки турбины

Этот материал я на самом деле не измерял.
Я позаботился о том, чтобы все было в идеальном соответствии с осью турбины.
Просто создайте его, как вы можете видеть на фотографиях.
Просто убедитесь, что его сильная причина будет в нем много силы.
Я еще не подключил ни одного генератора.
Понятия не имел, что с этим связано.
Я думал о другом генераторе энергии. (катушки и нео магниты)
Идеи приветствуются.
Надеюсь, вам понравилась эта турбина.
Держите меня в курсе вашего дела.

Шаг 11:

/>
Как вы можете видеть в маленьких фильмах, я подключил некоторые веревки к турбине, чтобы она была устойчивой.
Я использовал несколько старых штифтов из палатки, чтобы соединить веревки с землей, а со стороны турбины я использовал 3 винта с ушком. Работает хорошо.
Когда вы устанавливаете турбину, убедитесь, что у вас есть кто-то, кто может удерживать турбину, пока вы подключаете провода к земле.

Источник http://guru-remonta.ru/elektrika/vetrogenerator.html

Источник http://vovamila.ru/vertikalnyi-vetryak-svoimi-rukami-process-sborki-chto-takoe.html

Источник