Кинетический ветрогенератор: устройство, принцип работы, применение. Типы ветродвигателей. Новые конструкции и технические решения Ветрогенераторы типы

В двадцатые годы двадцатого века об электрификации всей страны в Стране Советов только мечтали. Мечта, в общем, стала явью. Однако есть еще и на территории постсоветского пространства, и во всем мире места, не опутанные проводами ЛЭП. Вот и вынуждены фермеры, рабочие в тайге, полярники искать альтернативные источники энергии. Об одном из них, ветрогенераторах, и пойдет речь в статье.

Нужен ли вам ветрогенератор?

Итак, что же такое ветрогенератор или в просторечии ветряк? Кому и зачем он может быть полезен?

Даже если вы не проводите исследований во льдах Антарктиды и не разводите коров на ферме, не валите лес в тайге и не занимаетесь разработками различных месторождений в местах, где не ступала нога человека, не спешите отвечать отрицательно на вопрос:”Нужен ли вам ветрогенератор?”. Давайте сначала выясним, что это такое и каковы его возможности.

Как уже было сказано выше, ветряк - это альтернативный источник энергии. Если говорить конкретнее, это устройство, превращающее энергию ветра в электричество.

Может ли такое устройство быть полезным не в экстремальных условиях, а в обычной жизни? Конечно, может. На дачных участках, где нет электричества, в населенных пунктах, где оно есть, но вырабатывается с большими перебоями и часто отключается, ветряк, несомненно, пригодится.

В последнее время наметилась тенденция оснащать коттеджи автономным источником энергии. Ветрогенератор в таком случае - один из наиболее популярных вариантов, ведь он экологически чистый, не требует сырья и не образует отходов.

Как работает ветрогенератор?

Для ответа на этот вопрос сначала рассмотрим его устройство.

В любой ветроустановке обязательно должны быть:

Схему работы устройства в самом упрощенном виде можно представить так: ветер вращает лопасти, которые, в свою очередь, приводят в движение ротор. Далее происходит превращение механической энергии в электрическую.

Вращаясь, ротор генератора вырабатывает трехфазный переменный ток, от которого электроприборы работать не могут, поэтому его нужно преобразовать.

С этой целью в конструкции ветряка предусмотрены контроллер. Он превратит ток, идущий с генератора, в постоянный. От последнего заряжаются аккумуляторные батареи. Проходя через них, ток поступает на инвертор, где и приобретает характеристики, приемлемые для работы наших электроприборов. Из постоянного он вновь становится переменным, но с уже привычными нам показателями: однофазным, с напряжением в 220 В и частотой в 50 Гц.

Все ли ветрогенераторы одинаковы?

Несмотря на то, что принцип работы всех ветряков примерно одинаков, существует множество классификаций этих источников энергии. Если рассматривать именно устройства для дома, то наибольшее значение имеют материалы, используемые для изготовления лопастей, их количество, направление оси вращения по отношению к земной поверхности, а также шаговый признак винта. Рассмотрим коротко каждый из видов.

Большинство существующих на сегодняшний день ВЭУ (ветроэнергетическая установка) можно отнести к одно-, двух-, трех- или многолопастными. Небольшая часть наиболее современных устройств лопастей не содержит вообще, а ветер в них улавливает так называемый «парус», с виду напоминающий тарелку. За ним располагаются поршни, приводящие в работу гидросистему, а уже она и вырабатывает электрический ток. КПД таких установок выше, чем у всех остальных. В отношении лопастных систем тенденция такова: чем меньше лопастей, тем больше энергии вырабатывает генератор.

Разновидности ветрогенераторов

Ветрогенераторы, как уже отмечалось выше, могут отличаться не только количеством лопастей, но и материалами, которые применяются для их изготовления. Лопастная система может быть жесткой, изготовленной из металлов или стеклопластика, а может - парусной, более дешевой, но менее практичной.

Если сравнивать ВЭУ по шаговому признаку винта, то более надежными являются устройства, у которых шаг фиксирован. Существуют ветряки и с изменяемым шагом, способные менять скорость вращения, но их громоздкая конструкция влечет за собой дополнительные расходы на установку и обслуживание такой системы.

Наиболее разнообразны конструкции ветряков, если рассматривать их с точки зрения направления оси вращения относительно земли.

Устройства, лопасти которых вращаются относительно вертикальной оси, в свою очередь, можно разделить на несколько типов.

Ветрогенераторы Савониуса представляют собой несколько половинок полых внутри цилиндров, посаженных на вертикальную ось. Основное их преимущество - способность вращаться независимо от скорости и направления ветра. Существенный недостаток заключается в способности использовать энергию ветра лишь на треть.
Ротор Дарье - это система из двух или более лопастей, представляющих собой плоские пластины. Такое устройство несложно изготовить, но получить много энергии с его помощью не получится. Кроме того, для запуска такого ротора нужен дополнительный механизм.
Геликоидный ротор, благодаря специально закрученным лопастям, обладает равномерным вращением. Устройство долговечно, но, в силу сложности конструкции, дорого.
Многолопастные ветрогенераторы с вертикальной осью вращения - самый эффективный вариант в своей группе.

Ветряки с горизонтальной осью вращения также имеют свои достоинства и недостатки. Главный их плюс - высокий КПД. Среди недостатков таких конструкций стоит отметить необходимость улавливать направление ветра при помощи флюгера и изменение эффективности в зависимости от направления ветра. В связи с этим горизонтальные установки наиболее уместны на открытой местности. Там же, где лопасти будут заслонены от ветра строениями, деревьями или, например, холмами, лучше установить ВЭУ другой конструкции.

К тому же, такой ветрогенератор дорог, а появление его в окрестностях точно не вызовет большого восторга у ваших соседей. Лопасти его запросто могут сбить летящую птицу и сильно шумят.

Какие еще бывают ветроэнергетические установки? Ну конечно же, наши, отечественные и импортные. Среди последних лидируют европейские, китайские и североамериканские агрегаты. Вместе с тем, наличие на рынке отечественных ветрогенераторов не может не радовать.

Цена таких устройств определяется, в первую очередь, их мощностью и наличием дополнительных элементов, например, солнечных батарей и колеблется в очень широких пределах - от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч рублей.

Конструируем ветрогенератор самостоятельно

Конечно, такая цена делает ветрогенераторы доступными далеко не для всех. Если вы решили, что ветряк вам просто необходим, но купить его вы не имеете возможности, или не желаете тратить деньги на его установку, можно попробовать изготовить такой источник энергии самостоятельно. Для этого вам понадобится схема устройства, чертеж и, конечно же, набор необходимых деталей.

Описание работы со всеми схемами, чертежами и пошаговыми инструкциями (иногда даже с фото) вам выдаст любая поисковая система. Однако не спешите приступать к работе по первой же попавшейся инструкции. Лучше сначала детально изучить принцип действия и процесс сборки нескольких конструкций, выбрать ту, которая подходит вам по мощности, доступности деталей и сложности изготовления, и только потом приступать к работе.

Итак, в каждом самодельном ветряке должны быть:

лопасти;
генератор;
мачта;
а также установка, преобразующая электрический ток.

Каждую из этих деталей можно изготовить самостоятельно или переделать из уже существующей. Так, например, для изготовления лопастей подойдут трубы из ПВХ или алюминия. Есть также схемы изготовления их из дерева или стеклопластика. Все эти способы изготовления лопастей подходят для горизонтальных ветряков, которые рекомендуют специалисты для самодельного домашнего или дачного ветряка. Лопасти же вертикального устройства легко изготовить из пластиковой или металлической бочки.

Способов изготовления генератора тоже существует немало. Один из самых распространенных - это самостоятельно собранный на основе неодимовых магнитов дисковый генератор. Его недостаток - это высокая цена магнитов и их большое количество, достоинством же является простота сборки.

Еще один способ - переделать готовый генератор асинхронного электродвигателя. В этом случае достаточно переточить ротор и перемотать катушки статора. Последнее - самая сложная часть процесса. Тем не менее, и она вполне осуществима в домашних условиях.

Готовые автомобильные или велосипедные генераторы тоже подойдут.

В качестве мачты послужит стальная труба длиной не менее пяти с половиной метров.

Сборка деталей в единую конструкцию осуществляется по схеме, найти которую нетрудно при помощи поисковиков. Главное, суметь в ней разобраться.

Конечно, собрать ветрогенератор своими руками - задача, которая под силу не каждому. Кому-то купить его гораздо проще, чем разбираться в процессе наклеивания неодимовых магнитов или перемотке катушек статора.

Как сделать правильный выбор?

Так на что же обратить внимание при выборе ВЭУ?

Не стоит считать, что самый дорогой и импортный ветрогенератор будет самым лучшим. Исходить, в первую очередь, нужно не из цены, а из ваших потребностей. Перед тем, как сделать покупку, посчитайте, сколько электроэнергии вы планируете расходовать.

Понятно, что выбирать нужно ту модель, которая способна вырабатывать нужное вам количество энергии. Однако будьте внимательны. Каждый ветрогенератор рассчитан на определенную скорость ветра. Это означает, что заявленную производителем мощность он способен выдавать именной при той скорости, которая указана в инструкции к нему.

Если максимальную мощность ВЭУ развивает при скорости ветра 10 -12 м/с, а в вашей местности средний показатель не превышает 4−5 м/с, то не стоит ожидать, что устройство будет вырабатывать заявленное количество электроэнергии. В итоге вы заплатите лишние деньги за то, чего не получите.

Мощность ветрогенератора находится в прямой зависимости от диаметра колеса, образованного лопастями. С погрешностью 20% ее можно рассчитать по формуле: квадрат диаметра помножить на куб средней скорости ветра и разделить полученное значение на 7000. То есть при диаметре колеса, равном двум метрам и средней скорости ветра в вашей местности 3 м/с вы получите около 0,015 кВт электроэнергии. Если же диаметр увеличить в два раза, то ветрогенератор при той же скорости ветра будет выдавать в 4 раза больше электроэнергии - 0,6 кВт. Таким образом, при прочих одинаковых характеристиках, более производителен ветряк с большим размером лопастей.

Не менее важно при выборе ветрогенератора обращать внимание на ёмкость аккумулятора. Если вы живете не в прибрежной зоне, то штиль в вашей местности - явление нередкое. В этом случае система будет работать именно от аккумулятора. А он имеет свойство разряжаться. Поэтому желательно, чтобы помимо него имелся резервный источник энергии.

С этой целью можно приобрести установку сразу с солнечными батареями, или же подключить ветряк к сети. В этом случае он будет лишь компенсировать недостаток электроэнергии в случае необходимости.

Сколько же энергии нужно среднестатистической семье?

В городской квартире будет достаточно 0,5 кВт. Чтобы было понятнее, счетчик в этом случае будет показывать 360 кВт ч.
Ветряк мощностью 5 кВт может обеспечить такое количество энергии даже в том случае, если скорость ветра невелика.
Если же в квартире постоянно работает какой-либо отопительный прибор, то тот же ветрогенератор сможет обеспечить его работу только при такой скорости ветра, которая возможна лишь у береговой линии.

Какое место выбрать для установки ветрогенератора?

Разумеется, устанавливать ветряк нужно в местах, максимально открытых для ветра. Наиболее подходят для этих целей возвышенности, прибрежные зоны, степи, открытые пространства в удалении от зданий. Не стоит располагать ветроэнергетическую станцию и там, где поблизости есть даже невысокие деревья. Пользоваться ветряком вы будете долго, за это время деревья успеют вырасти и будут создавать помехи.

Немаловажный фактор в выборе места для установки такого устройства - наличие соседей рядом. Дело в том, что ветрогенераторы - устройства отнюдь не бесшумные. Кроме того, об их лопасти, как уже говорилось выше, иногда разбиваются птицы. Не каждый сосед готов терпеть такие неудобства. В связи с этим ветряки лучше устанавливать на расстоянии не менее 250 метров от ближайших жилых домов.

В целом, ветряк - наиболее экологически чистый источник энергии, в отличие, например, от дизельной станции. По сравнению с солнечными батареями, также не выделяющими отходов в окружающую среду, он более доступен по цене. Кроме того, ветер дует и днем, и ночью.

Однако, цена ветрогенератора все же велика, поэтому установка его должна быть целесообразной. Если приобрести такую установку из соображений только охраны окружающей среды или в надежде сэкономить сумасшедшие деньги, ничего, кроме разочарования вам это устройство не принесет. Однако, ветрогенератор станет для вас лучшим выходом из положения, если:

ветер в местности, где вы планируете установить ветряк, дует много дней в году со скоростью не менее 4 м/с;
ваш дом не подключен к электросети или расходы на электроэнергию очень высоки;
на вашем участке достаточно места, чтобы установить такое громоздкое устройство;
факт установки ветрогенератора согласован с соседями;
вы обладаете достаточным количеством средств на приобретение и обслуживание ветроэнергетического устройства.

Пользоваться ли электроэнергией от обычной сети, приобретать автономный источник или попытаться его изготовить самостоятельно - выбор остается за вами. Если вы делаете выбор в пользу ветрогенератора, помните, что это решение должно быть продиктовано необходимостью, а не быть просто модной тенденцией. Только тщательно продумав все до мелочей, взвесив все «за» и «против», можно приобрести наиболее выгодный источник альтернативной энергии.

Типы ветрогенераторов

Ветряки можно различать по:
— количеству лопастей;
— типу материалов лопастей;
— вертикальному или горизонтальному расположению оси установки;
— шаговому варианту лопастей.

По конструкции ветрогенераторы делятся по количеству лопастей, одно, двухлопастные, трехлопастные и многолопастные. Наличие большого числа лопастей позволяет вращать их очень малому ветру. Конструкцию лопастей можно разделить на жесткую и парусную. Парусные ветряки дешевле других, но нуждаются в частом ремонте.

Один из видов ветрогенераторов — горизонтальный

Ветрогенератор вертикального исполнения начинают вращаться при малом ветре. Им не нужен флюгер. Однако по мощности они уступают ветрякам с горизонтальной осью. Шаг лопастей ветрогенераторов может быть фиксированным или изменяемым. Изменяемый шаг лопастей дает возможность увеличивать скорость вращения. Эти ветряки дороже. Конструкции ветряка с фиксированным шагом надежны и просты.

Вертикальный генератор

Эти ветряки менее затратные в обслуживании, так как устанавливаются на небольшой высоте. Также они имеют меньше движущихся частей, легче в ремонте и производстве. Такой вариант установки нетрудно изготовить своими руками.

Ветрогенератор вертикального исполнения

Конструкция ветрогенератора с оптимальными лопастями и своеобразным ротором дает высокий КПД и не зависит от направления ветра. Ветрогенераторы вертикальной конструкции бесшумные. Вертикальный ветрогенератор имеет несколько типов исполнения.

Ортогональные ветрогенераторы

Ортогональный ветрогенератор

Такие ветряки имеют несколько параллельных лопастей, которые устанавливаются на расстоянии от вертикальной оси. На работу ортогональных ветряков не влияет направление ветра. Устанавливаются они на уровне земли, что облегчает монтаж и эксплуатацию установки.

Ветрогенераторы на основе ротора Савониуса

Лопасти этой установки представляют собой особые полуцилиндры, которые создают высокий крутящий момент. Из недостатков этих ветряков можно выделить большую материалоемкость и не высокую эффективность. Для получения высокого крутящего момента с ротором Савониуса устанавливают еще ротор Дарье.

Ветряки с ротором Дарье

Наряду с ротором Дарье эти установки имеют ряд пар лопастей с оригинальной конструкцией для улучшения аэродинамики. Достоинством этих установок является возможность их монтажа на уровне земли.

Геликоидный ветрогенераторы.

Они представляют собой модификацию ортогональных роторов с особой конфигурацией лопастей, что дает равномерное вращение ротора. За счет снижения нагрузки на элементы ротора срок их службы увеличивается.

Ветрогенераторы на основе ротора Дарье

Многолопастные ветровые установки

Многолопастные ветровые генераторы

Ветряки такого типа представляют собой измененный вариант ортогональных роторов. Лопасти на этих установках устанавливаются в несколько рядов. Направляет ветровой поток на лопасти первый ряд неподвижных лопастей.

Парусный ветрогенератор

Основное достоинство такой установки — это способность работать при небольшом ветре от 0,5 м/с. Парусный ветрогенератор устанавливается в любом месте, на любой высоте.

Парусный ветрогенератор

Из преимуществ можно выделить: маленькую скорость ветра, быструю реакцию на ветер, легкость конструкции, доступность материала, ремонтопригодность, возможность изготовить ветряк своими руками. Недостаток — это возможность поломки при сильном ветре.

Ветрогенератор горизонтальный

Эти установки могут иметь разное число лопастей. Для работы ветрогенератора важно выбрать правильное направление ветра. Эффективность работы установки достигается небольшим углом атаки лопастей и возможности их регулировки. У таких ветрогенераторов небольшие габариты и вес.

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

Принцип работы

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

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

Какая конструкция лучше

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

Ветряк Савониуса - полукруглые лопасти

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

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

На ортогональный ротор устанавливают дополнительные статические экраны для увеличения производительности
Ротор Дарье или ортогональный. Существует множество модификаций такого вертикального ветрогенератора, но принцип работы остается неизменным. Вращение происходит за счет крылообразной формы лопасти генератора. При воздействии потока воздуха создается подъемная сила, за счет которой и вращается ось. Недостатки:
- Низкая, даже по меркам ветрогенераторов, эффективность.
- Скорость ветра для полной раскрутки такого генератора должна быть не менее 4 м/с. При этом до набора полной скорости вращения такого ротора, нагрузку к ветряку подключать нельзя – остановится.
- Шумность. Если в остальных моделях шум издают только подвижные части (подшипники), то вертикальный ветрогенератор такого типа шумит лопастями. Очень сильно.
- Из-за вибрации быстро выводит из строя подшипники и все несущие элементы конструкции.
Геликоидный ротор имеет сложную конструкцию
Геликоидный ротор. Этот вертикальный ветрогенератор имеет замысловатую форму, но по - сути это ортогональный ветрогенератор с вертикальной осью, только лопасти у него закручены вдоль несущей оси, что значительно повышает срок службы всей конструкции, т.к. обеспечивает равномерную нагрузку на подшипник и мачту со всех сторон. Недостатки:
- Сложность в изготовлении, отсюда высокая стоимость вертикального ветряка.
Многолопастной ветряк
Многолопастной вертикальный ветрогенератор. Если рассматривать только коммерческие образцы – этот тип ротора является наиболее производительным и дает наименьшую нагрузку на несущие детали. Внутри такого вертикального ветряка содержится дополнительный ряд статичных лопастей, которые направляют поток воздуха таким образом, чтобы максимально увеличить эффективность ротора. Недостатки:
- Высокая стоимость устройства из-за большого количества деталей.

Плюсы вертикальной оси

Положительные качества всех вертикальных ветрогенераторов:

Не направляются по ветру, работают при любой его направленности.
В отличие от ветрогенераторов с горизонтальной осью, имеет только одну ось вращения, следовательно бо́льший срок службы.
Возможна установка на небольшой высоте - от 1,5м, в зависимости от модели.
Все важные подвижные элементы находятся в нижней части генератора, что позволяет удобно его обслуживать.
Важно. При необходимости вал ротора увеличивается до необходимой длины для удобства доступа к статору, без существенной потери КПД.
Возможность собрать действующий ветрогенератор своими руками из подручных материалов.
Благодаря возможности создания жесткой конструкции с несколькими точками опоры, вертикальные ветрогенераторы работают при бо́льшей максимальной скорости ветра.
Более высокая устойчивость к разрушающему воздействию ветра.
В этих ветряках возможно создание собственной циркуляции воздуха, за счет чего образуется быстроходный эффект, когда линейная скорость лопастей в 20 и более раз превышает скорость ветра.

Минусы

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

Видео. Геликоидный ветрогенератор

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

Электричество сегодня считается чем-то обыденным, ведь оно есть в каждом доме. И никто не задумывается, откуда оно берется. Электричество в основной массе вырабатывается электростанциями, работающими на нефти, природном газе, ядерном топливе или угле. Эти традиционные источники представляют определенную опасность для окружающей среды, вследствие чего все большее внимание уделяется альтернативным видам энергии. К последним можно отнести ветрогенераторы, которым для выработки электричества нужен лишь ветер.

Устройство

Конструктивно ветрогенераторы в большинстве случаев предполагают наличие следующих элементов:

Лопасти турбины (пропеллер).
Турбина (вращающаяся часть).
Электрогенератор.
Ось электрогенератора.
Инвертор, преобразующий переменный ток в постоянный, для возможности зарядки батареи.
Механизм вращения лопастей.
Механизм вращения турбины.
Мачта.
Контроллер вращения(анемометр).
Демпфер.
Датчик ветра и анемоскоп.
Хвостовик анемоскопа.
Гондола и ряд других элементов.

В зависимости от вида ветрогенератора конструкция и входящие в него элементы могут разниться. К примеру, промышленные устройства также предусматривают наличие системы молниезащиты, силового шкафа, поворотного механизма, надежного фундамента, системы пожаротушения, системы изменения угла атаки лопасти, телекоммуникационной системы для передачи информации о работе ветрогенератора и так далее.

Принцип действия

Ветрогенератор представляет устройство, преобразующее энергии ветра в электрическую энергию. Прародителями современных видов ветрогенераторов являются ветряные мельницы, которые применялись для получения муки из зерен. И принцип их работы изменился ненамного: лопасти вращают вал, который передает необходимую энергию на другие элементы.

Ветер вращает лопасти, передавая крутящий момент через редуктор на вал генератора.
При вращении ротора образуется трехфазный переменный ток.
Полученный ток направляется на аккумуляторную батарею через контроллер. Аккумуляторы применяют для создания стабильности работы ветрогенератора. Генератор заряжает аккумуляторы при наличии ветра. При его отсутствии всегда можно взять энергию с аккумулятора, чтобы потребитель не прекращал получать электричество.
С целью защиты от ураганов в ветрогенераторах применяется система с уводом ветроколеса от ветра при помощи складывания хвоста, либо торможения ветроколеса электротормозом.
Для зарядки аккумуляторов ставится контроллер между ветряком и АКБ. Он отслеживает зарядку АКБ, чтобы не испортить аккумуляторы. При необходимости он может сбрасывать лишнюю энергию на определенный балласт, к примеру, большой резистор или тэны для отопления.
В аккумуляторах имеется лишь постоянное низкое напряжение рядностью 12/24/48 вольт. Однако потребителю нужно напряжение в 220 вольт, именно поэтому ставится инвертор. Это устройство преобразует постоянное напряжение в переменное, создавая напряжение в 220 вольт. Естественно, что можно обойтись и без инвентора, но придется использовать электрические приборы, специально рассчитанные на низкое напряжение.
Преобразованный ток направляется потребителю, чтобы питать отопительные батареи, освещение, телевизор и иные устройства.

В промышленных ветряках могут применяться и другие элементы, которые обеспечивают автономную работу устройства.

Типы и виды ветрогенераторов

Классифицировать ветряки можно по материалам, количеству лопастей, шагу винта и оси вращения.

Выделяют два основных типа ветрогенераторов по оси вращения:

С горизонтальной осью круглого вращения, то есть крыльчатые.
С вертикальной осью вращения, то есть «лопастные» ортогональные, «карусельные».

Горизонтальные классические ветрогенераторы имеют пропеллер (в большинстве случаев трехлопастной), а вертикальные ветряки обладают ветроколесом, которое вращается вертикально.

По количеству лопастей ветряки могут быть:

Трехлопастные и двухлопастные.
Многолопастные.

Вращение многолопастных ветряков начинается при слабом ветре, тогда как для двухлопастных и трехлопастных устройств требуется более сильный ветер. Однако каждая
дополнительная лопасть создает дополнительное
сопротивление ветроколеса, вследствие чего достигнуть рабочих оборотов генератора становится сложнее.

По материалам лопастей ветряки могут быть:

Парусные генераторы.
Жесткие лопасти ветрогенератора.

Парусные лопасти дешевле и проще в изготовлении, однако, когда необходима стабильная и надежная работа для автономного электроснабжения они не подойдут.

По шагу винта:

Изменяемый шаг винта.
Фиксированный шаг винта.

Изменяемый шаг винта дает возможность повысить диапазон эффективных скоростей работы. В то же время данный механизм неизбежно:

Усложняет конструкции лопасти.
Снижает общую надежность ветрогенератора.
Утяжеляет ветроколесо и требует дополнительного усиления конструкции.

Применение

Устройства могут использоваться в различных местах. В большинстве случаев в открытые пространства, где большой потенциал ветров:

Горы.
Мелководье.
Острова.
Поля.

В то же время ветрогенераторы современных конструкций дают возможность задействовать энергию даже слабых ветров – от 4 м/с. Благодаря им можно решать задачи электроснабжения и энергосбережения объектов любой мощности.

Стационарные ветряные электростанции в виде альтернативных источников энергии способны полностью обеспечить электрической энергией небольшой производственный объект или жилой дом. В периоды отсутствия ветра необходимый запас электроэнергии будет выбираться из аккумуляторных батарей. Они отлично могут сочетаться с фотоэлектрическими батареями, газовым или дизельным генератором.
Ветрогенераторы могут использоваться и для экономии при наличии центральной электросети.
Ветроустановки средней и малой мощности часто используются владельцами фермерских хозяйств и домов, удаленных от централизованных электросетей, в качестве автономного источника.

Достоинства и недостатки

К преимуществам можно отнести:

Энергия ветра является возобновляемой энергией. Ветер создается бесплатно и постоянно, без ущерба окружающей среде. Энергия ветра доступна в любом месте на планете.
Энергия ветра является достаточно дешевой.
Ветряные турбины находятся на мачтах, им требуется минимум места. Благодаря этому их можно устанавливать совместно с иными объектами и строениями.
Ветрогенераторы в процессе эксплуатации не производят вредных выбросов.
Энергия ветра в особенности требуется в удаленных местах, куда затруднена доставка электричества иными привычными способами.

К недостаткам можно отнести:

Сила ветра очень переменчива и непредсказуема, вследствие чего требуется дополнительный буфер для накапливания электроэнергии, либо дублирования источника.
Высокая начальная стоимость создания и установки ветрогенераторов.
Ветряные турбины создают шум, который сравним с шумом автомобиля, перемещающегося со скоростью 70 км/ч. Это отпугивает животных и создает определенный дискомфорт для людей.
Вращающиеся лопасти представляют потенциальную опасность для птиц.

Среди всех имеющихся конструкций ветроколес различают две большие группы, принципиально отличающиеся друг от друга. Это и конструкции. Обе группы имеют свои признаки, достоинства и недостатки, обладают массой особенностей и специфических свойств. Рассмотрим роторные (вертикальные) образцы, наиболее многочисленную группу.

Что такое роторный ветрогенератор?

представляет собой устройство для приема во вращательное движение. Ось вращения таких конструкций расположена вертикально, что существенно изменяет физику вращения и придает устройству массу особенностей:

вертикальные конструкции не нуждаются в наведении на ветер. Поток, движущийся с любой стороны, одинаково воздействует на лопасти устройства
воздействие потока происходит одновременно на рабочую и на обратную стороны лопастей, что несколько снижает эффективность крыльчатки
вертикальные виды ветрогенераторов не используются для промышленной выработки энергии, используясь преимущественно для использования в частных целях

Самая значительная особенность вертикальный конструкций состоит в векторе приложения усилия потока. Если для горизонтальных крыльчаток усилие ветра приходится на наклонную поверхность и работает на сдвиг, то вертикальные устройства в большинстве получают импульс, направленный на лопасть во фронтальном направлении, что позволяет использовать энергию потока в максимальной степени.

При этом, одновременно с полезным воздействием поток контактирует и с обратной стороной лопасти, что создает противодействующее, тормозящее вращение усилие. Это является причиной меньшей эффективности вертикальных турбин по сравнению с горизонтальными.

Внешне большинство роторных конструкций напоминают детскую карусель - вокруг вертикальной оси расположены , числом от 2 и больше. Форма лопастей может быть разной, от подобия вертикально установленных желобов до плоскостей в форме крыла самолета, расположенных вертикально по касательной к окружности вращения.

Все разновидности имеют собственные наименования, большинство их них разработаны уже давно и являются модификациями и переосмыслениями друг друга.

Достоинства и недостатки

Роторные конструкции имеют ряд достоинств:

отсутствует необходимость наведения конструкции на ветер. Это значительно упрощает механизм ветряка и повышает его надежность
устройства способны принимать потоки ветра, находящиеся невысоко над поверхностью земли. Турбулентность им не страшна. Это делает возможным отказаться от использования высоких мачт, усложняющих ремонт или обслуживание
имеется много разновидностей вертикальных конструкций, позволяющих получить наиболее подходящее устройство для данных конкретных условий
вертикальные устройства являются наиболее удобными для изготовления своими руками

К недостаткам роторных ветрогенераторов следует отнести:

меньшая эффективность по сравнению с горизонтальными устройствами
рабочие колеса имеют довольно большой вес, что затрудняет их вращение, особенно на слабых ветрах
при ураганных или шквалистых ветрах установки нуждаются в защите от разрушения

Наиболее значимым достоинством роторных ветряков считается возможность самостоятельного изготовления из подручных материалов.

Примечательно, что промышленных моделей роторных установок относительно немного , большинство разработок до сих пор находятся в состоянии проектов, рабочих чертежей. Это объясняется слабым интересом к ветроэнергетике со стороны российских производителей и высокими ценами зарубежных моделей, недоступными для массового покупателя в России.

Виды устройств

Существует немало разновидностей роторных установок. К наиболее известным можно отнести:

ортогональный ротор
гелиоцентрический ротор
ротор Дарье
и т.д.

Большинство конструкций создавались в начале прошлого века, но широкого распространения не получили из-за низкого интереса к бытовым установкам, к которым относили роторные ветряки. В Европе назревала серьезная потребность в больших мощностях, что требовало использования крупных установок.

Роторные устройства большой величины неработоспособны из-за большой массы покоя и значительного сопротивления потоку ветра. Поэтому первенство было отдано горизонтальным типам конструкции, как более эффективным.

В России отношение к ветроэнергетике изначально было чисто научным, направление рассматривалось как прикладное и не имеющее высокой значимости. Обилие мощных полноводных рек позволило развивать гидроэнергетику, которая гораздо эффективнее использования энергии ветра, по крайней мере, на нынешнем уровне развития технологий.

Интерес к ветрогенераторам появился буквально в последние десятилетия и вызван нехваткой сетевых ресурсов и общей изношенностью сетей. Появилось большое число разработок, самодельных устройств, которые продемонстрировали свою пригодность к употреблению в частных целях для обеспечения дома или усадьбы.

Роторный ветрогенератор - это выгодно, или нет?

Рассматривать роторные устройства с точки зрения выгоды можно лишь в сравнении с какими-либо другими вариантами обеспечения энергией. Если сопоставить сетевую энергию и роторные ветрогенераторы, то однозначное первенство получат сети. Они стабильно поставляют энергию, не зависят от наличия или скорости ветра. Единственным минусом являются частые перебои, происходящие из-за общей ветхости сетевого хозяйства, устарелого оборудования и роста потребителей.

Если же рассматривать роторные установки в сравнении с солнечными батареями, то можно отметить независимость от времени суток или погоды. При этом часто совмещают солнечные батареи и ветряки из соображений, что хоть один источник будет доступен.

Для домовладений или отдаленных поселков, вовсе не имеющих возможности подключения к сетевой электроэнергии, говорить о выгоде нет смысла, поскольку сравнивать не с чем. Ситуация проста - или нет энергии, или есть.

Сборка своими руками

Приобретение готового ветряка, изготовленного на заводе, не по карману большинству потенциальных пользователей. Даже относительно дешевые китайские модели достаточно дороги, а европейские образцы имеют цену в несколько раз выше. Учитывая относительно небольшой срок службы установок - около 25 лет - становится ясно, что приобретение готовых комплектов для российского пользователя вариант неподходящий.

Решением вопроса становится самостоятельное изготовление роторного ветрогенератора . При использовании подручных материалов вполне можно уложиться в относительно невысокую сумму, на все вполне хватит 20000 рублей. Это обстоятельство вызвало рост изготовления различных моделей ветряков, что положительным образом сказывается на развитии направления в целом и на отработке конструктивных особенностей разных типов роторных ветряков.

Для создания действующего ветрогенератора требуются соответствующие материалы. Некоторые элементы комплекта придется приобрести. Например, аккумуляторные батареи, некоторые приборы (контроллер заряда или инвертор), которые нет возможности собрать самостоятельно, тоже придется покупать.

Практически все элементы рабочего колеса можно создать из подручных материалов. Генератор можно использовать готовый, например, мотор-колесо, автомобильный или тракторный генератор. Можно переделать асинхронный двигатель, или собрать аксиальный генератор на неодимовых магнитах. Обилие вариантов способствует развитию самодельных устройств на территории России, многие из которых успешно выполняют свои задачи на практике и способствуют подвижению ветроэнергетики среди населения.

Инструкция

Перед началом работ следует определиться с выбором конструкции ветряка. Наиболее удачными моделями, способными обеспечивать энергией достаточно большое число потребителей, считаются карусельные установки, прозванные в народе «бочка-загребушка». Они представляют собой несколько лопастей, похожих на продольно разрезанные половины металлических бочек, установленные вертикально вокруг оси вращения.

Можно действительно использовать разрезанные бочки, но лучшим решением станет изготовление лопастей из листового алюминия для облегчения крыльчатки.

Вал устанавливается на ступицах, а крыльчатка монтируется на выступающем верхнем конце. Для ограничения скорости вращения при внезапных порывах ветра обычно используют центробежные ограничители, представляющие собой грузики, подвешенные на цепочках. При повышении скорости вращения они увеличивают давление на лопасти и складывают их, снижая площадь воздействия потока и, соответственно, скорость вращения.

Монтаж генератора производится либо непосредственно на валу в нижней части, либо посредством клиноременной передачи на отдельной опорной площадке. Рекомендуется установить защитный кожух, предохраняющий устройство от попадания дождя или снега, пыли и прочих нежелательных воздействий.

Монтаж ветряка производится на возвышении. Высоких мачт для таких конструкций не требуется, однако, зачастую подобные устройства встречаются на крышах домов. Это нежелательный вариант, так как вибрации от работы ветряка полностью исключить пока не удается, что способно создать некоторое неудобство жителям дома.