Схема ветрогенератора с вертикальной осью вращения. Расчет вертикальных ветрогенераторов. Особенности изготовления лопастей

В этой статье мы подробно разберем, как сделать ветрогенератор своими руками. Ведь быт современного человека без электроэнергии – трудно представим. И даже небольшие перебои в подаче электричества становятся порой «парализующим моментом» для нормальной жизни в собственном доме. А такие неполадки, приходится признать, для некоторых загородных поселков или населенных пунктов в сельской местности – увы, не редкость. Значит, необходимо каким-то образом обезопасить себя от неприятностей, обзавестись резервным источником энергии. А если принять в расчет еще и постоянно растущие тарифы, то наличие собственного источника, да еще и работающего практически «забесплатно», становится заветной мечтой многих владельцев домов.

Одним из направлений развития «бесплатной энергетики» в наше время является использование энергии ветра. Многие, наверное, видели впечатляющие картины огромных ветряков, успешно применяемых в некоторых странах Европы – кое-где доля выработанной ветром энергии уже достигает нескольких десятков процентов от общего объема. Вот и возникает соблазн – а не попробовать ли и мне сделать ветрогенератор своими руками, чтобы раз и навсегда получить независимость от электросетей?

Вопрос резонный, но следует сразу несколько охладить пыл «мечтателя». Чтобы создать действительно качественную, производительную установку по выработке электроэнергии, требуются немалые знания в механике и электротехнике. Нужно быть весьма опытным мастером на все руки – предстоит целый ряд операций высокой сложности, требующих точного проектирования и квалифицированного подхода в исполнении. По совокупности этих причин, как можно судить по обсуждениям на форумах, довольно много «соискателей» либо не получили ожидаемого результата, либо и вовсе отказались от задуманного проекта.

Поэтому в данной статье будет дана обзорная картина, показывающая общие проблемы и направления их решения в процессе создания ветрогенераторов. Можно будет примерно оценить масштабность работ и трезво взвесить свои возможности – стоит ли браться самому.

Что это такое – ветрогенератор? Общее устройство системы

Существует несколько способов получения электрической энергии – за счет воздействия потоком фотонов (световой, например, солнечные батареи), за счет определенных химических реакций (широко применяется в элементах питания), за счет разницы температур. Но шире всего в настоящее время используется преобразование кинетической энергии в электрическую. Это преобразование происходит в специальных устройствах, которые как раз и называются генераторами.

Принцип работы генератора преобразователя кинетической энергии в электрическую, раскрыт и описан еще в XIX веке Фарадеем.

Принцип устройства простейшего электрического генератора

Он заключается в том, что если проводящую рамку разместить в изменяющемся магнитном поле, то в ней будет индуцироваться электродвижущая сила, которая при замыкании цепи приведет к появлению электрического тока. А изменение магнитного потока можно добиться вращением этой рамки в магнитном поле, или создаваемом постоянными магнитами, или появляющегося в обмотках возбуждения. При изменении положения рамки меняется величина пересекающего ее магнитного потока. И чем выше скорость изменения, тем больше показатели и наводимой ЭДС. Таким образом, чем больше оборотов передается ротору (вращающейся части генератора), те большего напряжения можно добиться на выходе.

Схема, безусловно, показана с большими упрощениями, просто для уяснения принципа.

Передача вращения на ротор генератора может осуществляться по-разному. И один из путей найти бесплатный источник энергии, который приведет в движение кинематическую часть устройства – это «поймать» силу ветра. То есть примерно так же, как это удалось сделать когда-то создателям ветряных мельниц.

Таким образом, устройство ветрового генератора подразумевает наличие генерирующего устройства и механизма передачи его статору вращательного движения, то есть ветряка. Кроме того, обязательным условием становится конструкция, обеспечивающая надежную установку системы, так как ее часто приходится размещать на немалой высоте, чтобы полноценной «ловле ветра» не мешали естественные или искусственные препятствия. В ряде случаев используется еще и кинематическая передача, предназначенная для повышения количества оборотов ротора.

Один из примеров повышающей передачи вращения от ветряка на генератор

Но и это – еще не все. Наличие и скорость ветра – величины чаще всего крайне непостоянные. И ставить потребление выработанной энергии в зависимость от «капризов погоды» - дело неразумное. Поэтому ветрогенератор обычно работает в связке с системой аккумуляции энергии.

Выработанный ток выпрямляется, стабилизируется и через специальное устройство-контроллер или поступает непосредственно на дальнейшее потребление, или перенаправляется на зарядку включённых в схему мощных аккумуляторов. С аккумуляторов через инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный нужного напряжения и частоты, питание поступает к точкам потребления. Аккумуляторы становятся своеобразным буферным звеном: если текущая нагрузка меньше текущей (очень зависимой от силы ветра) мощности генератора, или если на протяжении какого-то времени и вовсе не подключены приборы потребления, то идет зарядка батарей. Если нагрузка становится выше вырабатываемой мощности – батареи разряжаются.

Интересный момент – именно эта особенность ветровой энергетической установки позволяет планировать мощность самого генератора, не исходя из пиковых показателей нагрузки (за это будет отвечать в большей мере инвертор), а отталкиваясь из прогнозируемого потребления энергии в течение определенного периода (например, месяца).

Безусловно, в быту могут использоваться и более простые схемы. Например, ветровая установка просто обслуживает какое-то низковольтное осветительное оборудование и т.п.

Плюсы и минусы ветровых электростанций

Для примера посмотрим вначале на простейшую конструкцию ветрогенератора, которую сможет собрать даже школьник средних классов. Практическое применение такой «электростанции» – не особо широкое, но просто чтобы расширить свое понимание и обрести некоторые навыки – почему бы и нет?

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

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

Преимущества вертикального ветрогенератора достаточно весомые:

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

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

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

Как работает и включается в сеть ветрогенератор

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

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

Конструкция является полностью механической и автономной, поэтому не требует в свою работу вмешательства человека. Естественно, сам генератор оснащается дополнительными устройствами, благодаря которым получаемая энергия делается подходящей для использования в домашних сетях.

Ни в коем случае нельзя подключать электроприборы напрямую к выводам генератора, так как это устройство в разных режимах работы будет выдавать ток разной силы и частоты.
После самого генератора в схему включается контроллер, который контролирует (простите за тавтологию), уровень заряда аккумулятора. На фото выше показано устройство такого типа. Как видим, на корпусе имеется 4 клеммы, к которым подключаются выходы самого генератора, аккумулятора и балласт.
Что есть балласт? Думаем, многие в курсе, что аккумуляторные батареи крайне не рекомендуется перезаряжать, иначе начинает закипать электролит, создается давление внутри, и устройство может под эффектный салют выйти из строя. Поэтому, как только напряжение на аккумуляторе поднимается до 14-15 вольт, что свидетельствует о его полной зарядке, питание прекращается.
Аккумулятор отключен, энергии идти больше некуда, ну, допустим, дома никого нет, и электричество никакие приборы не потребляют, а на улице поднялся хороший ветер, и генератор продолжает интенсивно вращаться. Что произойдет?

Если на ветрогенераторе не будет нагрузки, его вращение не будет испытывать никакого сопротивления. Лопасти раскручиваются слишком сильно, из-за чего возрастает ветровая нагрузка и возникает неприятный шум. В определенных ситуациях конструкция может попросту не выдержать и, помахав вам ручкой, улететь без обещания вернуться.
Следующий момент – это то, что напряжение на генераторе без нагрузки при таком интенсивном вращении может доходить до 60-80 вольт, при номинале в 12. Транзисторы контроллера в среднем рассчитаны на напряжение в 40 В — как понимаете, подобный скачок приведет к моментальному их выходу из строя.
Чтобы такого не происходило и используется балласт – запасная нагрузка, создаваемая резистором, лампами или тэном.

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

Потребляемая мощность балластом должна соответствовать максимальному показателю, который способен выдать ветрогенератор.
Если у приобретенного вами контроллера нет клемм для подключения балластной нагрузки, то значит, это устройство будет работать по иному принципу. Как только аккумулятор будет полностью заряжен, контроллер замкнет фазы ветрогенератора, который в результате этого остановит свое вращение. Блокировка будет держаться до тех пор, пока уровень напряжения в батарее не упадет до 13,5 вольт, после чего цикл повторится.
Данные устройства устанавливают только на маломощные генераторы.
Перед контроллером в цепи обязательно ставится диодный мост – простейшее устройство из четырех полупроводников, которое будет выпрямлять поступающий ток. Многие устройства имеют выпрямитель внутри корпуса, поэтому при подключении обязательно изучается инструкция.

Итак, далее в цепи идет аккумуляторная батарея. Подойдет, в принципе любая на 12 вольт, так что за покупкой можно отправиться в магазин автозапчастей.
Как вы понимаете, использование ветровых генераторов, вовсе не означает, что электрическая энергия будет бесплатной. Во-первых, учтите стоимость самого устройства и оборудования для него – если вы не радиотехник, то потратиться, однозначно придется. Во-вторых, любой аккумулятор имеет определенный ресурс работы – в среднем 4-5 лет при условиях интенсивной эксплуатации.
Аккумулятор хорошей емкости будет вам обходиться около 5-10 тысяч рублей (цена на 2018 год). То есть, даже если убрать затраты на установку и запуск оборудования, вам придется платить от 80 до 160 рублей в месяц, не считая затрат на возможные ремонты оборудования.
При этом регион, в котором вы живете должен быть действительно ветренным, чтобы все затраты окупались. В общем, решать о целесообразности подобного приобретения только вам, мы же лишь знакомим вас с фактами.

Если от ветрогенератора вы планируете запитывать бытовые электроприборы, работающие от стандартных 220 вольт, вам понадобится инвертор, который будет постоянный ток преобразовывать в переменный
Из дополнительного оборудования хотелось бы выделить АВР (автоматический переключатель источника питания). Данное устройство в автоматическом режиме будет выполнять переключение питания при выключении ветрогенератора на общественную сеть или аварийный источник питания.

Типы вертикальных ветрогенераторов

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

Ортогональные системы

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

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

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

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

В чём состоял замысел вертикального ветрогенератора

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

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

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

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

Технические особенности роторных ветрогенераторов последних моделей

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

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

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

Чтобы точнее выбрать и посетите наш каталог.

В последнее время поклонники возобновляемых источников энергии отдают предпочтение вертикальным конструкциям ветряков. Горизонтальные уходят в историю. Дело не только в том, что смастерить вертикальный ветрогенератор своими руками легче, чем горизонтальный. Основным мотивом такого выбора является эффективность и надежность.

Преимущества вертикального ветряка

1. Вертикальная конструкция ветряка лучше ловит ветер: нет необходимости определять, откуда он дует и ориентировать лопасти под воздушный поток. 2. Установка такого оборудования не требует высокого его расположения, а это значит, что вертикальный ветряк своими руками будет легче обслужить. 3. Конструкция содержит меньше движущихся деталей, что повышает ее надежность. 4. Оптимальный профиль лопастей повышает КПД ветряка. 5. Многополюсный генератор, использующийся для выработки электроэнергии, является менее шумным.

Расскажем о том, как изготовить детали и собрать вертикальный ветрогенератор своими руками.

Алгоритм действий при изготовлении турбины своими руками

1. Опоры (верхняя и нижняя) лопастей представляют собой две концентрические окружности одинаковых по размеру. Изготавливают их из ABS пластика – вырезают лобзиком. В одной из них (она будет верхней) проделывают отверстие диаметром 300 мм.

2. Нижняя опора должна опираться на хаб, в качестве которой можно использовать ступицу легкового автомобиля. Для соединения деталей нужно разметить и высверлить 4 отверстия. 3. Собирая вертикальный ветрогенератор своими руками, особое внимание уделяют креплению лопастей. Для правильного расположения лопастей нужен шаблон. На нижней опоре чертим шестиконечную звезду (звезду Давида), углы которой будут находиться на краю окружности. Проецируем чертеж на верхнюю опору. Лопасти изготавливаем из тонкого листового металла в виде полоски длиной 1160 мм, ширина которых – чуть больше стороны луча звезды.

4. Крепят лопасти двумя уголками вверху и внизу, при этом они должны быть изогнуты так, чтобы образовалась четверть круга. Располагают их друг за другом по окружности, устанавливая на грани лучей.

Изготавливаем ротор

1. Основания для ротора диаметром 400 мм выпиливают из фанеры толщиной 10 мм. По внешнему радиусу с помощью жидких гвоздей или эпоксидного клея крепят постоянные неодимовые магниты с высокой индуктивностью. Располагают их аналогично цифрам на часовом циферблате (ровно 12 шт) с соблюдением полярности (их рекомендуется промаркировать). Чтобы магниты не сошли со своего места, их временно фиксируют распорками из деревянных клиньев.

2. Второй ротор делают аналогично и симметрично первому. Разница в полярности магнитов – она должна быть противоположной.

Как собрать статор

Статор собирается из 9-ти катушек индуктивности. Должно быть з группы последовательно соединенных катушек (по 3 шт. в группе): конец предыдущей соединяется с началом следующей (конфигурация «звезда»). Располагаются катушки симметрично в вершинах трех треугольников, вписанных в окружность. Намотка выполняется медным проводом 0,51 мм в диаметре (тип – 24 AWG). Необходимо 320 витков. Это позволит получить на выходе генератора напряжение 100 В при 120 об/мин. турбины. Вертикальный ветрогенератор своими руками можно смастерить с различными параметрами выходного напряжения и тока путем уменьшения/увеличения количества витков и диаметра намоточного провода статора. Витки катушек наматываются одинаково. Необходимо соблюдать направление намотки и отмечать ее начало и конец. Поверх наружного витка наносится эпоксидный клей и наматывается в четырех местах изолента – для препятствования разматыванию.

Правила и нюансы соединения катушек

Концы катушек необходимо очистить от лаковой изоляции. Соединения выполняются пайкой. Подготовленные таким образом катушки укладывают на бумажный лист, на который наносят схему их расположения (в соответствии с положением постоянных магнитов ротора). Фиксируют их скотчем. Все свободные поля бумаги (кроме центров катушек) заклеивают стеклотканью, заливая эпоксидную смолу с отвердителем. Выводы обмоток должны располагаться снаружи или внутри статора. Для крепления кронштейна в статоре проделывают отверстия.

Окончательная сборка и установка

На одну ось собираются (сверху – вниз): нижняя опора лопастей, диск с постоянными магнитами (верхнее основание ротора), статор, нижнее основание ротора и ступица. Все составляющие крепятся шпильками к кронштейну. Для хорошего контакта используем болты из нержавеющей стали. Доработав остальные мелочи, получаем готовое устройство. Вертикальный ветряк своими руками следует устанавливать на отрытой местности, там, где сила ветра наибольшая. Желательно, чтобы вблизи не было высоких сооружений. Тогда ветрогенератор будет эффективно вырабатывать электроэнергию, что поможет сэкономить средства.