Архимедов винт для ветрогенератора

Уникальные чертежи ветрогенератора Онипко: принцип работы и противоречивость конструкции

Обновлено: 14 января 2021

Ветряки для слабого ветра

Ветроэнергетика, имевшая невысокую ценность в глазах большинства еще совсем недавно, обретает уверенный подъем и рост. Даже в условиях преобладания слабых и умеренных ветров ведутся серьезные разработки, позволяющие использовать неограниченный природный ресурс с максимальной пользой. Создаются новые, более удачные и эффективные образцы конструкции ветряков, дающие возможность предполагать скорое развитие автономных сельских усадеб.

Единственная проблема — высокая стоимость промышленных моделей, ограничивающая спрос на них у населения. В то же время, дороговизна оборудования способствует самостоятельной разработке и изготовлению собственных образцов, позволяющих производить электричество в тех же количествах, или даже больше.

Европейская часть континента Евразия, исключая прибрежные зоны, имеет преобладающие слабые и умеренные ветра. Использование ветряков обычных горизонтальных конструкций в большинстве регионов малоэффективно. Ресурс устройства в таких условиях используется на ничтожно малый процент, поэтому эффективность крайне низка.

При этом, менее производительные в теории вертикальные модели зачастую выигрывают у горизонтальных, так как имеют более приспособленную для слабых потоков геометрию лопастей, не нуждаются в наведении на ветер, что снижает потери.

Тем не менее, разработки в области горизонтальных роторов продолжаются. Созданы различные устройства, дающие высокие показатели на низких скоростях вращения. Основные направления исследований:

• создание генератора, дающего высокую производительность при низкой скорости вращения
• изготовление оптимальной для слабых потоков конструкции крыльчатки, способной уверенно вращаться при слабом ветре

Решение вопроса возможно только при одновременном развитии в обоих направлениях, так как ветрогенератор представляет собой комплекс оборудования, работающий в единой системе. Слабый элемент в комплексе снижает его эффективность, что вынуждает подбирать оборудования в максимальном соответствии всех узлов и деталей.

Ветрогенератор конструкции Онипко

Интересное решение предложил украинский физик Алексей Онипко. Конструкция горизонтального типа представляет собой пространственную фигуру, внешне напоминающую гигантское сверло. Впервые увидевший этот ротор человек испытывает эстетическое удовольствие, настолько он красив в своей сложности и элегантности. Между тем, устройство предназначено далеко не для декоративных целей.

Крыльчатка начинает вращаться уже при скорости ветра 0,3 м/с, делая устройство необычайно чувствительным. Кроме того, отсутствие разрывов значительно снижает шум, возникающий при работе таких устройств. Ротор Онипко практически бесшумен. Также удачно найдена конструкция, использующая поток ветра в пределах окружности крыльчатки целиком.

Разработка коллектива Онипко (он работает не в одиночку, трудится целый коллектива) получила широкое признание на Западе. Так, в 2013 году конструкция получила Гран-при на Всемирном конкурсе в Нюрнберге, была признана наиболее удачной и эффективной разработкой в мире.

Мировое признание, тем не менее, не способствует пока еще массовому производству ветряка. Разработка находится в стадии подготовки к производству, ведется поиск инвесторов. При этом, отдельные устройства, созданные по схеме Онипко, создаются и успешно работают в некоторых установках.

Принцип работы

Принцип действия ротора Онипко основан на классических аэродинамических посылках. Изменения коснулись самой идеи вращающихся лопастей. Они превращены в сплошное полотно, не имеющее разрывов в плане, но вытянутое в боковом сечении в конус. В результате получается крыльчатка, максимально эффективно контактирующая с потоком ветра.

Площадь контакта имеет наиболее высокую величину из возможных, что позволяет получить высокочувствительный ротор. Параметры спирали оптимальным образом взаимодействуют с потоком, позволяя получить устойчивое вращение при слабых ветрах и вполне уверенно чувствовать себя при скорости ветра, близкой к 40 м/с.

В остальном ветрогенератор Онипко не отличается от обычных устройств подобного типа — крыльчатка воздействует на генератор, который заряжает аккумуляторные батареи. Заряд батарей через инвертор подается на приборы потребления. Единственным дополнением является электронный блок, установленный перед выпрямителем и преобразующий частоту в более удобные для аппаратуры 50-100 Гц. Стандартные параметры тока — 220 В 50 Гц — достигаются при скорости вращения в 150 об/мин.

Согласно расчетным данным, ветрогенератор Онипко способен развивать от 50 до 10000 Вт мощности. При этом, простым увеличением диаметра крыльчатки обойтись невозможно.

По утверждениям разработчиков, каждый типоразмер проходит специальные испытания в аэродинамической трубе и корректируется по итогам испытаний. Это свидетельствует о том, что точной математической модели установки еще не существует, приходится уточнять параметры на практике.

Тем не менее, созданные образцы демонстрируют высокие показатели, признанные всеми специалистами в этой области, что дает основания предполагать скорое теоретическое обоснование и описание формы лопастей. Такое обоснование необходимо для производства, иначе изменение размеров может стать причиной ухудшения аэродинамики ротора.

Противоречивость конструкции

Споры о возможностях конструкции Онипко выдавать заявленные параметры на практике ведутся практически с первых дней появления разработки. Мнения специалистов разделились на горячих сторонников изобретения и не менее убежденных противников. Аргументы приверженцев конструкции уже изложены, поэтому следует прислушаться к доводам противников разработки.

Прежде всего, критике подвергают диапазон скоростей ветра. Здесь аргументы весьма серьезны, так как в расчете мощности крыльчатки участвует квадрат скорости. Слишком малые значения способны настолько снизить эффективность, что никакая конструкция не увеличит ее. Кроме того, все параметры, заявленные конструктором, учтены без нагрузки. Противники конструкции видят в этом единственное объяснение — ротор под нагрузкой вращаться не будет.

Вторым сомнительным моментом представляется утверждение о высоком коэффициенте использования энергии ветра. Здесь крыльчатка рассматривается как вариант парусного ротора с неизменяемой геометрией лопастей. С этой точки зрения ротор Онипко является устройством, предназначенным для использования со строго определенной скоростью потока.

Величина поверхности соприкосновения с ветром также не имеет важного значения, поскольку поток не создает фронтальной нагрузки, а обтекает лопасти, поэтому воздействие косвенное. Отсутствие точных данных о мощности и подтверждающих это мероприятий нет.

Эти доводы относятся к наиболее серьезным и подтверждаемым математически. Противники конструкции также высказывают вполне обоснованные возражения против других утверждений разработчиков конструкции об универсальности крыльчатки, ее огромном потенциале и диапазоне мощности. Если учесть, что расчетный КПД любого ветрогенератора не может превышать 53 %, то многие заявления конструкторов представляются слишком смелыми, преувеличенными.

Основная причина сомнений — закрытость подробной и точной информации по ветряку. Нет промышленных образцов, не существует точной математической модели крыльчатки. Купить готовую установку невозможно, на обращения коллектив создателей устройства реагирует уклончиво и туманно.

По мнению многих, это выглядит довольно странно. Подозревают, что данная разработка не более, чем коммерческий прием, создающий шум из ничего. Тем не менее, существуют ролики, демонстрирующие работу ротора в достаточно сложных условиях. Практика покажет, насколько правы те и другие.

Чертежи ротора

Изобретатель не предоставляет подробные чертежи своих разработок, но в качестве модели для построения лопастей использован принцип математической спирали:

Именно по этой кривой строится каждая из трех лопасть крыльчатки, в сумме образуя сплошную поверхность, близкую по очертаниям при взгляде сбоку к форме конуса. Спираль строится на основе золотого сечения, три лопасти образуют угол между осями в 120°. Конструкторы считают возможным использование множества вариантов изготовления лопастей, главным условием считая использование архимедова винта в качестве основы.

Такое обилие возможностей увеличивает шансы самодеятельных изготовителей ветряков, нуждающихся в создании устройства для своих нужд.

Ветрогенератор Онипко своими руками

Создание ротора Онипко для своих нужд — достаточно сложная задача. Конструкторы в качестве генератора используют мотор-колесо, что имеется в наличии не у всех. Но основная проблема, встающая перед самодеятельным изготовителем — создание сложных криволинейных поверхностей, их точное соединение и качественная балансировка колеса.

Для создателя подобной конструкции наиболее правильным вариантом станет создание качественного шаблона и создание крыльчатки из стеклопластика. Эта методика позволит изготовить легкое и достаточно точно выполненное колесо. Сами разработчики первые рабочие модели создавали из пенопласта и стеклоткани, поэтому наиболее разумно будет последовать их примеру.

Представляется нерациональным создавать ротор малой площади. Учитывая угол наклона потока по отношению к точкам поверхности лопастей, следует создать достаточно большое колесо, способное развивать мощность, соответствующую потребностям генератора. Использование мотор-колеса, которое применили конструкторы, не обязательно, можно приспособить любой тихоходный образец, не создающий значительной нагрузки на валу ротора.

Создание рабочей модели ротора Онипко — сплошной эксперимент от начала до конца. Отсутствие точных данных или чертежей открывает путь для творческой фантазии. Вполне возможно, что кому-нибудь удастся создать модель, полностью подтверждающую заявленные показатели и наглядно демонстрирующую возможности устройства.

Источник

Оптимальные лопасти для ветрогенератора: вид, форма, материалы и инструкция по изготовлению своими руками

Обновлено: 5 января 2021

Существующие цены на ветрогенераторы и окупаемость не соответствуют возможностям большинства владельцев загородных домов, дачных участков. Жителям отдаленных районов, где сетевой электроэнергии до сих пор никогда не было, приобрести подобное оборудование еще сложнее, поскольку они лишены информации о нем и не могут получить достаточно подробные сведения о качестве, характеристиках и прочих параметрах оборудования для использования энергии ветра.

Приходится изготавливать ветровые устройства самостоятельно, опираясь на экспериментальные результаты или отрывочные сведения, почерпнутые из разных источников. Рассмотрим важный вопрос, возникающий при создании ветряка — устройство лопастей.

Как работает простой ветрогенератор?

Существует два типа ветрогенераторов:

Разница состоит в расположении оси вращения. Наиболее производительными считаются горизонтальные конструкции, напоминающие своими формами самолет с пропеллером. Винт — это крыльчатка ветряка, хвост — устройство наведения на поток ветра, автоматически разворачивающее ось по направлению движения воздуха.

При воздействии ветра на крыльчатку возникает вращающий момент, передающийся на ось генератора. В его обмотках возбуждается электроток, который заряжает аккумуляторные батареи. Они, в свою очередь, отдают заряд на инвертор, изменяющий параметры тока и выдающий на потребляющие приборы стандартное напряжение 220 В 50 Гц.

Существуют более простые комплексы, где с генератора запитываются сразу потребители, но такая система никак не защищена от скачков или пропадания напряжения. Вариант используется только для освещения или привода насосов, качающих воду.

Какая форма лопасти является оптимальной?

Основной элемент горизонтального ветряка — крыльчатка. Она больше всего напоминает пропеллер, хотя выполняет абсолютно противоположные функции. Лопасти принимают на себя энергию воздушного потока, перерабатывая ее во вращательное движение. От их конфигурации напрямую зависит эффективность работы крыльчатки и всего комплекта в целом.

Горизонтальные устройства имеют крыльчатки, снабженные большим количеством лопастей. Обычно их больше 3. В этом вопросе существует зависимость числа лопастей от производительности. Дело в том, что с возрастанием числа принимающих плоскостей падает мощность крыльчатки, а с убыванием — чувствительность. Поэтому выбирают «золотую середину», принимая среднее число лопастей.

Важно! Большое число лопастей увеличивает фронтальную нагрузку на устройство, создавая опрокидывающее усилие на основании мачты и сильное осевое давление на крыльчатку, разрушающее подшипники генератора.

На практике создано большое количество разных устройств, имеющих форму крыльчатки от простых секторов окружности, немного развернутых по радиусной оси, до сложных вариантов с тщательно просчитанной аэродинамикой, испытанных в разных условиях. Результаты испытаний показали, что оптимальной формой является модель, приближенная к пропеллеру. Такая лопасть несколько расширяется от центра (обтекателя) крыльчатки и плавно сужается к концу.

Преимуществом этого вида является равномерное распределение нагрузок на опорный подшипник, поверхность лопасти и всю систему ветряка в целом. Поток ветра воздействует на все участки с одинаковой силой, но, если расширить лопасть к концу, то получится достаточно длинный рычаг, перегружающий подшипник и выламывающий лопасти. Отсюда возникла такая форма, с небольшими изменениями используемая практически на всех ветряках.

Выбор вида

Вариантов или видов лопастей для горизонтальных ветряков существует немного. Причина этого кроется в самой конструкции крыльчатки — создавать сложные формы или конфигурации там попросту негде. Тем не менее, разработки наиболее удачного варианта ведутся постоянно, на сегодня можно выделить несколько видов:

Твердые лопасти изготавливаются из различных материалов сразу в определенной форме, парусные имеют совершенно другую конструкцию. Основой является рамка, на которую натягивается плотное полотно таким образом, чтобы одна из сторон была не прикреплена к рамке. Получается лопасть треугольной формы с одной стороной (от центра к одной из вершин), не закрепленной к основе.

Поток ветра создает давление на парус и придает ему оптимальную форму для схода с плоскости, в результате чего колесо начинает вращаться. Вариант имеет преимущество в массе и весе колеса, но нуждается в постоянном наблюдении за состоянием ткани и крыльчатки в целом.

Для самостоятельного изготовления обычно используют подручные материалы. Учитывая сложный профиль лопастей, хорошим вариантом становится использование листового металла или пластиковых труб.

Расчет лопастей

На практике мало кто вычисляет параметры лопастей, поскольку для этого надо обладать специальной подготовкой и располагать данными. Большинство значений, нужных для расчетов, необходимо сначала отыскать, некоторые из них и вовсе будут известны только после запуска ветряка. Кроме того, для большинства видов до сих пор нет математической модели вращения, что делает расчеты бесполезными.

Чаще всего производится подбор диаметра крыльчатки по требующейся мощности, выполняемый по таблице:

Как вариант, можно использовать онлайн-калькулятор, позволяющий получить готовый результат за секунды, надо только подставить в окошечки программы собственные данные.

Необходимо учитывать, что расчеты такого устройства, как крыльчатка, не будут иметь достаточной точности из-за большого количества тонких эффектов и неизвестных величин, поэтому, чаще всего, прибегают к экспериментальному подбору формы и размера.

Материал для изготовления

Прежде, чем начать работы по созданию крыльчатки, надо определиться с материалом. Выбор производится из того, что имеется в наличии, или из материалов, более знакомых пользователю и доступных для обработки. Требования к материалу для изготовления лопастей:

• прочность
• малый вес
• легкость обработки
• возможность придания нужной формы или наличие ее у заготовки
• доступность

Из всех возможных вариантов опытным путем были выделены несколько наиболее удачных. Рассмотрим их подробнее.

Трубы ПВХ

Использование канализационных труб ПВХ большого диаметра позволяет быстро и недорого получить вполне качественные лопасти. Пластик не боится воздействия влаги, легко обрабатывается. Самым ценным качеством является наличие у заготовки формы ровного желоба, остается лишь правильно отрезать все лишнее.

Простота изготовления и дешевизна материала в сочетании с эксплуатационными качествами пластика сделали трубы ПВХ самым ходовым материалом при изготовлении самодельных ветряков. К недостаткам материала можно отнести его хрупкость при низких температурах.

Алюминий

Лопасти из алюминия долговечны, прочны и не боятся никаких внешних воздействий. При этом, они тяжелее, чем пластиковые и требуют тщательной балансировки колеса. Кроме того, работа с металлом, даже таким податливым, как алюминий, требует наличия навыков и подходящего инструмента.

Затрудняет работу и форма материала — чаще всего используется листовой алюминий, поэтому мало изготовить лопасти, надо придать им соответствующий профиль, для чего придется сделать специальный шаблон. Как вариант, можно сначала изогнуть лист по оправке, затем приступить к разметке и резке деталей. В целом, материал более устойчив к нагрузкам, не боится температурных или погодных воздействий.

Стекловолокно

Такой выбор — для специалистов. Работа со стекловолокном сложна, требует навыков и знания множества тонкостей. Порядок создания лопасти включает в себя несколько операций:

• изготовление деревянного шаблона, покрытие его поверхности воском, мастикой или иным материалом, отталкивающим клей
• изготовление одной половины лопасти. На поверхность шаблона наносится слой эпоксидки, на который тут же укладывается стеклоткань. Затем снова наносится эпоксидка (не дожидаясь засыхания предыдущего слоя) и опять стеклоткань. Таким образом создается одна половина лопасти нужной толщины
• подобным образом изготавливается вторая половина лопасти
• после застывания клея половинки соединяются при помощи эпоксидки. Стыки зашлифовываются, в торец вставляется втулка для присоединения к ступице

Технология сложна, требует времени и умения работать с материалами. Кроме того, эпоксидная смола имеет неприятное свойство закипать в больших объемах, что создает постоянную угрозу испортить всю работу. Поэтому выбирать стеклоткань следует только опытным и подготовленным пользователям.

Древесина

Работа с деревом достаточно хорошо знакома для большинства пользователей, но создание лопастей — задача достаточно сложная. Мало того, что форма изделия сама по себе непроста, так еще и потребуется изготовить несколько одинаковых неотличимых друг от друга образцов.

Решение такой задачи по плечу далеко не всем. Кроме того, готовые изделия надо качественно защитить от воздействия влаги, пропитать олифой или маслом, покрасить и т.д.

Древесина обладает массой отрицательных качеств — она склонна к короблению, растрескиванию, гниению. Впитывает и легко отдает влагу, что изменяет массу и баланс крыльчатки. Все эти свойства делают материал не лучшим вариантом выбора для домашнего мастера, поскольку лишние осложнения никому не нужны.

Создание лопастей поэтапно

Рассмотрим наиболее распространенный вариант изготовления лопастей. В качестве материала используется труба ПВХ диаметром порядка 110-160 мм:

• отрезаются куски трубы по длине лопастей
• вдоль отрезка наносится линия, от которой в обе стороны отмеряются 22 мм. Получится 44 мм — ширина одной лопасти
• с противоположного торца делается то же самое
• крайние точки с одной стороны центральной линии соединяются по прямой. Со второй стороны наносится рисунок формы лопасти
• вырезается лопасть, свободный конец аккуратно закругляется, кромки обрабатываются наждачной бумагой или напильником
• лопасти присоединяются к ступице

Форма лопастей имеет следующее строение:

• торцевые части одинаковы по ширине — 44 мм
• посередине ширина лопасти составляет 55 мм
• на расстоянии 0,15 длины ширина лопасти составляет 88 мм

Полученные точки соединяются прямой линией, затем оформляются более плавными переходами, руководствуясь полученными очертаниями. Изготавливается шаблон, по которому вырезаются все лопасти, имеющие одинаковую форму. Для присоединения к ступице необходимо просверлить пару отверстий под винты (шурупы).

Они должны на всех лопастях находиться в одинаковых точках, чтобы не нарушался баланс крыльчатки. Готовое колесо требуется тщательно отбалансировать, установив его на ось и, свободно вращая, отыскать участок с нарушениями баланса. В этом месте следует понемногу стачивать лопасть до момента полного уравновешивания крыльчатки.

Источник