Принцип работы вертикального ветрогенератора

Вертикальный ветрогенератор: принцип работы

Обновлено: 7 января 2021

Что такое ветрогенератор

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

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

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

Существуют две основные разновидности ветрогенераторов:

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

Виды ветрогенераторов с вертикальной осью вращения

Вертикальный ветрогенератор — это устройство, ось вращения которого расположена перпендикулярно направлению потока ветра и ориентирована в вертикальном направлении. Продольные оси лопастей параллельны оси вращения.

Если горизонтальные генераторы по внешнему виду напоминают пропеллер, то вертикальные ближе к барабану центробежного вентилятора, установленному вертикально и оборудованному малым числом лопаток (обычно их 2 штуки, но бывают и другие варианты). Такое расположение позволяет лопастям одинаково реагировать на потоки ветра с любой стороны без необходимости ориентирования оси вращения на встречном направлении к движению воздуха.

Существуют различные виды вертикальных ветрогенераторов. Разница между ними заключается лишь в типе вращающейся части — ротора, поскольку конструкция неподвижного статора принципиальных изменений не имеет. Известны такие виды, как:

• ортогональный ротор. Его лопасти расположены по касательной к окружности вращения и имеют сечение как у крыла самолета. Способен начинать вращаться даже при относительно слабом ветре, увеличивая скорость за счет разрежения воздуха над поверхностью лопастей и уплотнения под ней (возникновения подъемной силы). Не имеет высокой парусности лопастей, что позволяет стабилизировать скорость вращения и исключить резкие изменения динамики, способные вывести из строя подшипники
• ротор Савониуса. Представляет собой две изогнутые в виде половинок трубы лопасти. При большой площади уравновешивания сил, воздействующих на лопасти, не происходит, так как поток, действующий на внутреннюю часть лопасти, отражается от ее изгиба и частично попадает в изгиб второй лопасти, усиливая ее вращение. Обратная сторона разбивает поток на равные части, одна из которых обтекает изгиб и попадает на рабочую часть, увеличивая вращающий момент, а другая уходит в сторону. Эффективность такого ротора невелика, всего 15%, но по сочетанию характеристик он вполне достоин внимания
• ротор Дарье. Это один из вариантов ортогональной конструкции. Имеет вантовый вид лопастей, концы которых присоединены к валу вращения, а центральные части, плавно изгибаясь, отходят от вала таким образом, что при взгляде со стороны лопасти образуют своими очертаниями овал или круг. Ротор имеет малую мощность, высокий уровень шума и вибраций, что делает его требовательным к постоянному наблюдению и обслуживанию.
• геликоидный ротор. Конструкция имеет лопасти сложной формы, закрученной вокруг вертикальной оси. Это позволяет стабилизировать скорость вращения и устранить шум, создаваемый лопастями при вращении. Равномерность работы делает конструкцию более удобной, обеспечивающей ровный результат при разных режимах вращения. Для самостоятельного изготовления этот вариант конструкции наиболее сложен, но, в целом, доступен.
• многолопастной ротор. Имеет несколько лопастей, что позволяет получить ровное и мощное вращение ротора при относительно слабом ветровом давлении. Обычно используется несколько узких полос на некотором расстоянии от вала вращения, передающих поток с возрастанием скорости и плотности на второй ряд лопастей, расположенный внутри первого. Также существуют варианты с двумя уровнями (пара лопаток, а под ней — другая с разворотом на 90°. Все варианты конструкции имеют неплохие эксплуатационные характеристики, что позволяет считать такую конструкцию одной из наиболее перспективных.

Существуют конструкции, которые предусматривают защиту от уравновешивающего давления потока на обратную сторону крыла. Делается щит по форме части окружности, закрывающий от ветра участок с обратной стороной лопастей таким образом, что ветер воздействует только на рабочую сторону. Для наведения ротора на ветер, т.е. поворота системы при изменении направления потока, делается устройство типа флюгера, поворачивающее защиту в нужную сторону по ветру.

Эффективность всех этих видов примерно одинакова. Принципиальной разницы в характеристиках также не имеется, основные различия лежат в области уменьшения шума, снижения нагрузок на вал, выравнивания режимов вращения.

Преимущества и недостатки ветрогенераторов с вертикальной осью

Вертикальный ветрогенератор — конструкция, удачная для создания своими руками. При всем разнообразии вариантов исполнения, на многие из них до сих пор нет математической модели вращения, что не позволяет создать корректную методику расчета. При этом, такая ситуация способствует активному развитию моделирования всех разновидностей ветрогенераторов и отработке их технических параметров.

Основными преимуществами ветрогенераторов с вертикальной осью принято считать:

• простота конструкции, возможность изготовления практически любого типа своими руками
• стабильность, устойчивость режимов работы, вызванная способностью одинаково реагировать на потоки ветра любого направления
• отсутствует нужда в механизме наведения оси вращения на поток, без чего не могут функционировать генераторы с горизонтальным вращением
• для того, чтобы изготовить вертикальный ветрогенератор своими руками, требуются относительно малые затраты денег, времени и труда. Основная статья расходов — непосредственно генератор, а вращающиеся части могут быть изготовлены буквально из подручных средств

Недостатками вертикального ветрогенератора считаются:

• эффективность работы ниже, чем у горизонтальных конструкций
• при работе устройства издают шум, который сложно устранить, так как он происходит из-за контакта потока воздуха и материала лопасти
• высокий уровень вибраций и резких изменений режимов вращения создают сильную нагрузку на подшипники, способствуя быстрому выходу подвижных деталей и узлов из строя
• для создания вертикального генератора требуется большее количество материалов, чем для горизонтальных образцов

Место установки ветрогенератора

Для монтажа ветрогенератора потребуется открытая площадка, не имеющая вблизи препятствий, способных закрыть устройство от ветровых потоков. Высота подъема мачты над уровнем грунта может быть относительно мала, около 3 метров. Примечательно, что с точки зрения эффективности контакта лопастей с ветром, подъем устройства на большую высоту мало влияет на рост производительности генератора, так как поднять ротор на значительную высоту нереально, а изменения в 2-3 метра никаких существенных выгод не приносят.

При этом, необходимо помнить о длине кабеля и его сопротивлении. Большая длина вызовет падение напряжения и потребует значительных расходов на дорогостоящий кабель, поэтому слишком большого удаления от дома делать не рекомендуется, так же, как и чрезмерно приближать ветряк. Вибрации и шум от вращающегося ротора будут очень докучать жителям дома, вызовут нарушения сна и потребуют перемены места установки устройства.

Как самостоятельно изготовить ветрогенератор вертикального типа

Самостоятельное изготовление ветрогенератора вполне возможно, хотя и не так просто, как может показаться на первый взгляд. Понадобится либо собрать весь комплект оборудования, что весьма сложно, либо некоторые его элементы приобрести, что довольно дорого. В состав комплекта могут входить:

• ветрогенератор
• инвертор
• контроллер
• комплект аккумуляторов
• провода, кабели, вспомогательное оборудование

Оптимальным вариантом станет частичное приобретение готового оборудования, частичное изготовление своими руками. Дело в том, что цены на узлы и элементы очень высоки, доступны не для всех. Кроме того, высокие единовременные вложения заставляют задуматься, нельзя ли эти средства реализовать более эффективным образом.

Система работает следующим образом:

• ветряк вращается и передает момент на генератор
• возникает электрический ток, который заряжает аккумулятор
• аккумулятор присоединяется к инвертору, преобразующему постоянный ток в 220 В 50Гц переменного тока.

Сборку обычно начинают с генератора. Наиболее удачным вариантом является сборка 3-фазной конструкции на неодимовых магнитах, позволяющей вырабатывать соответствующий ток.

Вращающиеся части делаются на основе одной из систем, наиболее доступной для воссоздания своими руками. Лопасти изготавливаются из отрезков труб, распиленных пополам металлических бочек или согнутого определенным образом листового металла.

Мачта сваривается на земле и устанавливается в вертикальное положение уже в готовом виде. Как вариант, делается из дерева сразу на месте установки генератора. Для прочной и надежной установки следует сделать для опор фундамент и закрепить мачту анкерами. При большой высоте ее следует дополнительно закрепить растяжками.

Все узлы и детали системы требуют подгонки друг к другу по мощности, настройки работоспособности. Заранее сказать, насколько эффективным будет ветрогенератор, невозможно, так как слишком много неизвестных параметров не позволят вычислить характеристики системы. При этом, если изначально закладывать систему под определенную мощность, то на выходе всегда получаются довольно близкие значения. Основным требованием становится прочность и аккуратность изготовления узлов, чтобы работа генератора была достаточно стабильной и надежной.

Источник

Плюсы и минусы вертикальных ветрогенераторов, их виды и особенности

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

На ортогональный ротор устанавливают дополнительные статические экраны для увеличения производительности

Геликоидный ротор имеет сложную конструкцию

Плюсы вертикальной оси

Положительные качества всех вертикальных ветрогенераторов:

1. Не направляются по ветру, работают при любой его направленности.
2. В отличие от ветрогенераторов с горизонтальной осью, имеет только одну ось вращения, следовательно бо́льший срок службы.
3. Возможна установка на небольшой высоте — от 1,5м, в зависимости от модели.
4. Все важные подвижные элементы находятся в нижней части генератора, что позволяет удобно его обслуживать.

Важно. При необходимости вал ротора увеличивается до необходимой длины для удобства доступа к статору, без существенной потери КПД.

Минусы

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

Видео. Геликоидный ветрогенератор

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

Источник