Роторный ветрогенератор с вертикальной осью вращения

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

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения российского производства

Один из способов получения энергии – это использование силы ветра. Установив ветряной преобразователь, можно превратить кинетическое движение воздушных масс в механическое вращение ротора, с которого, в свою очередь, перенаправить крутящий момент, например, на электрический генератор. Таким образом, будет выработана электроэнергия от возобновляемого природного источника, — ветра.

Устройства, преобразующие движение воздушных потоков в электрическую энергию, называют ветряными генераторами (ветрогенератор, ветряк).

Основное деление осуществляется по конструктивной особенности:

• ветрогенератор с горизонтальной осью вращения основного ротора;
• механизм с вертикальной осью вращения.

В этой статье будут рассмотрены устройства с вертикальной осью вращения основного ротора.

Вертикальные ветряки

Общее устройство вертикальной конструкции состоит из нескольких узлов:

1. Колесо с лопастями, — основной ротор, воспринимающий силу воздушного потока. Назначение – преобразование кинематической энергии ветра в механическую, путём создания крутящего момента на валу.
2. Редуктор, — синхронизирует вращательное движение и создаёт определённую скорость вращения вала генератора.
3. Генератор, — устройство, вырабатывающее электрический ток посредством преобразования крутящего момента в магнитное поле и создания в проводке разности напряжений.
4. Аккумуляторная батарея, — накапливает и выдаёт постоянный ток величиной около 12 Вольт.
5. Инвертор, — устройство, предназначенное для преобразования постоянного тока в переменный со значением 220 Вольт.

Принцип работы

Движущийся с определённой скоростью воздушный поток встречает на своём пути препятствие в виде лопасти ветрогенератора. Ударяясь о поверхность, ветер создаёт на ней давление, под воздействием которого, ротор начинает вращаться и передаёт через редуктор на генератор крутящий момент. Последний начинает вырабатывать электрический ток.

Далее, электроэнергия поступает на контроллер, преобразовывается в постоянный ток и отправляется на подзарядку аккумуляторных батарей. Они, в свою очередь, транслируют поток электричества к потребителю через инвертор. Это устройство, потребляя ток постоянных величин, выдаёт переменное напряжение в 220 Вольт.

Преимущества и недостатки

Достоинства:

1. Малые начальные значения скорости ветра для начала движения ротора ветрогенератора. Для отдельных моделей эти показатели начинаются с 0,3м/сек. Но следует учитывать, что реальная отдача от ветряка начнётся при движении воздушного потока со скоростью не менее 3–5м/сек. Номинальная мощность генератора будет при скоростных показателях, находящихся в диапазоне 10–18 м/сек.
2. Не зависит от направления движения воздушного потока, — конструкция вертикального ветряка способна улавливать ветер под любыми углами атаки ветра.
3. Вертикальный ветрогенератор обладает низким звуковым фоном, — значения, в отличие от горизонтальных конструкций, редко превышают порог в 18–20Дб. Кроме этого, отсутствуют частоты близкие к нижнему порогу, — так называемый инфразвук, который негативно сказывается на здоровье человека. Отсюда следует, что монтаж установок возможен непосредственно рядом с жильём людей.
4. Выработка электромагнитного излучения минимальна и не ощущается окружающими. Конструкция не создаёт опасных и разрушительных вибраций.
5. Вертикальный ветрогенератор не опасен для птиц, в силу того, что он воспринимается ими как единое препятствие, которое надо обогнуть. Для горизонтального устройства, — опасность для пернатых представляют движущиеся лопасти, которые птицы не ассоциируют с препятствием и поэтому сталкиваются с ними.
6. Ветряк на вертикальной оси, благодаря своей конструкции, не требует принудительных механизмов для запуска, — движение ротора начинается при достижении воздушным потоком минимальных значений давления.
7. Работает при любых климатических условиях, может противостоять сильным порывам ветра, вплоть до ураганных значений.
8. Устройство просто в эксплуатации, — несложная система управления и малые текущие расходы, необходимые для поддержания рабочего состояния, делают этот тип ветряка привлекательным для частного использования.

Недостатки:

1. Коэффициент эффективного преобразования ветрового потока у вертикальной конструкции в 2–2,5 раза ниже по сравнению с горизонтальным устройством.
2. Вертикальный ветрогенератор обладает большей материалоёмкостью, нежели конструкции, выполненные по другим схемам.
3. С определённого значения мощности, некоторые конструкции сильно увеличиваются в размерах, что негативно сказывается на планировке полезной площади участка.

Виды ветрогенераторов с вертикальной осью вращения

Многочисленные конструкции с вертикальной осью вращения объединяются в основные группы:

• ветрогенератор с ротором Дарье, — ортогональное устройство;
• генератор на роторе Савониуса;
• вертикально-осевая конструкция ротора;
• геликоидный ротор;
• многолопастная конструкция с направляющими элементами.

Ротор Дарнье

Внешне, такой ветрогенератор выполнен с двумя или тремя лопастями, изогнутыми в форме овала.

Плюсы:

• самостоятельная ориентация на направление воздушного потока;
• основной вал привода располагается вблизи уровня земли, что создаёт удобство в его обслуживании;
• простая кинематическая схема конструкции.

Минусы:

• отсутствует возможность в самостоятельной раскрутке;
• высокая нагрузка на опорные узлы, вызванная динамическим воздействием от воздушных потоков;
• необходимость строго придерживаться заданного профиля лопасти по всей её длине;
• достаточно шумен в работе.

Ротор Савониуса

Представляет собой конструкцию, в которой лопасти ротора выполнены в виде цилиндрических поверхностей.

Достоинства:

• способность запускаться при малых значениях ветра, — движение начинается при значениях от 3м/сек;
• быстрый набор высоких показателей крутящего момента;
• высокая надёжность конструкции;
• недорог в производстве.

Недостатки:

• малая эффективность преобразования воздушного потока, отсюда, выпуск устройств с мощностью не превышающей 4–6кВт.

Ротор Савониуса зачастую применяют в комбинированных устройствах, — для разгона ветрогенератора, выполненного по схеме ротора Дарье.

Вертикально-осевой ротор

Отличительная особенность такого ветрогенератора – это то, что вертикально расположенные лопасти имеют профиль авиационного крыла, ось которого параллельна вертикальному валу.

Внешне близок в ротору Дарье, но более прост в изготовлении. Быстро набирает рабочую скорость, при этом существенно меньше издаёт звуковых волн. Конструкция отличается надёжностью при эксплуатации.

Геликоидный ротор

Этот тип устройства продолжает развитие вертикально-осевого ротора. Лопасти последнего выполнены в форме геликоидной кривой, что придаёт конструкции более равномерное вращение и снижает нагрузки на опорную часть.

Изгиб лопастей ротора по диагонали способствует быстрому набору скорости. Эффективность использования ветрового потока близка к горизонтальным устройствам. В то же время, это вызывает повышенный шум при работе и производству звуковых волн, расположенных в коротковолновой части звукового спектра.

Геликоидный ротор дорог в производстве из-за сложной конфигурации профиля лопастей.

Многолопастной ротор

В основе лежит вертикально-осевая конструкция, дополненная внешним кольцом неподвижных лопастей. Такая схема способствует увеличению полезной площади захвата воздушного потока, его сжатию и ускорению, что приводит к повышению эффективности ветрогенератора в целом. Кроме этого, конструкция чувствительна к слабым воздействиям ветра.

Выбор ветрогенератора с вертикальной осью вращения

А. Ортогональный
С. Геликоидный ротор или Ротор Горлова
D. Многолопастной ротор
E. Ротор Дарье

Перед выбором ветрогенератора следует провести анализ о целесообразности его применения. Что необходимо знать:

• общее средневзвешенное количество дней с силой ветра более 3м/с;
• примерную потребность в электроэнергии;
• возможность установки ветрогенератора на собственном участке.

Климатические условия

Получить данные о ветровой обстановке в месте, где предполагается установка ветрогенератора, можно в метеостанции или воспользоваться данными, приведёнными в интернете или печатных изданиях по географии.

Провести климатические замеры представляется непродуктивным занятием в силу ряда причин:

• необходимо приобрести достаточно дорогое специальное оборудование, в том числе прибор анемометр, фиксирующий скорость ветра;
• наблюдения потребуется снимать в течение минимум одного года;
• желательно организовать несколько точек фиксации воздушного потока, расположенных по высоте на 1, 3–5 и, например, 8–10 метров.

Снятие показателей по высоте объясняется несколькими факторами:

• помехами, вызванными зелёными насаждениями на участке, хозяйственными постройками и забором;
• расположением участка в глубине населённого пункта или дачного товарищества;
• нахождением дома в глубине лесного массива;
• на движение воздушных масс сильно скажется долина, зажатая среди холмов, — это заметно снизит скорость ветра в приземном слое; в то же время, склон холма или крупный водоём способствуют ускорению передвижения воздушных потоков.

Исходя из вышеприведённых сведений, следует:

1. Ветрогенератор – как вспомогательный источник электроэнергии, например, для питания теплового насоса при геотермальном отоплении или подъёма воды из скважины и других бытовых нужд. Использование устройства в таком качестве возможно при нахождении дома в глубине населённого пункта, что вызывает ограничения по установке, — при необходимости в мощной конструкции, её необходимо приподнимать над уровнем земли на высоту не менее 3–5 метров, а это потребует дополнительных точек крепления и занятия части земельного участка.
2. В случае наличия достаточного свободного пространства, расположения дома на открытом месте, на склоне возвышенности или у крупного водоёма, ветер можно рассматривать как основной источник энергии. Вкупе с солнечными батареями и запасным мотогенератором, ветряной двигатель вполне можно рассматривать в качестве альтернативного источника энергии. Кроме этого, энергия ветра, пожалуй, единственный доступный, достаточно дешёвый возобновляемый источник энергии для удалённых от стационарной электросети, мест.

Для задумывающихся или решивших о приобретении ветрогенератора, приводим ряд простых методов и наблюдений, с помощью которых приблизительно можно определить скорость ветрового потока:

Признаки движения воздушных масс	Наименование ветра	Скорость, м/сек
Дым из печной трубы поднимается вертикально вверх без искажений	Штиль	0
Дым имеет незначительный наклон. Листья деревьев издают слабый шелестящий звук	Очень слабый	1–3
Ветки деревьев заметно раскачиваются	Лёгкий	4–5
Происходит заметный изгиб веток и сучьев	Умеренный	6–7
Верхушки деревьев издают значительный шум и раскачиваются	Свежий	8–9
Происходит наклон тополей, осин. Толстые ветки начинают сильно гнутся	Очень свежий	10–11
Срываются листья с деревьев, ломаются тонкие сучья	Сильный	12–14
Происходит слом небольших и средних веток	Резкий	15–16
Ломаются толстые ветки и сучья. Растрескиваются верхушки деревьев	Буря	17–23
Выламываются с корнем высокие деревья	Ураган	24–33

Один из народных методов определения скорости ветра (применим для слабых значений):

• берётся сухая бумага, например, газетная, площадью около 1 см²;
• с высоты около 1 метра отправляется в свободный полёт;
• фиксируется расстояние, на котором бумажка коснётся земли, и время её полёта;
• скорость ветра рассчитывается по формуле V = S/t,

где: V – скорость ветра в м/сек;

S – путь, пройденный бумажкой, в метрах;

t – время свободного полёта в секундах.

Потребность в электроэнергии

Для определения количества необходимой энергии необходимо сложить все максимальные мощности электроприборов в доме и на участке, — это и будет пиковая нагрузка. Такое случается очень редко, но рассчитывать необходимо из максимума, — «сэкономленные» ватты электроэнергии пойдут как своеобразный коэффициент надёжности.

В то же время, особенность работы ветроустановки заключается в том, что электроэнергия забирается от аккумуляторных батарей, а генератор их подзаряжает. Поэтому, например, в ночное время, в период минимального расхода тока, энергия ветра полностью идёт на восполнение ёмкости батареи.

Возможность монтажа на участке, экономическая целесообразность

Самые существенные препятствия для установки ветрогенератора на своём участке – это взаимосвязь цены, мощности и занимаемой площади на установку.

Например, для вертикально-осевого генератора с тремя лопастями изменения цены, мощности и диаметра составят (данные усреднённые):

• 1 кВт, высота мачты 4м, диаметр турбины около 2 метров, высота лопасти 2 метра, цена 140000 рублей;
• 2 кВт, мачта 4 метра, турбина 2,6 м, лопасть 4 м, цена 180000 руб.;
• 5 кВт, мачта 6 м, турбина 3,6 м, лопасть 6 м, цена более 360000 руб.

Из приведённого примера видно, что цена увеличивается почти в три раза, а расход полезной площади, с учётом растяжек, крепящих мачту, увеличивается до 10 метров.

Поэтому, для владельцев относительно небольших участков, — до 6 соток, расположенным в коллективных товариществах, представляется возможным приобретение агрегатов мощностью до двух киловатт, монтируемых на мачтах до 4-х метров высотой или установка на крыше здания.

При отсутствии в ограничении свободных земельных участков под силовую установку, решение о монтаже ветряка упирается только в финансовый вопрос. Целесообразность в использовании силы ветра определяется суммой затрат на всё оборудование и наличием стационарной электросети.

В случае периодических отключениях электричества, необходимо просчитать экономическую часть, то есть определить общую сумму затрат, которая пошла на покупку и монтаж ветроустановки и сравнить её, например, для варианта с использованием мотогенератора.

Вполне возможно, что периодическое применение такого вида оборудования вместе с расходами на топливо и обслуживание, будет более выгодным, нежели использование силы ветра.

Российские производители ветрогенераторов

На рынке России представлена зарубежная и отечественная продукция, которая по многим показателям не уступает, а порой и превосходит импортные аналоги, — по части цены, точно.

Приведём несколько серьёзных местных производителей, у которых можно приобрести не только промышленные изделия, но и заказать доработку их под свои нужды:

EDS-Group

EDS-Group, является одним из ведущих российских производителей ветрогенераторов, в том числе с вертикальной осью вращения. Находится в г.Омск.

Выпускает модели:

• cерия вертикально-осевых конструкций Sokol Air Vertical мощностью 0,5–15 кВт и стоимостью 130000–1020000 рублей;
• cерия вертикально-осевых конструкций Falcon Euro мощностью до 120 кВт и стоимостью 135000–1050000 рублей.

Сальбамаш

Питерский производитель альтернативных источников энергии. Производит ветряные электростанции ОСА, выполненные по вертикально-осевой схеме с прямыми лопастями. Мощность установок составляет 300–3000 Вт. Стоимость конструкций 100000–350000 рублей (цена дилеров). Кроме этого, появилась новинка, ветротурбина РосТок. Её отличие – лопасти выполнены по спиралевидной форме.

АКБ Миллениум

Московский производитель ветрогенераторов с мощностью 0,4–250 кВт. Стоимость для потребителей устанавливается индивидуально, по договору.

EnergyWind

Российский производитель ветрогенераторов, выполненных по горизонтальной схеме, — приводится для сравнения. Мощность установок 1–10 кВт, цена 68000–600000 рублей.

Первые две компании будут наиболее интересны для индивидуальных застройщиков, интересующихся схемами вертикальных ветрогенераторов. Тем, кто силён в механике и электрике, представляется великолепная возможность сконструировать и самостоятельно сделать ветрогенератор своими руками.

Практические советы

• Как можно тщательней проанализируйте ветровую обстановку в районе расположения своего существующего или будущего дома. Среднегодовые данные должны быть не менее 3м/сек.
• Изучите предлагаемые конструкции ветрогенераторов. Учтите возможности выработки электроэнергии при слабых ветрах, а также площадь части участка, которую придётся вывести под монтаж ветроустановки.
• Проведите экономический анализ затрат на весь комплект оборудования, входящий в ветровую электростанцию, и его монтаж, с одной стороны. С другой, — стоимость прокладки стационарной электросети до участка. При этом учтите, — стоимость ветровой энергии будет обходиться бесплатно!
• Наиболее практичная конструкция, на наш взгляд, — это ветро-осевой генератор с дополнением солнечными панелями и дизельным мотор-генератором.

Источник