Ветрогенератор без лопастей своими руками

Использование безлопастного ветрогенератора: принцип работы, конструкция и устройство ветряка будущего

Обновлено: 30 марта 2021

Ветроэнергетика прочно заняла свою нишу среди других способов производства электроэнергии. Доля произведенного промышленными ветрогенераторами электротока от общего количества потребляемой энергии, например, в Дании, составляет 36%. Возможности этого метода еще не изучены полностью, а обилие новых разработок, постоянно появляющихся и демонстрируемых конструкторами, говорит о перспективности этого направления.

Слишком заманчиво производить энергию из ветра, который достается совершенно бесплатно и в неограниченном количестве. Энергия есть, ее много, надо только суметь получить.

Ветряки необычных конструкций

Согласно расчетным данным, максимально возможный КПД ветрогенератора составляет 59,3%. Причина этого кроется в особенностях конструкции ветряков и в большом количестве потерь на трение, передачу вращения и прочих тонких эффектах, в сумме отбирающих половину (а то и больше) эффективности устройств. Ограниченные возможности существующих ныне ветрогенераторов стали причиной активного поиска более удачных конструкций, работающих на иных принципах и способных к более интенсивному приему энергии ветра.

Наиболее привлекательна идея отказаться от привычных лопастей и пойти по пути использования более простых конструкций. Это позволит снизить расходы на производство и обслуживание, увеличит срок службы, снизит уровень шума и опасность для птиц и животных. Разработки, уже имеющиеся в этом направлении, сулят большие перспективы в случае их широкого распространения.

Ветрогенератор без лопастей

Безлопастные ветрогенераторы разрабатываются уже довольно давно, но дальше предложенных проектов пока дело не заходило. Наконец, испанская компания Vortex представила полноценную рабочую конструкцию ветротурбины, полностью лишенной лопастей.

Вариант, предложенный Vortex, вызвал немалый интерес среди представителей научных и деловых кругов. Учитывая скептицизм, который принято испытывать по отношению к различным «непонятным» конструкциям, подобное отношение наглядно демонстрирует наличие проблемы и существование серьезной заинтересованности в ее решении.

Существуют и другие безлопастные конструкции, например, парусные ветряки, не имеющие вращающихся частей, а использующие силу давления ветра на сплошное полотно. Поток, взаимодействующий с парусом, используется полностью, но велики потери при передаче энергии на систему поршней, от которых приводится во вращение генератор. Кроме того, сильный порыв ветра создает большую нагрузку на полотно, что создает угрозу разрушения или опрокидывания мачты с ветряком.

Все имеющиеся до сего времени варианты конструкции безлопастных ветрогенераторов имели общий недостаток — они использовали для производства энергии обычные тихоходные генераторы, нуждающиеся во вращении. Поэтому любая разработка имела один и тот же проблемный узел — участок преобразования полученной энергии во вращательное движение.

Специалисты Vortex, похоже, нащупали способ решения проблемы, отказавшись от традиционных генераторов.

Как устроены безлопастные ветряки?

Конструкция, которую вынесли на суд общественности инженеры Vortex, по их заверениям, имеет большую эффективность, экономичность, экологическую чистоту. Внешне устройство выглядит необычно и несколько футуристически — ветряк представляет собой вытянутый конус, установленный на вершину.

Определить на вид предназначение такого сооружения невозможно, если заранее не иметь о нем никакого представления. При работе никакого вращения нет, устройство лишь слегка раскачивается под действием ветра. Компания планирует начинать массовое производство с небольших моделей, имеющих вес 10 кг, высоту 3 м и развивающих мощность 100 Вт. Параллельно разработана более солидная установка на 4 кВт, имеющая 13 м высоты и вес 100 кг.

В ближайшее время предстоит тестовый запуск станции из 100 столбов, которые будут обеспечивать электроэнергией 300 частных домов в Шотландии. В планах компании проект создания мегаваттной установки, способной обеспечивать энергией серьезные количества потребителей в масштабе больших городов, крупных промышленных предприятий. Проект получил широкую поддержку экологических организаций и общественных движений.

Принцип работы

Действие генератора основано на образовании воздушных завихрений, которые создаются при обтекании потоками ветра цилиндрических препятствий. Конусообразная форма устройства способствует раскачиванию, чувствительность к нарушению равновесия является важным показателем работы ветряка.

Образующиеся вихри создают достаточно сильную вибрацию, приводящую в движение всю конструкцию столба, на изменение положения реагируют чувствительные магниты, создающие сильное поле. Эффект образования завихрений, создающих цепочки возмущений потока, известен уже более 100 лет. Он впервые описан и рассчитан Теодором фон Карманом в 1912 году, но на пользу его никто не пытался обратить.

Воздушные завихрения, использованные в основе конструкции, до сих пор считались вредными паразитными проявлениями. Их влияние способно к серьезным воздействиям на конструкцию, что наглядно продемонстрировал мост Такома-Нарроуз в Америке, который разрушился из-за таких колебаний. Подобных примеров, приведших к сильной раскачке мостовых конструкций, можно привести достаточно много. Ветрогенератор, предложенный компанией Vortex, является первой попыткой направить эти силы на пользу.

Испытания, проведенные специалистами, показали, что наилучшие показатели достигаются при использовании нескольких установок, расположенных неподалеку друг от друга. Колебания, инициированные первым столбом, улавливаются второй конструкцией, усиливаются и направляются дальше — нарастающей. Такая способность натолкнула конструкторов на мысль о необходимости использовать не отдельные устройства, а комплекты, дающие сильный эффект, производящие большее количество энергии.

Ветрогенераторы будущего

Усиленные исследования в области безлопастных конструкций дают основания предполагать рост производства подобных изделий. Существующие уже сегодня разработки сулят большие перспективы этому направлению, поскольку экономичность и эффективность таких моделей даже на стадии макетирования намного превышают показатели сегодняшних промышленных образцов.

Исследователи, конструкторы не хотят мириться с недоступностью дармовой, неисчерпаемой энергии ветра, использование которой позволяет отказаться от опасных или вредных для окружающей природы атомных или гидроэлектростанций.

Возможности ветрогенераторов пока не могут полностью решить проблему, но, по мере появления более успешных разработок, неминуемо начнут понемногу занимать место отработавших свой срок службы нынешних энергетических гигантов. Такой процесс будет плавным, резкого перехода не будет, поэтому каких-либо неудобств или потерь никто не почувствует.

Создание бесшумных, не имеющих вращающихся частей установок значительно снизит их себестоимость, что отразится на цене конечного продукта — электроэнергии, увеличит ее доступность, позволит всем без исключения пользоваться энергией ветра.

Источник

Безлопастной ветрогенератор. Устройство и принцип работы.

Безлопастной ветрогенератор

Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня узнаем, что такое безлопастной ветрогенератор, рассмотрим общее устройство и принцип работы, узнаем где применяется. И так…

У специалистов по альтернативной энергетике давно сформировался стереотип относительно того, как должны выглядеть правильные и эффективные ветрогенераторы. Такое положение дел вовсе не удивительно, ведь ветрогенераторы возводятся каждый год по всему миру, и это всегда огромные сооружения с лопастями, похожие на гигантские ветряные мельницы. А что до безлопастных ветрогенераторов, то к ним отношение, как правило, в среде альтернативщиков весьма и весьма скептическое.

Тем не менее разработчики новых решений не спешат останавливаться в своем энтузиазме. И вот, в 2015 году, испанская компания Vortex Bladeless предложила новый вариант и уже готовую модель решения, показывающую, как могут быть устроены ветрогенераторы, не уступающие по эффективности традиционным лопастным, однако превосходящие их как по безопасности, так и по экономичности производства и по возможностям установки.

Безлопастной ветрогенератор Vortex Bladeless

Компания Vortex Bladeless представила модель и рабочий макет принципиально нового ветрогенератора, совсем не похожего на обычные ветряки. Здесь нет вращающихся на ветру лопастей, и вообще не предусматриваются крупные вращающиеся части.

Генератор отнюдь не похож на ветряную мельницу, скорее он напоминает большую биту для бейсбола, установленную вертикально на ручку, и покачивающуюся под действием дующего на нее ветра. Но ведь ветер не всегда дует порывами, — может возразить кто-то, — и как же тогда будет раскачиваться эта гигантская бита, она же просто нагнется и так и будет неподвижно стоять словно дерево? На самом деле все совсем не так!

Принцип, по которому вертикальный безлопастной ветрогенератор станет покачиваться на ветру — не связан с порывами ветра. Принцип заключается в раскачивании вертикального генератора невидимыми вихрями воздуха, образующимися в форме цепочки позади цилиндрических объектов, обдуваемых газом или обтекаемых жидкостью в поперечном направлении.

Данный феномен был объяснен в далеком 1912 году американским физиком и специалистом по аэродинамике и воздухоплаванию Теодором фон Карманом. А явление образования цепочек вихрей вокруг обдуваемой газом или обтекаемой жидкостью, вертикальной оси назвали в честь ученого «дорожкой Кармана». Это явление и положено разработчиками в основу уникального безлопастного ветрогенератора.

Вихревая дорожка Кармана

Ветряной генератор от Vortex вдвое дешевле в производстве, чем лопастная турбина аналогичной мощности, а затраты на регулярное обслуживание меньше в пять раз! К тому же количество выделяемых парниковых газов на 40% ниже, работает генератор тише, и почти полностью безопасен для птиц и летучих мышей.

А что касается эффективности в целом, то вертикальные безлопастные генераторы можно будет устанавливать на меньшей площади и получать таким образом больше электроэнергии, чем от тех же лопастных ветрогенераторов, требующих огромных площадей дабы турбине было где размахнуться. Этот фактор крайне важен при возведении крупных ветряных электростанций, а вертикальных генераторов можно установить несколько, и близко друг к другу — электростанция получится более компактной.

Мало того, разработчики проверили аэродинамику системы из двух своих ветрогенераторов, когда один стоял позади другого, и оказалось, что тот который стоял сзади — раскачивался еще сильнее, ведь он повторно использовал вихри от первого.

Безлопастной ветрогенератор Vortex Bladeless

Авторы проекта уверены, что для частных домовладений будет достаточно небольших ветрогенераторов Mini высотой в 12,5 метров на номинальную мощность в 4 кВт, а основу крупных ветряных электростанций составят разрабатываемые модели Gran на 1 МВт каждый. Еще на начальном этапе исследований, в 2012 году, европейские инвесторы вложили в Vortex Bladeless порядка 1000000 евро, и по сей день проект представляется очень перспективным.

Установка безлопастного ветрогенератора

Конструктивно ветряк состоит из двух частей. Верхняя часть обладает неровной поверхностью, и именно она раскачивается и генерирует воздушные вихри дорожки Кармана вокруг себя. В неподвижной нижней части конструкции расположены элементы электрогенератора.

Установка спроектирована таким образом, чтобы раскачка происходила на резонансной частоте, совпадающей с частотой вихрей в образуемой дорожке Кармана. Так ветер раскачивает верхнюю часть ветряка, используя явление механического резонанса. И если раньше такой резонанс разрушал мосты и другие сооружения, то теперь он сможет генерировать электроэнергию, проявляя свой разрушительный потенциал более дружелюбно.

Сначала специалисты компании успешно протестировали прототипы на 2 кВт, рассчитанные на ветер, дующий со скоростью от 1,5 до 7 м/с; модели на 4 кВт рассчитаны на 3-15 м/с, и так возможно масштабирование вплоть до единиц мегаватт. Главные составные части будущих ветряных электростанций на новых генераторах — вертикальные генераторы Vortex Bladeless на 1 МВт, высотой 150 метров, из которых можно будет собрать огромную электростанцию необходимой мощности.

В основании подвижной части расположены два кольца отталкивающихся магнитов

Всех тонкостей разработчики, конечно, не раскрывают, однако кое-что известно. В основании подвижной части расположены два кольца отталкивающихся магнитов. Когда ветер нагибает структуру в одну сторону, магниты тянут в другую сторону, и эти небольшие нажимающие и выталкивающие движения как раз и способствуют проявлению кинетической энергии, возникающей в процессе кругового покачивания башни. Эта энергия затем преобразуется в электрическую при помощи линейного генератора переменного тока. Частота колебаний башни достигает 20 Гц.

Безлопастной ветрогенератор

Исследования продолжались долго, и на различных этапах устройство непрерывно совершенствовалось. Более 200 моделей было изготовлено, и каждая из них была испытана разработчиками в аэродинамической трубе. Чтобы геометрия мачты наконец позволила бы собирать столько энергии ветра, сколько максимально возможно, и чтобы собственная частота мачты Vortex Bladeless могла бы изменяться, дабы подстраиваться в резонанс с дорожкой Кармана.

Источник

Ветряк своими руками или как получить свет с помощью ветра

Электрическая схема

Самый простой способ построить своими руками ветрогенератор достаточно большой мощности — это задействовать в его электрической схеме узлы от грузового автомобиля, трактора, автобуса или другой мощной машины. Для того чтобы обеспечить наилучшую совместимость электрооборудования, желательно брать все узлы в комплекте (генератор, аккумулятор и реле-регулятор), от одной модели автомобиля.

Рис.4. Схема электрооборудования:

1. Генератор;
2. Реле-регулятор;
3. Аккумулятор;
4. Амперметр;
5. Выключатель генератора (предохраняет аккумулятор от разряда в безветренную погоду);
6. Выключатель освещения;
7. Предохранитель;
8. Лампы освещения.

Постоянный ток напряжением 12 V, которое выдаёт автомобильный генератор, подходит далеко не для всех целей. При необходимости, его можно превратить в переменный ток напряжением 220 V. Это можно сделать, укомплектовав генератор преобразователем напряжения промышленного изготовления или изготовленным своими руками.

Рис. 5. Схема преобразователя

На рис.5. приведена схема простого преобразователя напряжения, мощности которого (100 Вт) хватит для питания двух ламп дневного света или другого маломощного электрооборудования. В отличие от выпускаемых промышленностью преобразователей большой мощности, эта схема не требует настройки и может быть легко изготовлена своими руками. Аккумулятора 75 а/ч хватит на сутки работы преобразователя, без его подзарядки. КПД устройства составляет 80,0%.

Трансформатор преобразователя намотан на сердечнике площадью сечения 6,0 см2. Обмотка I — ПЭВ-2 1,56 26х2 витка, обмотка II — ПЭВ-2 0,44 140х2 витка, обмотка III — ПЭВ-1 0,27 640,0 витков. Транзисторы Т1, Т2 — П210Б (допускается замена на КТ 825 с буквенными индексами Г, Д, Е) устанавливаются на теплопроводящие радиаторы. Если преобразователь не возбуждается, следует поменять местами плечи обмотки обратной связи (обмотки II).

Мощные модели

Самостоятельное изготовление мощных моделей ветрогенераторов требует больших усилий и теоретической подготовки. Прежде всего, требуется создание мощного генератора, требующего расчетов, правильной сборки, использования качественных материалов. Кроме того, надо сделать ротор, действующий при слабых ветрах, но способный создавать достаточное усилие для генератора. Также потребуются соответствующие устройства обработки электротока, каркас, мачта и прочие элементы конструкции и электроники.

Ветрогенератор мощностью более 1 киловатта

Ветряки подобной мощности имеются в продаже. Покупка установки позволяет получить готовое устройство с заранее известными параметрами, изготовленное из соответствующих материалов. Цены на такое оборудование начинаются от 30000 руб, что доступно не каждому пользователю.

Кроме того, потребуется сопутствующая электроника, аккумуляторы и прочая аппаратура, что увеличит расходы примерно вдвое. Дороговизна установок является основной причиной распространения моделей ветряков, сделанных своими руками.

Вертикальный ветряк своими руками (5 квт)

Существует несколько вариантов изготовления устройство такой мощности:

• роторная конструкция
• цепочка парусных крыльчаток, установленных последовательно
• использование аксиального генератора на неодимовых магнитах

Выбор наиболее удобного варианта зависит от степени подготовки и технической базы пользователя. Рекомендуются вертикальные конструкции, независимые от направления ветра и не нуждающиеся в установке на высокие мачты.

Наиболее удачно отвечают требованиям карусельные многолопастные конструкции на основе ротора Савониуса. Существуют и промышленные установки такого класса, приобретение которых ускорит решение вопроса и позволит получить профессионально изготовленный комплекс с гарантированными параметрами.

Основные понятия

1. КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
2. КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
3. Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
4. Максимально допустимая скорость ветра (МДС) – его скорость, при которой выработка энергии прекращается: автоматика или отключает генератор, или ставит ротор во флюгер, или складывает его и прячет, или ротор сам останавливается, или ВСУ просто разрушается.
5. Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
6. Отрицательная стартовая скорость (ОСС) – это значит, что ВСУ (или ВЭУ – ветроэнергетическая установка, или ВЭА, ветроэнергетический агрегат) для запуска при любой скорости ветра требует обязательной раскрутки от постороннего источника энергии.
7. Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
8. Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
9. Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
10. Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
11. Тихоходный ветряк – в нем линейная скорость частей ротора в потоке существенно не превосходит скорость ветра или ниже ее. Динамический напор потока непосредственно преобразуется в тягу лопасти.
12. Быстроходный ветряк – линейная скорость лопастей существенно (до 20 и более раз) выше скорости ветра, и ротор образует свою собственную циркуляцию воздуха. Цикл преобразования энергии потока в тягу сложный.

Ротор Бирюкова

Изобретение Бирюкова появилось в 60-х годах прошлого века. Особенностью конструкции является устройство ротора, имеющего два «этажа» с разным строение лопастей. КПД ветряка, заявленный изобретателем, составляет 46 %, что для подобных устройств вертикального типа весьма привлекательно.

Ротор стартует как обычное устройство Савониуса, но при наборе скорости образуется воздушная подушка из завихрений, изменяющая профиль крыльчатки на более выгодный при данном режиме вращения. Усиление ветра способствует образованию вихревого кокона, который заставляет поток обтекать его словно монолитную преграду.

Виды устройств

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

• ортогональный ротор
• ротор Онипко
• гелиоцентрический ротор
• ротор Савониуса
• ротор Дарье
• ротор Угринского 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.

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.

Ветряки своими руками

5 кВт необходимой электроэнергии можно получить несколькими способами:

• построить простейшую роторную конструкцию;
• собрать комплекс из нескольких последовательно расположенных на одной оси парусных колес;
• использовать аксильную конструкцию с неодимовыми магнитами.

Важно помнить, что мощность ветряного колеса пропорциональна произведению кубического значения скорости ветра на ометаемую площадь турбины. Итак, как сделать ветрогенератор на 5 кВт? Инструкция далее

За основу можно взять автомобильную ступицу и тормозные диски. 32 магнита (25 на 8 мм) располагают параллельно по кругу на будущих дисках ротора (подвижной части генератора) на каждый диск по 16 штук, притом плюсы обязательно чередуют с минусами. У противолежащих магнитов должны быть разные значения полюсов. После разметки и размещения все находящееся на круге заливают эпоксидкой.

Катушки медной проволоки располагают на статоре. Их количество должно быть меньше, чем число магнитов, то есть 12. Предварительно все провода выводят и соединяют между собой звездой или треугольником, затем тоже заливают эпоксидным клеем. Рекомендуется перед заливкой вставить внутрь катушек кусочки пластилина. После затвердения смолы и их извлечения останутся отверстия, которые нужны для вентиляции и остывания статора.

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

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.

Лопастники

Ветряки с горизонтальной осью вращения имеют большую эффективность, так как энергия потока ветра используется только на рабочих поверхностях, не контактируя с обратными сторонами лопастей

При этом, критически важно наличие устройства, автоматически устанавливающего для ветряка направление по ветру. Обычный вариант — свободно вращающийся вокруг вертикальной оси ветряк и хвостовой стабилизатор как у самолета

Лопасти

Лопасти горизонтального ветряка являются основным элементом крыльчатки, принимающим поток и преобразующим его во вращательное движение. Эффективность работы обусловлена конструкцией и размерами.

Аэродинамика лопастей зависит от угла наклона, конфигурации, площади соприкосновения с потоком. Чем выше площадь контакта, тем большую энергию принимает поверхность, что имеет положительные и отрицательные стороны. Возрастание получаемой энергии способствует повышению фронтального давления на ветряк, способствующего разрушению конструкции.

Генератор

Генератор — устройство, преобразующее энергию вращения в электрический ток. Наряду с ротором, генератор для ветряка является основным узлом, который обслуживается всеми остальными элементами установки. Используются готовые конструкции, входящие в состав комплекта поставки или приобретенные отдельно, а также самодельные образцы, зачастую работающие лучше заводских.

Аварийный флюгер

Так среди специалистов принято называть устройство увода крыльчатки от чрезмерно сильного ветрового потока. Вращение, имеющее скорость, превышающую расчетную, создает ток большей силы и напряжения, чем это рассчитано и не нужен для оборудования.

Для исключения таких ситуаций существуют устройства торможения, одно из которых работает на принципе авторегулирования. Перпендикулярно направлению оси устанавливается специальная лопатка, жестко соединенная с ротором.

Хвостовой стабилизатор крепится к ротору через шарнир с пружиной. Когда ветер достигает слишком высокой скорости, усилие на тормозной лопатке превышает силу пружины, ротор отворачивается от ветра и прекращает вращаться со слишком высокой скоростью.

Токосъемник

Устройство подвода или, в нашем случае, съема электроэнергии — коллектор — достаточно капризный узел, требующий регулярного ухода, смазки, замены щеток и т.д. Процедура не самая простая, так как ветряк расположен на мачте, до аппаратуры надо еще добраться, что непросто. Необходимо иметь достаточно надежный и безопасный механизм опускания мачты, иначе аппаратура долго не продержится.

Лопастной ветрогенератор + солнечная панель для электроснабжения дачи

Идея совмещать солнечные батареи с ветрогенераторами возникла практически с первых дней появления этих конструкций. Привлекают абсолютно дармовая энергия ветра и солнца, которые нуждаются только в оборудовании для захвата и преобразования. Оба комплекса вполне могут работать в связке, дополняя друг друга.

Вертикалки

Ветряки с вертикальной осью вращения являются наиболее подходящей для самостоятельного изготовления группой устройств. Они имеют простую, понятную конструкцию. Не нуждаются в большом количестве узлов вращения, нетребовательны к направлению ветра. Возможности этой группы породили большое количество вариантов конструкции, некоторые из которых следует рассмотреть подробнее.

Ветрогенератор Савониуса — одна из наиболее старых разработок, увидевших свет в 20-х годах прошлого столетия. Устройство состоит из двух лопастей достаточно большой площади, изогнутых в продольном направлении. В поперечном сечении они напоминают латинскую букву S. При этом, они слегка сдвинуты друг к другу, несколько перекрывая рабочие стороны.

При воздействии потока ветра одна из лопастей получает усилие на рабочую часть, а вторая — на обратную сторону. Форма лопасти способствует рассечению потока, часть которого уходит в сторону, а другая часть соскальзывает на рабочую поверхность второй лопасти, увеличивая вращающий момент.

Дарье

Конструкция Дарье была предложена почти одновременно с ротором Савониуса. Ее основа — лопасти, имеющие форму крыла самолета и расположенные вертикально по касательной к окружности вращения. Требуется нечетное число лопастей, иначе возникнет чрезмерно высокое уравновешивающее усилие. Подъемная сила лопастей способствует возникновению высокой скорости вращения, превышающей этот показатель в 3-4 раза по сравнению с ротором Савониуса.

Математического описания работы устройства до сих пор не имеется, но разработки, выполненные на основе конструкции, существуют и постоянно пополняются. Существует большое количество моделей частных ветрогенераторов с мощностью, достаточной для обеспечения небольшого дома.

Ортогонал

Ортогональные конструкции являются наиболее эффективными из всех базовых моделей вертикальных ветряков. Они обладают высокими скоростями, чувствительностью, производительностью. Конструкция состоит из нескольких лопастей (обычно три и больше), расположенных на некотором расстоянии от оси параллельно ей. Рассмотренный выше ротор Дарье — один из представителей ортогональных устройств. К недостаткам можно отнести высокие нагрузки на узел вращения, способствующие быстрому выходу из строя движущихся деталей.

Геликоид

Геликоидные конструкции созданы на основе базовой модели ортогонального типа, но со значительными изменениями геометрии лопастей. Они изогнуты по окружности вращения, получив форму, приближенную к спиральной. В результате достигается значительная стабилизация вращения, снижается износ движущихся элементов, конструкция в целом приобретает долговечность, прочность и надежность.

Более плавный режим вращения обеспечивает равномерную выработку электрического тока, что позволяет использовать устройства для прямого питания некоторых потребителей (осветительных устройств, насосов и т.д.). Для самостоятельного изготовления конструкция представляет достаточно трудную задачу из-за сложной геометрической формы лопастей.

Бочка-загребушка

Это — «народное» название многолопастного карусельного (вертикального) ветрогенератора. Устройство имеет хороший баланс, эффективно захватывает поток ветра, низкий уровень шума. Для желающих попробовать силы в изготовлении ветряк своими руками этот вариант конструкции рекомендуется как один из базовых типов конструкции. Лопасти делаются из листовой оцинкованной стали, разрезанных вдоль бочек или иного подручного материала.

Каркас — сваривается из металлического профиля — уголка, трубы и т.п. Особенность устройства в его неуязвимости для сильных порывов ветра — вокруг крыльчатки при усилении потока образуется вихревой кокон, препятствующий проникновению ветра внутрь крыльчатки. Поток просто обтекает устройство, как трубу.

Ветрогенератор Ленца

Особенность конструкции Ленца состоит в использовании вместо подшипников сильных неодимовых магнитов. Они удерживают узел вращения в «подвешенном» состоянии, что обеспечивает легкость вращения. Отсутствие трения способствует высокой долговечности оборудования. Показатели весьма впечатляющие — старт вращения происходит при скорости ветра от 0,17 м/с, а на номинальную производительность ветряк выходит уже при 3,4 м/с.

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.

Самодельный генератор

Изготовление самодельного генератора — часто встречающаяся задача, возникающая при сборке ветряка. При создании используются разные методы:

• использование готового генератора или магнето с внесением некоторых конструктивных изменений
• создание генератора «с нуля» из подручных материалов

Оба варианта имеют свои плюсы и минусы, выбор делается на основе своих возможностей или предпочтений.

Мотор для ветряка своими руками

Создание генератора с нуля требует обладания определенными познаниями, навыками работы со слесарными инструментами и опыта изготовления электротехнических устройств. Процесс создания генератора состоит из двух этапов:

• изготовление ротора. На пластину из фанеры или иного листового материала наклеиваются неодимовые магниты в одинаковом удалении от центра. Полярность магнитов чередуется
• изготовление статора. Наматываются обмотки числом, кратным 3 (три фазы). Они располагаются на фанерной пластине подобно магнитам ротора и соединяются определенным образом, образуя равномерный сдвиг фазы. Готовый статор заливают эпоксидкой для защиты от влаги, пыли и т.д.
• производится сборка устройства. На оси укрепляется ротор, ось устанавливается на статор, вся конструкция закрепляется и накрывается защитным кожухом.

Расчеты мощности генератора производятся заранее. Проверка работоспособности проходит обычно сразу после сборки, вращение обеспечивается при помощи подручного устройства (чаще всего, электродрель).

Обслуживание ветрогенератора

Ветряки — довольно надежные устройства, не требующие ежедневного ухода и обслуживания. Многие пользователи свидетельствуют, что их комплекты работают практически без вмешательства человека по 2-3 года. Тем не менее, вращающиеся части изнашиваются, требуют смазки, замены подшипников.

Лопасти крыльчатки выходят из строя и требуют замены. Эти действия выполняются по мере необходимости, владелец учитывает пробег деталей и меняет их по достижении определенного срока наработки. Для промышленных моделей существуют свои режимы обслуживания, указанные в паспорте комплекта.

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.

ВСУ Бирюкова

В 60-х в СССР Е. С. Бирюков запатентовал карусельную ВСУ с КИЭВ 46%. Немного позже В. Блинов добился от конструкции на том же принципе КИЭВ 58%, но данных о ее испытаниях нет. А натурные испытания ВСУ Бирюкова были проведены сотрудниками журнала «Изобретатель и рационализатор». Двухэтажный ротор диаметром 0,75 м и высотой 2 м при свежем ветре раскручивал на полную мощность асинхронный генератор 1,2 кВт и выдерживал без поломки 30 м/с. Чертежи ВСУ Бирюкова приведены на рис.

1. ротор из кровельной оцинковки;
2. самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;
3. ванты – 5 мм стальной трос;
4. ось-древко – стальная труба с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;
5. рычаги аэродинамического регулятора оборотов;
6. лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или листовой пластик;
7. тяги регулятора оборотов;
8. груз регулятора оборотов, его вес определяет частоту вращения;
9. ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;
10. подпятник – упорно-опорный подшипник;
11. ведомый шкив – штатный шкив генератора;
12. генератор.

Бирюков на свою ВСУ получил сразу несколько авторских свидетельств

Во-первых, обратите внимание на разрез ротора. При разгоне он работает подобно ВС, создавая большой стартовый момент

По мере раскрутки во внешних карманах лопастей создается вихревая подушка. С точки зрения ветра, лопасти становятся профилированными, и ротор превращается в быстроходный ортогонал, причем виртуальный профиль меняется соответственно силе ветра.

Во-вторых, профилированный канал между лопастями в рабочем диапазоне скоростей работает как центральное тело. Если же ветер усиливается, то в нем также создается вихревая подушка, выходящая за пределы ротора. Возникает такой же вихревой кокон, как вокруг ВСУ с направляющим аппаратом. Энергия на его создание берется от ветра, и тому на поломку ветряка ее уже не хватает.

В-третьих, регулятор оборотов предназначен прежде всего для турбины. Он держит ее обороты оптимальными с точки зрения КИЭВ. А оптимум частоты вращения генератора обеспечивается выбором передаточного отношения механики.

Роторный ветрогенератор своими руками

Бытовой ветрогенератор собирается из дюралевых либо металлических труб небольшого сечения, соединенными болтами М6-М12 сквозь поперечные сквозные отверстия.

Учитывая условия повышенной вибрации, вызванной вращением ротора, соединения должны быть стойкими и прочными. Ротор изготавливается из труб, скрепленных крест накрест и формирующих крестовину. Растяжки придают этому сооружению нужную жесткость.

Схема вертикального ветрогенератора (нажмите на картинку для увеличения)

Каркасом для лопастей ротора, покрытых плотной тканью, служат поворотливые части (2 на рис. ниже) крестовины ротора и ребра жесткости (1). Ограничители вращения (3) лопастей монтируются к крестовине ротора намертво. Блок подшипников (4) устанавливается на опорную мачту (5) с помощью кронштейна (6) из металлической полосы. Опорная мачта гарантирует оси ротора (7) вспомогательную жесткость.

Схема ветряка

Положение подшипников (8 и 9 на рисунке ниже) на оси ротора фиксируется муфтами (10, 11, 12). Тогда как муфта (11) служит еще и для соединения комбинированных частей оси ротора.

Использование в блоке (4) двух подшипников вызвано необходимой жесткостью крепления оси в блоке, с малым трением во время работы. Растяжки, прицепленные к блоку, удерживают вертикальное положение оси ротора и обеспечивают жесткость роторному ветряку. Жестяной выступ (13) защищает подшипник блока от попадания влаги.

Подшипник (14) принимает вибрацию оси ротора в блоке (15) и снижает нагрузку на опорный подшипник (16). Стержень 17 играет роль основного крепления установки и заодно заземление ротора. В качестве повышающего редуктора используется система из шестеренок от цепного велосипеда. От выбора диаметра шестерен этот редуктор передает вращение с коэффициентами от 1 : 5 до 1 : 12.

Схема основных узлов ВЭУ

Подготовительный этап

Перед тем как приступать к созданию ветряной установки, необходимо подготовить и собрать все составные элементы будущей конструкции. Подготовка начинается с выбора автомобильного генератора. Он должен обладать повышенной мощностью, поэтому лучше всего подойдет агрегат с грузового автомобиля или автобуса. Все остальные узлы рекомендуется брать с одной и той же машины, чтобы не нарушать комплектность. В первую очередь это касается аккумулятора, реле и других деталей.

Поскольку потребители должны обеспечиваться переменным током, нужно заранее позаботиться о приобретении инвертора или другого преобразователя. Мощность инвертора должна соответствовать мощности будущего ветрогенератора.

• Генератора
• Аккумуляторная батарея
• Реле зарядки аккумулятора
• Вольтметр
• Материал для изготовления лопастей
• Болты в комплекте с гайками и шайбами
• Хомуты для креплений

Могут потребоваться и другие детали, в зависимости от индивидуальных особенностей конструкции. Далее, прежде чем изготавливать ветряк своими руками из автомобильного генератора, необходимо выполнить расчеты, для которых используется мощность генератора и инвертора, емкость аккумулятора и другие параметры, в том числе и количество потребителей, имеющихся в доме. Расчет мощности следует производить в зависимости от напора ветра и площади лопастей, на которые воздействует ветер. Как правило, работа установки начинается при скорости ветра 2 м/с, а максимальная эффективность наступает при 10-12 м/с.

Из всех предлагаемых формул рекомендуется воспользоваться наиболее простой. Для определения мощности установки необходимо площадь винта умножить на коэффициент 0,6. Полученное значение вновь умножается на скорость ветра, возведенную в третью степень. Окончательный результат сравнивается с потенциальными потребностями. Если мощности достаточно, то можно приступать к монтажу установки. Если же потребности не обеспечиваются, в этом случае можно воспользоваться несколькими ветрогенераторами малой мощности или гибридной установкой, в состав которой входят солнечные батареи.

В большинстве частных домов среднемесячное потребление электроэнергии составляет 360 квт, при средней нагрузке 0,5 квт и пиковой – 5 квт. Таким образом, потребуется ветрогенератор, мощностью 5 квт, способный потянуть имеющуюся нагрузку. Если же потребление будет превышать нормативное значение или ветер будет стабильно слабым, в этих условиях установка не сможет нормально работать.

Ветрогенераторы своими руками на 220 в

Для того, чтобы собрать ветроуловитель нам понадобятся: генератор на 12 вольт, аккумуляторные батареи, преобразователь с 12 v на 220 в, вольтметр, медные провода, крепежи (хомуты, болты, гайки).

Чтобы ветрогенератор получился практичным и качественным, перед его изготовлением лучше дополнительно ознакомиться с подробной инструкцией

Изготовление любого ветряка предполагает наличие таких этапов как:

1. Изготовление лопастей. Лопасти вертикального ветрогенератора можно сделать из бочки. Нарезать детали можно при помощи болгарки. Винт для небольшого ветряка можно изготовить из трубы ПВХ с сечением в 160 мм.
2. Изготовление мачты. Мачта должна быть высотой не менее 6 метров. При этом, для того, чтобы крутящее усилие не сорвало мачту, ее необходимо закрепить ее на 4 растяжки. Каждую растяжку, при этом, нужно намотать на бревно, которое следует закопать глубоко в землю.
3. Установка неодимовых магнитов. Магниты наклеиваются на диск ротора. Лучше выбирать прямоугольные магниты, магнитные поля в которых сосредотачиваются по всей поверхности.
4. Намотка катушек генератора. Намотка выполняется медной нитью с диаметром не менее двух мм. При этом, мотков должно быть не более 1200.
5. Фиксация лопастей к трубе при помощи гаек.

При наличии мощных аккумуляторных батарей и инвертора, полученное устройство сможет выработать такое количество электричества, которого будет достаточно для использования бытовой техники (например, холодильника и телевизора). Отлично подойдет такой генератор для поддержания работы систем освещения, отопления и вентиляции небольшого дачного домика, теплицы.

Источник