Ветряк при слабом ветре

Использование ветрогенератора для слабого ветра — ротор Онипко

Обновлено: 2 января 2021

Использование ветрогенератора обычной лопастной конструкции может иметь должный эффект только при достаточно сильном и ровном ветре. Средняя скорость ветра в большинстве регионов России составляет 3-4 м/с, что для ветряка слишком мало. Многие конструкции на таких скоростях ветра даже не начинают вращаться. Но это не означает, что при слабых ветрах получить электроэнергию невозможно. Просто, в таких условиях следует использовать специальные конструкции ротора.

Ротор Онипко

Как один из вариантов ротора, созданного для малых скоростей ветра, следует рассмотреть изобретение группы украинских ученых под руководством инженера Алексея Онипко. Ротор, созданный ими, получил Гран-при на Всемирном конкурсе в Нюрнберге, посвященном возобновляемой энергетике.

Устройство рассчитано на использование при слабых потоках со скоростью от 1 до 20 м/с, хотя на практике начинает вращаться уже при 0,1 м/с. Учитывая относительно слабые скорости ветра, преобладающие в наших широтах, такие возможности являются наилучшим решением вопроса.

Конструкция

Ротор представляет собой конструкцию с горизонтальной осью вращения. Рабочий орган имеет парусно-лопастную конструкцию, представляющую собой модификацию архимедова винта. Внешне он напоминает наконечник сверла. Поток ветра, попадая на наклонную поверхность, сдвигает ее в сторону, чем и обеспечивается процесс вращения ротора. При этом, лопастей несколько, что усиливает вращающий момент и заставляет устройство реагировать даже на небольшое усилие. Направление оси вращения на ветер осуществляет дополнительный элемент — флюгер, автоматически поворачивающий устройство при изменениях направления потока.

Низкая скорость вращения — до 100 об/мин, что не составляет даже 2 об/сек — обеспечивает практически полное отсутствие шума при работе. Средняя производительность ротора составляет около 300 кВт электроэнергии. По утверждениям изобретателя, пара таких устройств способна обеспечить электроэнергией и отоплением загородный энергоэффективный дом.

Примечательно, что использование ротора не ограничивается только ветрогенераторами. Производятся тестовые испытания устройства в качестве гребного винта и для мини-ГЭС. Универсальность ротора дает основания предполагать для него большие перспективы и возможности.

Другие ветрогенераторы, способные работать на слабых потоках

Помимо конструкции Онипко существуют другие типы генераторов, позволяющие получать электроэнергию при относительно невысоких скоростях ветра. Так, известны парусные роторы, реагирующие на небольшие ветра за счет большой площади лопастей. Существуют конструкции с изменяемым углом поворота лопастей или со складывающимися лопастями, способными исключать воздействие на обратную сторону, уравновешивающие давление на рабочую часть.

Особенностью таких конструкций является способность разворачиваться боком или складываться в плоскую пачку при движении навстречу потоку. Эти варианты не менее эффективны, но более сложны в изготовлении и довольно капризны в эксплуатации. Попадание грязи, пыли или дождевой воды в механизмы поворота или складывания вызывают засорение или коррозию движущихся частей и выводят конструкцию из строя, вынуждая производить частые ревизии или ремонты. Более удачными признаются конструкции с неподвижными лопастями, но они более требовательны к силе ветра и плохо стартуют на слабых потоках.

При использовании беpщеточных генераторов и системы вращения на неодимовых магнитах, фактически подвешивающей вращающиеся части в воздухе, усилие запуска существенно снижается, параллельно устраняя шум при работе и снижая вибрацию мачты. Многие удачные модели могут быть установлены даже на крыше дома и не будут беспокоить жителей.

Самодельный ветрогенератор для слабого ветра

Цены на ветрогенераторы весьма высоки. Даже относительно недорогие китайские образцы весьма ощутимо бьют по кошельку пользователя, что вынуждает задумываться о самостоятельном изготовлении ветряка. Многие пользователи приобретают только преобразователи и аккумуляторы, создавая движущиеся части своими руками. При необходимости, такие устройства могут быть использованы для освещения, зарядки аккумуляторов и прочих хозяйственных нужд.

Более удачные конструкции способны обеспечивать энергией частный дом, позволяя обходится без сетевых ресурсов. При этом, наличие бензинового или дизельного генератора в качестве аварийного источника энергии единогласно признается необходимым.

Выбор типа ротора производится исходя из собственной осведомленности или возможностей. Обычно исходят из имеющихся в наличии деталей, к которым добавляют все необходимое. Лопасти изготавливаются из полипропиленовых труб, разрезанных повдоль металлических бочек и прочих подобных предметов. Основная опасность, возникающая при создании ротора — перегрузка вращающихся деталей, использование слишком тяжелых элементов, инерцию которых не сможет преодолеть слабый поток ветра.

Более удачные конструкции используют в качестве подшипников неодимовые магниты. Они имеют очень большую силу и способны отталкивать вращающиеся части, снижая их вес, обеспечивая более плавное и легкое вращение. При этом, обычные подшипники, установленные правильным образом, также способствуют легкому и свободному вращению, хоть и требуют периодического обслуживания.

Создание мачты требует наличия подходящих материалов. При большой высоте потребуется устройство фундамента — бетонной подушки с анкерными креплениями. Также рекомендуется высокие мачты усиливать растяжками. При этом, многие конструкции не нуждаются в больших высотах, свободно реагирующие на слабый ветер конструкции вполне эффективны на высоте от 1,5 м и устанавливаются на небольших тумбах или опорных конструкциях. Если рядом с домом имеется холм или пригорок, то, по возможности, следует использовать такое естественное возвышение и установить ветряк на нем.

Источник

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