Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения. Самодельный ветрогенератор для дома и дачи: принципы работы, схемы, какой и как делать. Собственноручное изготовление ветряка

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

Ротор Савониуса. Модель такого вертикального ветряка включает в себя две или более лопасти, выполненные в форме полукруга. При этом давление, оказываемое на «открытую» часть круга значительно превышает то, которое воздействует на противоположную сторону. Конструкция достаточно проста в изготовлении, поэтому пользуется наибольшей популярностью среди самодельных вертикальных ветрогенераторов. Недостатки:

Большая «парусность». Воздействие ветра кренит всю конструкцию, создавая напряжение в оси и выводя из строя подшипник, на котором вращается весь ротор.
Конструкция не способна начать вращаться самостоятельно при наличии двух или трех лопастей, поэтому два таких ротора необходимо закреплять на одной оси одну под другой под углом в 90°

На ортогональный ротор устанавливают дополнительные статические экраны для увеличения производительности
Ротор Дарье или ортогональный. Существует множество модификаций такого вертикального ветрогенератора, но принцип работы остается неизменным. Вращение происходит за счет крылообразной формы лопасти генератора. При воздействии потока воздуха создается подъемная сила, за счет которой и вращается ось. Недостатки:
- Низкая, даже по меркам ветрогенераторов, эффективность.
- Скорость ветра для полной раскрутки такого генератора должна быть не менее 4 м/с. При этом до набора полной скорости вращения такого ротора, нагрузку к ветряку подключать нельзя – остановится.
- Шумность. Если в остальных моделях шум издают только подвижные части (подшипники), то вертикальный ветрогенератор такого типа шумит лопастями. Очень сильно.
- Из-за вибрации быстро выводит из строя подшипники и все несущие элементы конструкции.
Геликоидный ротор имеет сложную конструкцию
Геликоидный ротор. Этот вертикальный ветрогенератор имеет замысловатую форму, но по - сути это ортогональный ветрогенератор с вертикальной осью, только лопасти у него закручены вдоль несущей оси, что значительно повышает срок службы всей конструкции, т.к. обеспечивает равномерную нагрузку на подшипник и мачту со всех сторон. Недостатки:
- Сложность в изготовлении, отсюда высокая стоимость вертикального ветряка.
Многолопастной ветряк
Многолопастной вертикальный ветрогенератор. Если рассматривать только коммерческие образцы – этот тип ротора является наиболее производительным и дает наименьшую нагрузку на несущие детали. Внутри такого вертикального ветряка содержится дополнительный ряд статичных лопастей, которые направляют поток воздуха таким образом, чтобы максимально увеличить эффективность ротора. Недостатки:
- Высокая стоимость устройства из-за большого количества деталей.

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.

Минусы

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

Видео. Геликоидный ветрогенератор

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

В этой статье мы подробно разберем, как сделать ветрогенератор своими руками. Ведь быт современного человека без электроэнергии – трудно представим. И даже небольшие перебои в подаче электричества становятся порой «парализующим моментом» для нормальной жизни в собственном доме. А такие неполадки, приходится признать, для некоторых загородных поселков или населенных пунктов в сельской местности – увы, не редкость. Значит, необходимо каким-то образом обезопасить себя от неприятностей, обзавестись резервным источником энергии. А если принять в расчет еще и постоянно растущие тарифы, то наличие собственного источника, да еще и работающего практически «забесплатно», становится заветной мечтой многих владельцев домов.

Одним из направлений развития «бесплатной энергетики» в наше время является использование энергии ветра. Многие, наверное, видели впечатляющие картины огромных ветряков, успешно применяемых в некоторых странах Европы – кое-где доля выработанной ветром энергии уже достигает нескольких десятков процентов от общего объема. Вот и возникает соблазн – а не попробовать ли и мне сделать ветрогенератор своими руками, чтобы раз и навсегда получить независимость от электросетей?

Вопрос резонный, но следует сразу несколько охладить пыл «мечтателя». Чтобы создать действительно качественную, производительную установку по выработке электроэнергии, требуются немалые знания в механике и электротехнике. Нужно быть весьма опытным мастером на все руки – предстоит целый ряд операций высокой сложности, требующих точного проектирования и квалифицированного подхода в исполнении. По совокупности этих причин, как можно судить по обсуждениям на форумах, довольно много «соискателей» либо не получили ожидаемого результата, либо и вовсе отказались от задуманного проекта.

Поэтому в данной статье будет дана обзорная картина, показывающая общие проблемы и направления их решения в процессе создания ветрогенераторов. Можно будет примерно оценить масштабность работ и трезво взвесить свои возможности – стоит ли браться самому.

Что это такое – ветрогенератор? Общее устройство системы

Существует несколько способов получения электрической энергии – за счет воздействия потоком фотонов (световой, например, солнечные батареи), за счет определенных химических реакций (широко применяется в элементах питания), за счет разницы температур. Но шире всего в настоящее время используется преобразование кинетической энергии в электрическую. Это преобразование происходит в специальных устройствах, которые как раз и называются генераторами.

Принцип работы генератора преобразователя кинетической энергии в электрическую, раскрыт и описан еще в XIX веке Фарадеем.

Принцип устройства простейшего электрического генератора

Он заключается в том, что если проводящую рамку разместить в изменяющемся магнитном поле, то в ней будет индуцироваться электродвижущая сила, которая при замыкании цепи приведет к появлению электрического тока. А изменение магнитного потока можно добиться вращением этой рамки в магнитном поле, или создаваемом постоянными магнитами, или появляющегося в обмотках возбуждения. При изменении положения рамки меняется величина пересекающего ее магнитного потока. И чем выше скорость изменения, тем больше показатели и наводимой ЭДС. Таким образом, чем больше оборотов передается ротору (вращающейся части генератора), те большего напряжения можно добиться на выходе.

Схема, безусловно, показана с большими упрощениями, просто для уяснения принципа.

Передача вращения на ротор генератора может осуществляться по-разному. И один из путей найти бесплатный источник энергии, который приведет в движение кинематическую часть устройства – это «поймать» силу ветра. То есть примерно так же, как это удалось сделать когда-то создателям ветряных мельниц.

Таким образом, устройство ветрового генератора подразумевает наличие генерирующего устройства и механизма передачи его статору вращательного движения, то есть ветряка. Кроме того, обязательным условием становится конструкция, обеспечивающая надежную установку системы, так как ее часто приходится размещать на немалой высоте, чтобы полноценной «ловле ветра» не мешали естественные или искусственные препятствия. В ряде случаев используется еще и кинематическая передача, предназначенная для повышения количества оборотов ротора.

Один из примеров повышающей передачи вращения от ветряка на генератор

Но и это – еще не все. Наличие и скорость ветра – величины чаще всего крайне непостоянные. И ставить потребление выработанной энергии в зависимость от «капризов погоды» - дело неразумное. Поэтому ветрогенератор обычно работает в связке с системой аккумуляции энергии.

Выработанный ток выпрямляется, стабилизируется и через специальное устройство-контроллер или поступает непосредственно на дальнейшее потребление, или перенаправляется на зарядку включённых в схему мощных аккумуляторов. С аккумуляторов через инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный нужного напряжения и частоты, питание поступает к точкам потребления. Аккумуляторы становятся своеобразным буферным звеном: если текущая нагрузка меньше текущей (очень зависимой от силы ветра) мощности генератора, или если на протяжении какого-то времени и вовсе не подключены приборы потребления, то идет зарядка батарей. Если нагрузка становится выше вырабатываемой мощности – батареи разряжаются.

Интересный момент – именно эта особенность ветровой энергетической установки позволяет планировать мощность самого генератора, не исходя из пиковых показателей нагрузки (за это будет отвечать в большей мере инвертор), а отталкиваясь из прогнозируемого потребления энергии в течение определенного периода (например, месяца).

Безусловно, в быту могут использоваться и более простые схемы. Например, ветровая установка просто обслуживает какое-то низковольтное осветительное оборудование и т.п.

Плюсы и минусы ветровых электростанций

Для примера посмотрим вначале на простейшую конструкцию ветрогенератора, которую сможет собрать даже школьник средних классов. Практическое применение такой «электростанции» – не особо широкое, но просто чтобы расширить свое понимание и обрести некоторые навыки – почему бы и нет?

Ветрогенератор или в простонародье ветряк – нехитрое приспособление, обеспечивающее своему хозяину немалую экономию за счет выработки бесплатного электричества. Такая установка – мечта любого владельца отрезанного от централизованных сетей участка или дачника, недовольного вновь полученной квитанцией за потребление электроэнергии.

Разобравшись в конструкции ветрогенератора, принципе его функционирования, изучив чертежи, можно самостоятельно сделать и установить ветряк, обеспечив свой дом неограниченной альтернативной энергией.

Законно ли использование ветра?

Создание собственной, хоть и компактной, но электростанции – вещь серьезная, поэтому логично, что невольно возникает вопрос: а законно ли их использование? Да, если мощность запускаемой от ветра установки не будет превышать 1 кВт, что вполне хватит для обеспечения электрическим током среднего загородного дома.

Дело в том, что именно с таким показателем мощности устройство считается бытовым и не требует обязательной регистрации, сертификации, согласования, постановки на учет и, тем более, не облагается никаким налогом.

Впрочем, перед тем, как сделать ветрогенератор для дома, лучше обезопасить себя и учесть несколько моментов:

Не приняты ли в регионе проживания особые ограничения на использование альтернативных источников энергии?
Какова допустимая на местности высота мачты?
Не будет ли шум от редуктора и лопастей превышать установленные нормативы?
Предусматривать ли защиту от создаваемых эфирных помех?
Не станет ли мачта мешать миграции птиц или вызывать другие экологические проблемы?

Если заранее продумать все нюансы, то ни налоговая, ни экологические службы, ни соседи не смогут предъявить претензии и воспрепятствовать получению бесплатной электроэнергии.

Как работает ветряк?

На фото готовые самодельные ветрогенераторы представлены вытянутыми металлическими конструкциями на трех или четырех опорах, с лопастями, двигающимися от ветра. В итоге получаемая потоком ветра кинетическая энергия преобразуется в механическую, которая в свою очередь запускает ротор и становится электрическим током.

Данный процесс является результатом налаженной работы нескольких обязательных составных элементов ветроэлектрической установки (ВЭУ):

Пропеллер из двух и более лопастей;
Ротор турбины;
Редуктор;
Контроллер;
Ось электрического генератора и генератор;
Инвертор;
Аккумулятор.

Также необходимо предусмотреть тормозной блок, гондолу, мачту, флюгер, низко и высокоскоростной вал. Устройство определяет и принцип работы ветрогенератора: вращающийся ротор производит трехфазный переменный ток, проходящий через систему контроллера и заряжающий аккумулятор постоянного тока.

Конечные амперы преобразуются инвертором и направляются по подключенной проводке к выходным точкам: розеткам, освещению, бытовой технике и электроприборам.

Как сделать своими руками?

Самой надежной и простой по конструкции считается роторная ВЭУ, представляющая собой установку с вертикальной осью вращения. Готовый самодельный генератор такого типа способен полностью обеспечить энергопотребление дачи, включая оснащение жилого помещения, хозяйственных строений и уличное освещение (правда, не слишком яркое).

Если достать инвертор с показателями в 100 Вольт и аккумулятор в 75 Ампер, то ветряк будет намного мощнее и производительнее: электричества хватит и на видеонаблюдение, и на сигнализацию.

Чтобы сделать ветрогенератор, понадобятся детали конструкции, расходные материалы и инструменты. Первым делом необходимо подыскать подходящие составные элементы ветряка, многие из которых можно найти среди старых запасов:

Генератор от автомобиля с мощностью около 12 V;
Аккумуляторная батарея на 12 V;
Кнопочный полугерметичный выключатель;
Инвентор;
Реле автомобиля, служащее для зарядки аккумулятора.

Также потребуются расходные материалы:

Крепежи (болты, гайки, изолирующая лента);
Стальная или алюминиевая емкость;
Проводка сечением в 4 кв. мм (два метра) и 2,5 кв. мм (один метр);
Мачта, тренога и другие элементы для усиления устойчивости;
Крепкая веревка.

Желательно найти, изучить и распечатать чертежи ветрогенераторов своими руками. Потребуются и инструменты, в числе которых болгарка, метр, пассатижи, сверло, острый нож, электродрель, отвертки (крестовая, минусовая, индикаторная) и гаечные ключи.

Подготовив все необходимое, можно приступать к сборке, ориентируясь на пошаговую инструкцию, рассказывающую, как сделать ветрогенератор своими руками:

Из металлической емкости вырезать лопасти одинакового размера, оставив у основания нетронутую полоску металла в несколько сантиметров.
Симметрично проделать отверстия дрелью для имеющихся болтов в дне основания емкости и шкиве генератора.
Отогнуть лопасти.
Зафиксировать на шкиве лопасти.
Установить и закрепить генератор на мачте хомутами или веревкой, отступив от верха порядка десяти сантиметров.
Наладить проводку (для подключения аккумулятора достаточно метровой жилы сечением в 4 кв. мм, для нагрузки освещением и электроприборами – 2,5 кв. мм).
Отметить схему подключения, цветовую и буквенную маркировку для будущего ремонта.
Установить преобразователь проводом с четвертным сечением.
При необходимости украсить конструкцию флюгером и покрасить.
Закрепить провода, обмотав мачту установки.

Ветрогенераторы своими руками на 220 Вольт – это возможность обеспечить дачу или загородный дом бесплатной электроэнергией в кратчайшие сроки. Наладить такую установку можно даже новичку, а большинство деталей для конструкции уже давно без дела лежат в гараже.

Фото ветрогенераторов своими руками

Использовать энергию ветра с целью получения электричества – идея, отнюдь, не новая. Существуют регионы, где именно это способ добычи считается наиболее выгодным и приоритетным – естественно, в этих местах постоянно дуют ветра. Ярким примером может послужить Дания, где на долю ветровой энергии приходится 25% от всего электричества, потребляемого в стране.

Сегодня мы расскажем вам, что такое ветрогенератор вертикального типа, каковы его основные особенности, преимущества и недостатки, а также поделимся информацией, как собрать такое устройство своими руками, используя лишь подручные материалы.

Преимущества вертикального ветрогенератора достаточно весомые:

Главной особенностью данного устройства является то, что для него абсолютно неважно направление ветра.
Он устанавливается на достаточно низкой высоте, что не требует наличия специальных приспособлений для обслуживания, а сам процесс является безопасным.
Вертикальные ветрогенераторы имеют только одну ось вращения без передаточных механизмов, а значит, в эксплуатации будут намного надежнее, чем горизонтальные аналоги.
Эти приборы имеют солидный уровень КПД, благодаря форме ротора и лопастей.

Совет! Небольшие модели бытового назначения приводятся в действие очень слабым порывом ветра – от 1,5 метра в секунду, что еще больше увеличивает КПД установки.

Генератор не издает никаких звуков, так что мешать жизни людей вокруг не будет. Более того прибор никак не влияет на экологию, не создавая выбросов в атмосферу.
Устройство будет служить долгие годы, нуждаясь лишь в периодической ревизии основных механических узлов (особенно важно следить за состоянием подшипников). Ремонт устройства также выполняется достаточно просто

Как работает и включается в сеть ветрогенератор

В основу работы синхрофазотрона… простите, ветрогенератора, положен принцип магнитной левитации. Суть его заключается в том, что во время вращения образуется подъемная и импульсная силы, благодаря которым ротор начинает вращаться, плюс сила фактического торможения.

В результате вращения ротора образуется магнитное поле, которое индуктирует ЭДС в обмотке якоря генератора, в результате чего появляется ток.

Конструкция является полностью механической и автономной, поэтому не требует в свою работу вмешательства человека. Естественно, сам генератор оснащается дополнительными устройствами, благодаря которым получаемая энергия делается подходящей для использования в домашних сетях.

Ни в коем случае нельзя подключать электроприборы напрямую к выводам генератора, так как это устройство в разных режимах работы будет выдавать ток разной силы и частоты.
После самого генератора в схему включается контроллер, который контролирует (простите за тавтологию), уровень заряда аккумулятора. На фото выше показано устройство такого типа. Как видим, на корпусе имеется 4 клеммы, к которым подключаются выходы самого генератора, аккумулятора и балласт.
Что есть балласт? Думаем, многие в курсе, что аккумуляторные батареи крайне не рекомендуется перезаряжать, иначе начинает закипать электролит, создается давление внутри, и устройство может под эффектный салют выйти из строя. Поэтому, как только напряжение на аккумуляторе поднимается до 14-15 вольт, что свидетельствует о его полной зарядке, питание прекращается.
Аккумулятор отключен, энергии идти больше некуда, ну, допустим, дома никого нет, и электричество никакие приборы не потребляют, а на улице поднялся хороший ветер, и генератор продолжает интенсивно вращаться. Что произойдет?

Если на ветрогенераторе не будет нагрузки, его вращение не будет испытывать никакого сопротивления. Лопасти раскручиваются слишком сильно, из-за чего возрастает ветровая нагрузка и возникает неприятный шум. В определенных ситуациях конструкция может попросту не выдержать и, помахав вам ручкой, улететь без обещания вернуться.
Следующий момент – это то, что напряжение на генераторе без нагрузки при таком интенсивном вращении может доходить до 60-80 вольт, при номинале в 12. Транзисторы контроллера в среднем рассчитаны на напряжение в 40 В — как понимаете, подобный скачок приведет к моментальному их выходу из строя.
Чтобы такого не происходило и используется балласт – запасная нагрузка, создаваемая резистором, лампами или тэном.

Совет! Если применить тэн, то энергия не будет уходить впустую – можно предусмотреть конструкцию, при которой, к примеру, будет нагреваться вода.

Потребляемая мощность балластом должна соответствовать максимальному показателю, который способен выдать ветрогенератор.
Если у приобретенного вами контроллера нет клемм для подключения балластной нагрузки, то значит, это устройство будет работать по иному принципу. Как только аккумулятор будет полностью заряжен, контроллер замкнет фазы ветрогенератора, который в результате этого остановит свое вращение. Блокировка будет держаться до тех пор, пока уровень напряжения в батарее не упадет до 13,5 вольт, после чего цикл повторится.
Данные устройства устанавливают только на маломощные генераторы.
Перед контроллером в цепи обязательно ставится диодный мост – простейшее устройство из четырех полупроводников, которое будет выпрямлять поступающий ток. Многие устройства имеют выпрямитель внутри корпуса, поэтому при подключении обязательно изучается инструкция.

Итак, далее в цепи идет аккумуляторная батарея. Подойдет, в принципе любая на 12 вольт, так что за покупкой можно отправиться в магазин автозапчастей.
Как вы понимаете, использование ветровых генераторов, вовсе не означает, что электрическая энергия будет бесплатной. Во-первых, учтите стоимость самого устройства и оборудования для него – если вы не радиотехник, то потратиться, однозначно придется. Во-вторых, любой аккумулятор имеет определенный ресурс работы – в среднем 4-5 лет при условиях интенсивной эксплуатации.
Аккумулятор хорошей емкости будет вам обходиться около 5-10 тысяч рублей (цена на 2018 год). То есть, даже если убрать затраты на установку и запуск оборудования, вам придется платить от 80 до 160 рублей в месяц, не считая затрат на возможные ремонты оборудования.
При этом регион, в котором вы живете должен быть действительно ветренным, чтобы все затраты окупались. В общем, решать о целесообразности подобного приобретения только вам, мы же лишь знакомим вас с фактами.

Если от ветрогенератора вы планируете запитывать бытовые электроприборы, работающие от стандартных 220 вольт, вам понадобится инвертор, который будет постоянный ток преобразовывать в переменный
Из дополнительного оборудования хотелось бы выделить АВР (автоматический переключатель источника питания). Данное устройство в автоматическом режиме будет выполнять переключение питания при выключении ветрогенератора на общественную сеть или аварийный источник питания.

Типы вертикальных ветрогенераторов

Внешний вид и характеристики вертикальных ветрогенераторов во многом зависят от конструктивного строения этих устройств. Давайте разберем основные.

Ортогональные системы

Тех характеристика вертикального ветрогенератора ортогонального типа подразумевает не очень высокий КПД при больших габаритах, при сравнении с горизонтально-осевыми устройствами, однако независимость от направления ветра делает его более приоритетным.

В основе конструкции данные генераторы имеют центральную ось вращения (вертикальную) и несколько плоских лопастей, расположенных ей параллельно.
Все лопасти удалены от центра вращения на определенное расстояние.
При таком устройстве приводной механизм может быть размещен на уровне земли, что существенно облегчает техническое обслуживание и ремонтные мероприятия.

Из-за дороговизны электроэнергии стало актуально использовать альтернативные её источники, одними из которых являются вертикальные ветрогенераторы. При необходимости соорудить такое оборудование можно самостоятельно.

[ Скрыть ]

Устройство ветрового генератора

В конструкцию ветряка нового поколения для выработки ветроэнергии входят:

Колесо, оборудованное лопастями. Этот узел представляет собой основной ротор, который необходим для восприятия силы воздушного потока. Его предназначение заключается в преобразовании кинетической энергии ветра в механическую. Для этого образуется крутящий момент на валу.
Редукторный узел. Используется для синхронизации вращательного движения и образует скорость вращения вала генераторного узла. Монтируется внутри конструкции.
Генераторный узел, представляет собой устройство, предназначенное для выработки электротока в результате преобразования крутящего момента в магнитное поле. Данный агрегат способствует созданию в электроцепи разности напряжений.
АКБ. Предназначение аккумулятора заключается в накоплении энергии и выдаче постоянного тока, величина которого составляет 12 вольт.
Инверторный узел. Являет собой механизм, использующийся для преобразования постоянного значения тока в переменное. Рабочий параметр составляет 220 вольт.

Схема подключения ветряка Vertical к бытовой сети дома

Принцип работы ветровых генераторов

В самодельных или фирменных ветряных устройствах с вертикальной или горизонтальной осью вращения лопасти начинают двигаться в результате воздействия силы ветра. Основные элементы оборудования заставляют вращаться роторный узел посредством специального приводного агрегата. Наличие статорной обмотки способствует преобразованию механической энергии в электрический ток. Осевые винты обладают аэродинамическими особенностями, в результате чего обеспечивают быстрое прокручивание турбины агрегата.

Затем в роторных генераторах происходит преобразование силы вращения в электричество, собирающееся в аккумуляторе. По факту чем сильнее будет воздушный поток, тем быстрее прокручиваются лопасти агрегата, что способствует образованию энергии. Так как работа генераторного оборудования основывается на максимальном применении альтернативного источника, одна часть лопастей обладает более закругленной формой. А вторая — ровная. При прохождении потока воздуха по округлой части происходит образование вакуумного участка, это способствует засасыванию лопасти и уводит ее в сторону.

При прокручивании происходит вращение оси винтов, которые подключены к роторному механизму. На этом устройстве располагаются двенадцать магнитных элементов, которые прокручиваются внутри. Это приводит к образованию переменного электрического тока с частотой, как в бытовых розетках. Полученную энергию можно не только вырабатывать, но и передавать на расстояния, однако ее нельзя аккумулировать.

Чтобы ее собирать, потребуется преобразование в постоянный ток, именно эту цель выполняет электроцепь, расположенная внутри турбины. Для получения большого объема электроэнергии осуществляется изготовление промышленного оборудования, ветровые парки обычно включают в себя десятки таких установок.

Принцип работы ветрогенератора дает возможность использовать агрегат в вариантах:

для автономного функционирования;
с солнечными батареями;
параллельно с резервным аккумулятором;
вместе с бензиновым либо дизельным генераторным устройством.

При движении воздушного потока скоростью около 45 км/час выработка энергии турбиной составляет примерно 400 Вт. Этого хватит для освещения загородного дачного участка. При необходимости можно реализовать накопление электроэнергии в батарее.

Для зарядки аккумулятора используется специальное оборудование. При снижении величины подзаряда скорость вращения лопастей станет падать. Если аккумулятор полностью разрядится, элементы генераторного оборудования будут опять прокручиваться. Этот принцип дает возможность поддерживать зарядку устройства на конкретном уровне. При более высокой скорости потока воздуха турбина агрегата сможет производить больший объем энергии.

Пользователь Darkhan Dogalakov на примере модели SEAH 400-W рассказал о принципе действия ветрового оборудования.

Какие ветрогенераторы самые эффективные (классификация агрегатов)

Классификация по оси вращения:

Горизонтальные

Вертикальные

Такой вид оборудования получил наибольшую популярность, в нем ось вращения турбины располагается параллельно земле. Подобные ветрогенераторы часто называют ветряными мельницами, в них обороты лопастей осуществляются против потока ветра. Конструкция оборудования включает в себя систему для автоматического прокручивания головной части. Она требуется для поиска ветрового потока. Также необходимо устройство для поворота лопастей, чтобы для выработки электроэнергии использовать даже небольшую силу.

Применение такого оборудования более целесообразно на промышленных предприятиях, чем в быту. На практике они чаще используются для создания систем ветроэлектростанций.

Устройства такого типа на практике менее эффективны. Вращение лопастей турбины осуществляется параллельно поверхности земли независимо от силы ветра и его вектора. Направление потока также не играют роли, при любом воздействии вращательные элементы прокручиваются против него. В результате этого ветровой генератор теряет часть мощности, что приводит к снижению энергоэффективности оборудования в целом. Но в плане установки и обслуживания агрегаты, в которых лопасти расположены вертикально, более подходят для домашнего использования.

Это связано с тем, что редукторный узел и генератор монтируются на земле. К минусам такого оборудования следует отнести дорогостоящую установку и серьезные эксплуатационные затраты. Для монтажа генератора потребуется достаточно места. Поэтому использование вертикальных устройств более целесообразно в небольших частных хозяйствах.

Классификация по количеству лопастей:

Двухлопастные	Трехлопастные	Многолопастные
Данный тип агрегатов характеризуется наличием двух элементов вращения. Этот вариант практически неэффективен сегодня, но достаточно распространен за счет своей надежности.	Этот вид оборудования является самым распространенным. Трехлопастные агрегаты используются не только в сельских хозяйствах и промышленности, но и в частных домовладениях. Этот тип оборудования получил распространение благодаря надежности и эффективности.	Последние могут иметь от 50 и более элементов вращения. Чтобы обеспечить выработку нужного объема электроэнергии, надо не само прокручивание лопастей, а вывод на необходимое число оборотов. Наличие каждой дополнительного элемента вращения обеспечивает увеличение параметра общего сопротивления ветрового колеса. В результате этого выход оборудования на необходимое количество оборотов будет проблематичным. Карусельные устройства, оборудованные множеством лопастей, начинают вращение при небольшой силе ветра. Но их применение более актуально, если играет роль непосредственно сам факт прокручивания, к примеру, когда требуется перекачка воды. Чтобы эффективно обеспечить выработку большого количества энергии, многолопастные агрегаты не используются. Для их функционирования требуется установка редукторного устройства. Это не только усложняет всю конструкцию оборудования в целом, но и делает ее менее надежной по сравнению с двух- и трехлопастными.

Классификация по материалам элементов вращения:

С жесткими лопастями

Парусные агрегаты

Стоимость таких агрегатов более высокая за счет дороговизны производства деталей вращения. Но по сравнению с парусным оборудованием, генераторы с жесткими лопастями более надежны и характеризуются высоким ресурсом эксплуатации. Поскольку в воздухе содержится пыль и песок, на элементы вращения воздействует высокая нагрузка. При работе оборудования в стабильных условиях, ему требуется ежегодная замена антикоррозийной пленки, которая наносится на концы лопастей. Без этого элемент вращения со временем начинает терять свои рабочие свойства.

Такой тип лопастей более прост в плане производства и менее затратный, по сравнению с металлом либо стеклопластиком. Но экономия при изготовлении может привести к серьезным расходам в будущем. При диаметре ветрового колеса в три метра скорость движения конца лопасти может составить до 500 км/ч, когда обороты оборудования составляют около 600 в минуту. Это — серьезная нагрузка даже для жестких деталей. Практика показывает, что элементы вращения на парусном оборудовании приходится менять часто, особенно если сила ветра высокая.

По шагу винта:

Канал «Fodiator Ch» подробно рассказал о разновидностях ветряных генераторных установок.

Классификация по типу ротора

В соответствии с разновидностью роторного механизма все агрегаты можно разделить на несколько видов:

ортогональные устройства Дарье;
агрегаты с роторным узлом Савониуса;
устройства с вертикально-осевой конструкцией агрегата;
оборудование с геликоидным типом роторного механизма.

Устройства Дарнье

Оборудование такого класса может оснащаться двумя либо тремя элементами вращения. Лопасти будут изогнуты в виде овала.

Основные достоинства такого типа:

оборудование самостоятельно ориентируется на направление потока воздуха;
простота кинетической схемы устройства;
основной вал приводного механизма находится близко к земле, что способствует более упрощенному обслуживанию.

Недостатки агрегатов:

из-за конструктивных особенностей отсутствует возможность самостоятельной раскрутки оборудования;
слишком большая нагрузка на опорные узлы, что связано с динамическим воздействием от потока ветра;
агрегаты с ротором Дарнье работают громко;
заданного профиля элемента вращения необходимо придерживаться по длине.

Генераторы с ротором Савониуса

Такое оборудование являет собой устройство, где лопасти механизма изготовлены в виде цилиндрических устройств.

Основные преимущества:

устройство может начать работу при небольшой силе потока ветра, составляющей от трех метров в секунду;
высокий ресурс эксплуатации и надежность агрегата;
оперативный набор хороших показателей крутящего момента;
дешевизна в плане производства и обслуживания.

К основным минусам относится низкая эффективность агрегата в преобразовании ветрового потока. Мощность оборудования составляет не более 4-6 кВт. Из-за этого роторные механизмы Савониуса обычно используются в комбинированных агрегатах. К примеру, для разгона генераторного устройства, разработанного по схеме Дарнье.

Пользователь Andrey Vasilyev показал, как работает спиральный тип оборудования, построенный на роторе Савониуса.

Агрегаты с вертикально-осевым ротором

Основная особенность такого типа оборудования заключается в том, что лопасти располагаются вертикально и характеризуются профилем авиационного крыла. Его ось параллельна валу. Визуально такой генератор похож на агрегат Дарнье, но он более прост в плане производства. При функционировании быстрее набирает рабочую скорость, а во время работы практически не издает звуковых волн. Генераторы с вертикально-осевым ротором оптимально использовать для дачных участков, поскольку они характеризуются высокой надежностью и длительным ресурсом службы.

С геликоидным механизмом

Данный тип оборудования является более усовершенствованной версией вышеописанного вида. Его лопасти сделаны в форме геликоидной кривой. Это позволяет обеспечить более равномерное вращение лопастей и понизить величину нагрузки на опорную составляющую агрегата.

Благодаря изгибу основных элементов во время работы генератор быстрее набирает скорость. В плане эффективности такое оборудование можно сравнить с классическими горизонтальными ветрогенераторами. Но во время функционирования такие устройства издают больше шума. В результате того, что конфигурация лопастей в целом сложная, агрегаты с таким типом роторных механизмов более дороги в плане изготовления.

Канал «AERO Prop» продемонстрировал процесс работы установки с геликоидным устройством.

Преимущества ветровых генераторов

Достоинства, характерные для такого оборудования:

Небольшие начальные значения скорости ветрового потока для того, чтобы привести в движение роторный механизм установки. В некоторых современных моделях оборудования данный показатель составляет от 0,3 метров в секунду. Но по факту вертикальные ветрогенераторы начнут эффективно производить энергию при скорости около 3-5 м/сек. Показатель номинальной мощности оборудования будет в случае, когда скоростные значения составят 10-18 метров в секунду.
Работа ветрового генератора не зависит от направления движения ветра. Благодаря особенностям конструкции установка может улавливать воздух независимо от угла.
Вертикальные генераторные установки, как правило, характеризуются пониженным звуковым фоном. На практике этот параметр составляет не более 20 децибел. Также в работе устройств не проявляются частоты, близкие к нижнему порогу — инфразвук, негативно влияющий на здоровье. Поэтому установка оборудования возможна в непосредственной близости с жилыми домами.
Во время функционирования ветрогенераторы практически не вырабатывают электромагнитное излучение. Работа конструкции не создает разрушительных вибраций.
Оборудование неопасно для птиц, поскольку ими оно воспринимается как одно препятствие. Это весомое преимущество по сравнению с горизонтальными ветрогенераторами. Лопасти таких устройств птицы не ассоциируют с препятствиями, в результате сталкиваются с ними.
Благодаря конструктивным особенностям вертикальное оборудование не нуждается в использовании дополнительных механизмов для осуществления запуска. Роторный узел начинает вращаться, как только ветровой поток достигнет минимального значения для старта установки.
Работа ветрогенератора возможна в любых климатических условиях. Такое оборудование позволяет противостоять даже сильному ветру, вплоть до урагана.
Простота использования и обслуживания агрегатов. Ветрогенераторы характеризуются упрощенной системой управления и минимальными расходами при эксплуатации, которые требуются для поддержания рабочего состояния. Благодаря этому оборудование все чаще используется в частных домах.

Пользователь Одесский инженер подробно рассказал о достоинствах и недостатках, характерных для генераторных установок.

Недостатки вертикальных ветрогенераторов

Минусы агрегатов:

Низкий параметр эффективного преобразования потока воздуха. Если сравнивать с горизонтальным оборудованием, то он меньше в 2-2,5 раза.
Вертикальные устройства характеризуются высокой материалоемкостью. Это связано с большим объемом лопастей.
Некоторые модели агрегатов имеют громоздкую конструкцию, которая обычно увеличивается при росте полезной мощности. В итоге этот недостаток негативно отражается на планировке площади для установки оборудования.
Чтобы собрать вертикальный агрегат, потребуется большее число материалов, по сравнению с горизонтальными устройствами. В результате этого их стоимость будет выше.
Вибрации, которые издает установка, хоть и небольшие, но все же присутствуют. В результате этого, а также резких изменений режимов прокручивания, образуется высокая нагрузка на подшипниковые устройства. Поэтому подвижные элементы оборудования часто ломаются.

Канал «Тепло-вода» подробно рассказал обо всех недостатках, характерных для такого типа устройств.

Инструкция по изготовлению вертикального ветрогенератора своими руками

Чтобы использовать такое устройство, его необязательно покупать. Можно изготовить оборудование самостоятельно.

Что понадобится?

Для сборки агрегата потребуются:

роторный механизм, это подвижная часть оборудования;
лопасти — будут улавливать воздушный поток;
осевая мачта, предназначенная для фиксирования роторного механизма, а также элементов вращения, может быть выполнена в виде шеста либо пирамиды;
статорное устройство — используется для расположения катушки, оснащенной проволокой;
АКБ — батарея необходима для накопления полученной энергии;
инверторный узел, использующийся для преобразования постоянного тока в переменный;
контроллер — блок управления системой, предназначен для остановки генераторного узла в момент, когда мощность оборудования будет превышать норму.

Лопасти могут быть выполнены из легкой листовой пластмассы, обладающей упругостью. Рекомендуется использовать именно этот материал, поскольку другие более подвержены деформированию и повреждениям. Только листовой пластик эффективно справляется с высокой динамической нагрузкой. Небольшие лопасти можно соорудить из ПВХ средней плотности, но для широких элементов понадобится более прочный материал.

Подробнее о подготовке комплектующих, а также о создании ветрового генераторного устройства из бытового вентилятора рассказал пользователь Alexander Polulyakh.

Пошаговый алгоритм действий

Процедура изготовления оборудования выглядит так:

На первом этапе выполняется производство элементов вращения. Для этого из высокопрочной трубы ПВХ надо вырезать четыре одинаковых детали. Затем два полукруглых элемента выкраиваются из жесткого материала и фиксируются на каждой стороне трубы. Высота лопасти составит около 70 см. Тогда радиус вращения деталей будет в районе 69 см.
Чтобы соорудить роторную систему, потребуется шесть неодимовых магнитов, а также ферритовые диски, каждый имеет диаметр 23 см. Для фиксации элементов необходим суперклей. С его помощью производится закрепление магнитов на первом диске. При выполнении этой задачи важно чередовать полярность, а в ходе установки между элементами должен соблюдаться угол в 60 градусов. Диаметр расположения составит 16,5 см.
Аналогичным образом выполняется сборка второго диска. Все магнитные элементы надо зафиксировать с помощью клея, а лучше — залить их.
Чтобы изготовить статорный механизм, потребуется девять катушек, на каждую из которых наматывается по 60 витков медного проводника. Диаметр его сечения должен составить 1 мм. Важно правильно выполнить спайку проводников. Начало первой катушки фиксируется на конце четвертой, а она — с контактом седьмой.
Сборка следующей фазы роторного механизма осуществляется аналогичным образом. Только действия начинаются со второй катушки.
Затем из фанерного листа надо сделать форму для статорного устройства. На дно укладывается полотно стекловолокна, а сверху производится монтаж фаз, на которые припаяны катушки. Полученную конструкцию надо залить клеем и оставить просохнуть на два дня. Это позволит эффективно схватиться всем элементам и занять необходимые места. После выполнения этой задачи производится подключение отдельных составляющих компонентов в единую систему.
Для сборки в верхнем роторном механизме надо сделать четыре отверстия, куда будут устанавливаться шпильки. Затем на кронштейн ставится нижнее устройство, при монтаже магниты направляются вверх.
Потом производится установка статорного механизма. Перед этим надо сделать в устройстве отверстия, через которые узел будет фиксироваться на кронштейне.
Шпильки упираются в алюминиевую пластину, после чего производится монтаж второго роторного механизма. Этот узел устанавливается магнитными элементами вниз.
Затем, используя гаечный ключ, надо по очереди вращать каждую шпильку. Это позволит обеспечить равномерное опускание верхнего роторного механизма на нижнее. После того как узел займет необходимое место, шпильки надо демонтировать. Алюминиевые пластины извлекаются, они больше не нужны.
По завершении работ вся конструкция закрепляется посредством гаек. Элементы фиксации надо затянуть максимально прочно, но не жестко, иначе можно сорвать резьбу.
В качестве мачты рекомендуется использовать прочную стальную трубу, ее длина должна составить около пяти метров. К ней производится фиксация готового генераторного устройства. После этого выполняется подсоединение каркаса с пластмассовыми лопастями к агрегату. Затем собранная конструкция монтируется на площадку, подготовленную для установки оборудования. Рекомендуется заранее сделать трехточечный армированный фундамент на поверхности, а для лучшей фиксации надо обеспечить растяжку.
Если говорить о подключении электросети к ветровому генераторному устройству, то соединение проводников производится в конкретной последовательности. Блок управления должен принимать ресурс от агрегата и выполнять преобразование переменной величины тока в постоянную, которая требуется для зарядки аккумулятора. АКБ будет сохранять заряд. Инверторный механизм предназначен для преобразования постоянной величины тока в переменную, которая будет использовать для питания бытового оборудования.

Фотогалерея

Установка роторных элементов и магнитов, а также шпилек на алюминиевую пластину Схемы фиксации лопаток роторного механизма

Как сделать расчет ветрогенератора самостоятельно

Для вычисления параметра мощности оборудования, которое будет использоваться на определенной местности, применяются формулы. В первую очередь производится расчет объема энергии, позволяющую выработать ветрогенератором на протяжении года.

Вычисление общей мощности оборудования

Для осуществления задачи выполняются такие действия:

Сначала производятся вычисления. В соответствии с полученными результатами подбирается длина элементов вращения, а также высота башни.
Выполняется анализ средней скорости воздушного потока, характерного для определенной местности. Для этого потребуется специальное оборудование. С его помощью необходимо следить за силой потока воздуха на протяжении нескольких месяцев. При отсутствии прибора можно запросить результаты у представителей местной метеостанции.

Расчет мощности ветрогенератора выполняется по формуле Р=krV 3S/2.

Обозначения символов:

r — параметр плотности воздушного потока, при обычных условиях это значение равно 1,225 кг/м3;
V — средняя величина скорости ветра, измеряется в метрах в секунду;
S — общая площадь воздушного потока, замеряется в метрах;
k — параметр эффективности турбины, которая устанавливается в оборудовании;

Используя эти расчеты, можно точно определить величину мощности, необходимой для генераторной установки в конкретной местности. Если покупается фирменное оборудование, то на его упаковке должно указываться, при какой силе воздушного потока работа устройства будет максимально эффективной. В среднем это значение составит в диапазоне от семи до одиннадцати метров в секунду.

Пользователь Одесский инженер подробно рассказал о процедуре сборки генераторного устройства, а также о выполнении расчетов.

Вычисление винтов для ветряной установки

Процедура расчета выполняется по формуле Z=LW/60/V, обозначение символов:

Z — величина тихоходности одного винта;
L — размер окружности, которую будут описывать элементы вращения;
W — скорость прокручивания одного винта;
V — скоростной параметр подачи воздушного потока.

С учетом этой формулы производится вычисление количества оборотов. Но для расчета надо учитывать и шаг одного винта оборудования. Он вычисляется по формуле H=2пR* tga.

Описание символов:

2п — константное значение, составляющее 6,28;
R — значение радиуса, который будут описывать элементы вращения оборудования;
tg a — угол сечения.

Расчет инвертора для ветряного генератора

Перед выполнением этих вычислений надо учесть следующий момент. Если в домашней сети будет использоваться только одна батарея, рассчитанная на 12 вольт, то смысла ставить инвертор нет. Средняя величина мощности дачного участка или частного домовладения составляет около 4 кВт при условии максимальных нагрузок. Для подобной сети число батарей будет не менее десяти, каждая из них рассчитана на 24 вольта. С таким количеством аккумуляторов целесообразно применение инверторного устройства.

Но для данных условий, когда используется десять батарей на 24 вольта, понадобится ветрогенератор, рассчитанный на 3 кВт, не менее. Более слабое оборудование не сможет обеспечить энергией такое число аккумуляторов. Для бытовых приборов подобная мощность может быть слишком высокой.

Расчет мощностного параметра инверторного устройства осуществляется так:

Сначала необходимо суммировать мощностные характеристики всех потребителей энергии.
Затем определяется время потребления.
Вычисляется параметр пиковой нагрузки.

Александр Капустин показал процедуру запуска ветрового генераторного устройства с инвертором.

Где лучше устанавливать?

Для максимальной эффективности оборудование следует ставить на открытой местности, в наиболее высокой точке. Важно, чтобы ветровой генератор располагался не ниже уровня зданий, находящихся рядом. Из-за этого возникнут препятствия для ветрового потока, в результате чего коэффициент полезного действия будет низким. В случае когда участок выходит к водоему или реке, ветровой генератор устанавливается непосредственно на берегу.

Для монтажа системы оптимально подходят возвышенности либо большие пустые местности. Желательно, чтобы на пространстве не было искусственных преград, препятствующих прохождению ветрового потока. Если участок или здание расположено в городской черте, то установку ветрового генератора необходимо выполнить на крыше. Чтобы расположить оборудование в жилом многоквартирном доме, нужно получить письменное согласие соседей, а также разрешение из государственных инстанций. Установка генератора будет производиться также на крыше.

При выборе места важно помнить, что ветрогенератов должен располагаться не ближе, чем в 15 метров от зданий и не дальше, чем в 25. Благодаря этому шум от работы установки не будет беспокоить жильцов.