Вертикальный ветрогенератор – особенности конструкций разного типа и самостоятельное изготовление

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.

Особенности и принцип работы

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.

Интересно знать! Ортогональные ветрогенераторы имею непродолжительный срок службы, так как в процессе работы ротор оказывает высокие динамические нагрузки на опорные узлы конструкции. Чтобы продлить срок эксплуатации необходимо регулярно проводить осмотр опорных частей и своевременно осуществлять их замену.

Ротор Дарье

Лопасти данного генератора совсем непохожи на предыдущие. Обычно это две-три полосы характерной изогнутой формы, которые не имеют аэродинамический профиль. Крепятся они у основания и на верхушке центральной оси вращения.

• Для турбины также не важно направление ветра.
• Устройство способно развивать большую скорость вращения.
• Привод также может быть размещен у основания.

Эффективность такого ветрогенератора  также не очень высока из-за тех же динамических нагрузок, которые еще ложатся и на вращающиеся узлы. При этом запустить генератор может только порыв ветра достаточной силы – если поток будет усиливаться равномерно, старта не будет.

Ротор Савониуса

Данные установки имеют лопастную систему полуцилиндрического типа.

• От прочих конструкций данные генераторы отличает высокий крутящий пусковой момент.
• Система способна эффективно работать даже при низкой силе ветра.
• Мощность выпускаемых генераторов такого типа не превышает 5 кВт.
• Они редко используются как отдельные источники энергии, применяясь в основном для создания пускового момента в роторах Дарье.
• Из недостатков системы можно отметить большой расход металла, а, следовательно, и вес.
• КПД устройства также ниже, чем у генераторов на горизонтальной оси.

Многолопастные роторы с направляющей системой

Данная конструкция, по сути, мало чем отличается от классической ортогональной системы, за исключением того, что ротор состоит из двух рядов лопастей (внешнего и внутреннего).

• Внешний ряд выступает направляющим контуром. Будучи статичным, его задача состоит в улавливании потока ветра, его сжатии и направлении внутрь. Таким образом, поток ветра, фактически, усиливается.
• Внутренний ряд вращается от потока воздуха, который отражается от внешнего под определенным углом.
• Специалисты считают, что данные генераторы являются самыми эффективными, однако слишком высокая цена делают эту категорию устройств менее окупаемой.
• КПД конструкции очень высокое, что позволяет ей эффективно работать даже при низких скоростях ветра.

Ветрогенераторы с геликоидными роторами

Такие роторы называют еще установками Горлова. По сути, перед нами снова модификация ортогональной системы, однако лопасти используются не прямые, а закрученные по дуге.

• Подобная конструкция позволяет легко улавливать даже незначительные потоки воздуха и вращаться плавно, без рывков, благодаря чему существенно снижается динамическая нагрузка, а основания и вращающиеся узлы работают долго и исправно.
• Надежность таких роторов очень высока, однако ложки дегтя не закинуть не можем. Во время работы агрегата создаются достаточно громкие звуковые эффекты, включая звуковые волны, короткого диапазона.
• Изготовление лопастей сложной формы – дело достаточно затратное, поэтому и стоимость готовой установки довольно высока.

Вертикально-осевые роторы

Лопасти такого генератора располагаются вертикально, плавно изгибаются и немного напоминают крыло от авиалайнера.

• Эти установки довольно быстро набирают рабочую скорость, и практически не издают шума, а значит, не мешают окружающим.
• Конструкция очень эффективна и имеет довольно солидный рабочий ресурс.
• Производство установки тоже нельзя отнести к самым дорогим, поэтому они пользуются хорошим спросом.

Самостоятельное изготовление вертикального ветрогенератора

Итак, сборка вертикального ветрогенератора — дело очень увлекательное, но достаточно сложное. В плане стоимости гораздо больше потянут сопровождающие устройства, но тут при желании можно сэкономить.

Основные комплектующие

Нам потребуется сделать следующие части конструкции:

• Осевая мачта – металлическая труба, которая будет удерживать наш генератор на высоте. Можно применить и другие конструкции согласно вашей задумке.
• Ротор – подвижная часть агрегата, которая будет задействована в выработке электрического тока. Ротор ветряного генератора будет оборудован мощными неодимовыми магнитами.
• Статор – неподвижная часть генератора, на которой размещаются катушки индуктивности, соединенные с внешней цепью. Строение статора сильно влияет на эффективность генератора – сегодня мы разберем самодельное изделие, которое будет выдавать трехфазный ток.
• Турбина – конструкция, состоящая из лопастей, заставляющая механизм вращаться от ветра.

Изготовление каждой детали обсудим по отдельности.

Как сделать турбину

Начнем с турбины. Ее конфигурация может быть любой. Посмотрите на следующие фото, чтобы понять до чего иной раз доходят народные умельцы в своих изысканиях.

В интернете нами была найдена следующая интересная схема сборки этого агрегата:

1. Тут мы видим соединяющий элемент, через который будет подсоединен ротор.
2. На этой схеме показано, как будут располагаться роторы. Сделать такую разметку на шаблоне из картона не составит труда.

Высота лопастей составляет 116 сантиметров, чего достаточно для эффективной работы устройства. Можно сделать и больше, чтобы увеличить эффект парусности, но имейте ввиду, что возрастут и динамические нагрузки на конструкцию.

• В качестве материала для оснований (верхнего и нижнего) можно использовать влагостойкую фанеру, ОСБ плиты, ABS пластик и прочие легкие материалы. Вырезаются они достаточно просто, при помощи электролобзика. Главное условие при этом, чтобы детали имели одинаковые размеры и форму.

• Лопасти вырезаются из листового железа, согласно требуемым габаритам.
• Крепление лопастей выполняется при помощи небольших металлических уголков, через болтовое соединение. В качестве шайбы используется гровер, чтобы от вибраций конструкция не разбалтывалась.

Сборка не очень сложна, так что все пройдет интуитивно, главное, не спешить, и четко соединять детали по шаблонам.

Сборка ротора

Собрать электрическую часть установки, не имея опыта в радиоэлектронике, занятие достаточно проблематичное, но все же возможное. При желании вы можете найти и готовый ротор со статором, но не каждое устройство подойдет для параметров ветроустановки, а готовый образец будет стоить много денег.

• Итак, нам понадобится две части ротора, представляющие собой круглые пластины, на которые будет наклеены мощные неодимовые магниты. Изготовлены они из металла.
• Основания изготавливаются одинаковыми, после чего на них приклеиваются шаблоны, которые сориентируют нас при размещении магнитов (смотрите фото выше).
• Как видите, магнитов будет 12 штук. Приклеивать их нужно таким образом, чтобы их полярность чередовалась.

• Монтаж выполняется при помощи эпоксидного клея – он держит надежно и застывает очень быстро.
• Нанесите клей на основание тонким слоем, после чего аккуратно установите магнит. Подносить его нужно с краю, чтобы избежать резкого примагничивания, иначе магнит может просто треснуть от удара.
• Избегайте того, чтобы магниты слиплись друг с другом, так как оторвать их будет очень сложно. Возможно, резонно воспользоваться деревянной прокладкой.
• Вторая часть ротора проклеивается аналогично, но с условием, что наклеенные магниты должны иметь обратную полярность. Чтобы сориентироваться, не помешает предварительно поставить метки на основаниях, показывая, как они будут стоять на установке.

Оставьте роторы застывать, предусмотрительно, убрав их подальше друг от друга, чтобы они случайно не примагнитились.

Статор

Статор является самой технически сложной деталью генератора. Для него нам понадобится изготовить 9 катушек одинакового размера и формы.

• Для изготовления катушки нам потребуется простейший станок, который можно сколотить своими руками из четырех гвоздей, двух кусочков фанеры, шпильки, четырех гаек и двух шайб, водрузив все это дело на вертикальную стойку из бруса.

• Сама катушка сделана из лакированной проволоки 0,51 мм, и содержит 320 ее витков. Если нужно большее напряжение, но меньший ток, то применяется проволока меньшего сечения, а количество витков увеличивается.
• Вообще, параметры обмотки статора нужно тщательно высчитывать, что требует знаний и опыта. Вдаваться в подробности не будем, а лишь приведем следующую небольшую табличку.

Если опыта в наматывании катушек у вас нет, то помните просто следующие важные вещи:

• Количество витков обязательно одинаковое;
• Укладываются витки в одном и том же направлении;
• Отмечайте начало и конец катушки;
• Чтобы не допустить произвольного разматывания катушки, обмотайте ее изолентой и залейте эпоксидкой.

• Вам понадобится вощеная бумага, на которой делается чертеж, разбивающий окружность на 9 частей.
• Положение катушек должно соответствовать расположению магнитов на роторе.

• Катушки соединяются в три независимых контура, как показано на схеме выше. Соединения лучше всего спаять и заизолировать.
• Затем полученные шесть выводов соединяются по одной из схем: звезда (x, y, z соединяются вместе) – позволяет получить большее напряжение; треугольник (x–b, y-c, z-a) – на выходе будет увеличенный ток.
• Уложите катушки на бумагу и зафиксируйте их положение скотчем.
• Чтобы эпоксидная смола не растекалась, сформируйте внутренний и внешний круг из стекловолокна.
• Тестово прозвоните катушки на предмет замыкания, и залейте пространство между ними.

Сборка генератора

Для окончательной сборки вам потребуется смастерить кронштейн, который будет удерживать статор в неподвижном положении, тогда как роторы будут вращаться снизу и сверху.

Вот, как это все будет выглядеть в сборе.

• Мы видим, что статор связывается с кронштейном через три длинные шпильки.
• Роторы отнесены от статора на одинаковое расстояние, которое также задается шпильками с втулками заданной длины.
• Чем меньше расстояние между деталями, тем эффективнее генератор, но возрастает риск повреждения конструкции при сильном ветре. Если обмотку протрет, то может произойти короткое замыкание.
• Вращение ротора на оси можно организовать при помощи автомобильной ступицы, под которую в основаниях турбины и роторов и были сделаны отверстия.
• Фиксируется ось ступицы в кронштейне за счет шести болтов закручиваемых по периметру трубы.

На этом сборку ветрогенератора можно считать оконченной. Вам осталось только выбрать место для установки, зафиксировать установку и подключить ее по уже описанной схеме.

На этом, пожалуй, завершим наш материал. Мы узнали основные характеристики вертикального ветрогенератора, его строение, преимущества вертикальных ветрогенераторов перед моделями с горизонтальной осью, а также поделились информацией по самостоятельной сборке данного устройства. Надеемся, материал был для вас полезным и познавательным. Прилагаем еще и видео, содержащее много полезных советов. Всего хорошего.