Ветряной двигатель: конструкция и применение

Выбор вида

Для горизонтальных ветрогенераторов могут быть применены лопасти разных видов, по той причине, что конструкция этого устройства не позволяет использовать лопасти сложных форм. При этом все стремятся к идеалу, улучшая уже существующие виды. В настоящее время достойны внимания следующие виды лопастей:

парусные;
твердопластинчатые.

Они отличаются один от другого по форме и конструкции и производятся из разных материалов. В основе лежит рамка, на которую натягивается крепкое, устойчивое к воздействию факторов окружающей среды полотно. Установка производится так, чтоб одна из сторон рамки не была закрыта полотном. В результате выходит лопасть трехугольной формы, одна из боков которой не прикреплена к основанию.

Приводит колесо во вращение она следующим образом: поток ветра наполняет материю и создает в парусе необходимое давление. Лопасть начинает вращение и воздействует соответствующим образом на шток, который и передает вращательное движение на колесо. Этот вариант является самым оптимальным для создания домашнего ветрогенератора по той причине, что не требует постоянного ухода и контроля за состоянием крыльчатки и в частности ткани.

Электростанция с трехлопастными ветрогенераторами Источник strana-rosatom.ru

Устройство ветряной установки

Ветрогенераторы отличаются абсолютной экологической чистотой и способны обеспечивать бесплатной энергией потребителей в течение неограниченного времени. Ветряные генераторы – ВЭС обладают различной мощностью, что дает возможность использовать их в разных областях.

Максимальной эффективности ветряной электростанции можно добиться, установив ее в местах с постоянными активными воздушными потоками. Обычно для этого используются горы и холмы, берега морей и океанов и другие аналогичные условия. Основной деталью установки служит крыльчатка, выполняющая функцию турбины. В большинстве случаев используются трехлопастные конструкции ВЭС в виде пропеллера, устанавливаемые на большой высоте от земной поверхности.
Для того чтобы получить наибольший эффект, лопасти вместе с ротором устанавливаются в оптимальное положение при помощи специальных механизмов, в зависимости от направления и силы ветра. Существуют и другие конструкции – барабанные, не зависящие от вышеперечисленных факторов и не требующие каких-либо регулировок. Однако, если КПД пропеллерных установок находится на уровне 50%, то у барабанных устройств он значительно ниже.

Каждая воздушная электростанция, независимо от конструкции, полностью связана с действием воздушных потоков, часто изменяющих свои показатели. Это в свою очередь приводит к изменениям количества оборотов крыльчатки и производимой электрической мощности. Такое положение требует сопряжения генератора и электрической сети при помощи дополнительного оборудования.

Как правило, для этого используются аккумуляторные батареи вместе с инверторами. Вначале от генератора осуществляется зарядка АКБ, для которой равномерность тока не имеет значения. Далее заряд аккумулятора, преобразованный в инверторе, передается в сеть.

Пропеллерные конструкции ВЭС в случае необходимости могут управляться. При слишком высокой скорости ветра, производится изменение угла атаки лопастей, вплоть до самого минимального. Это приводит к снижению ветровой нагрузки на турбину. Тем не менее, под действием ураганов, крыльчатки ветровых электростанций нередко подвергаются деформациям, и вся домашняя установка выходит из строя. Полностью избежать негативных воздействий не получается, поскольку электрические генераторы размещаются на высоте, составляющей в среднем 50 м. За счет этого удается использовать более сильные и стабильные ветра, господствующие на больших высотах.

Модели с лопастями крыльчатой формы

Сделать с лопастями крыльчатой формы ветряные генераторы для дома своими руками довольно просто. В первую очередь для модели нужно соорудить мачту. Изготавливается она чаще всего с круглым сечением. Станина в данном случае потребуется небольшой ширины. Непосредственно лопасти в конструкции устанавливаются на ведущем валу. К мачте устройства следует прикрепить хвостовую пластину. Для подачи электроэнергии на электрический генератор для ветряных турбин используется двухфазный выпрямитель. Если рассматривать модификации с ветроколесом диаметром 200 см, то параметр номинальной мощности, как правило, не превышает 50 Вт. Многие модели в среднем выдают за минуту 120 оборотов.

Параметр полезного действия генераторов ветряного типа колеблется в районе 85 %. Если рассматривать модель крыльчатой формы с ветроколесом диаметром 250 см, то в этом случае показатель номинальной мощности возрастает до 70 Вт

Также важно учитывать, что пороговое напряжение колеблется в районе 30 В. Непосредственно крутящий момент в устройствах достигает 12 Нм

Коэффициент полезного действия в этом случае не превышает 80 %. Стоит в среднем ветряной генератор (цена рыночная) в районе 340 тыс. руб.

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

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.

Как сделать ветряной генератор своими руками

Покупка заводского ветрогенератора не всегда лучшее решение. Главное препятствие — высокая стоимость промышленных ветряков. Такое оборудование можно ставить не на всякий участок ‑ для установки мачты требуется специальное разрешение, да и опасно оставлять оборудование на необжитом месте. Альтернативный вариант ‑ сделать ветрогенератор для частного дома своими руками. Во многих случаях это приемлемо, учитывая минимальные затраты и возможность творчески проявить себя.

Роторный ветрогенератор — относительно простое преобразовательное устройство. Его будет недостаточно для полного обеспечения электроэнергией особняка, но на небольшой дачный домик самодельного ветряка вполне хватит. Он сможет осветить домик, хозяйственные постройки, дорожки на участке и т. д.

Где выгодно ставить ветряки

Ветрогенераторы для дома востребованы в местностях, где постоянно дуют ветра. То есть, если в месте, где стоит ваш дом, постоянно ветреная погода, вы можете задуматься над приобретением ветряка. Если ветра мало, следует присмотреться к солнечным батареям последнего поколения, которые могут вырабатывать большое количество электроэнергии.

Ветряные электростанции выгодно ставить в восточных районах России, для которых характерно большое количество ветров. При этом рядом с вышкой станции не должно быть построек и элементов ландшафта, перекрывающих воздушные потоки – это могут быть холмы, многоэтажные здания, кромки лесов, скалы, иные преграды. Оптимальная высота расположения лопастей варьируется в районе 10-15 метров. Можно и выше, но тогда под угрозой окажется целостность ветряка – он может разрушиться из-за слишком сильного ветра.

Также необходимо понимать, что чем выше ветряная электростанция, тем большую нагрузку она создает на грунт.

Даже если есть все условия для установки ветряной электростанции, следует призадуматься над дополнительными источниками электроэнергии. Например, рядом с ветряком можно поставить небольшую солнечную панель, которая будет давать электричество в безветренные дни. Нередко для этих целей используются вспомогательные бензиновые, дизельные или газовые генераторы, которые могут работать в любую погоду и в любое время дня и ночи.

Виды ветрогенераторов с вертикальной осью вращения

Многочисленные конструкции с вертикальной осью вращения объединяются в основные группы:

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

Ротор Дарнье

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

Плюсы:

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

Минусы:

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

Ротор Савониуса

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

Достоинства:

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

Недостатки:

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

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

Вертикально-осевой ротор

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

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

Геликоидный ротор

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

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

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

Многолопастной ротор

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

Но эта схема приводит к повышению материалоёмкости устройства, что увеличивает его стоимость. В процессе эксплуатации конструкцию сопровождает увеличенный звуковой фон.

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.

Конструкция и технические характеристики ветроэнергетической установки

Технические исследования доказали, что атмосферные циклоны намного мощнее наземные, поэтому необходимо выше устанавливать генерирующее устройство. Чтобы получить энергию высотных ветров необходимо определенная технология.

принцип работы зелёного тарифа с ветрогенератором

Её можно получить с помощью совокупности турбин и воздушных змеев. Электростанции, находящиеся на поверхности земли или морском шельфе получают поверхностный поток. Изучая технологический процесс производства двух типов станций, эксперты пришли к колоссальной разнице в эффективности. Наземные турбины смогут произвести более 400 ТВт, а высотные – 1800 ТВт.

Ветроэлектростанция на 100 квт в час на целые сутки

В общем, ветрогенераторы разделяют на домашние и промышленные. Последние устанавливаться на больших корпоративных объектах, так как имеют большую мощность, иногда их даже объединяют в сеть, что в результате составляет целую электростанцию. Особенностью таких способов выработки электричества является полное отсутствие как самого сырья для переработки, так и отходов. Все что нужно для активного функционирования электростанции — мощные порывы ветра. Карта ветров по регионам и среднегодовая скорость.

Мощность можете достигать 7,5 мегаватт.

Роторные следует монтировать в местах где скорость ветра больше 4 м/с. Расстояние от мачты до ближайших построек или высоких деревьев, должно составлять не меньше 15 метров, а расстояние от нижнего края ветроколеса до ближайших веток деревьев и строений, должно быть, не меньше 2 метров. Требуется отметить, что конструкцию и высоту мачты каждый рассчитывает индивидуально, в зависимости от местных природных условий, наличия препятствий и скорости воздушного потока.

Установка и горизонтальных, и вертикальных ветрогенераторов производиться на фундамент. Мачту крепят на анкерные болты. Перед установкой мачты фундамент выдерживают месяц, это нужно, чтобы бетон уселся и набрал прочность. В обязательном порядке комплектуются системой грозовой защиты, поэтому могут надёжно обеспечить ваш дом электричеством, даже в дождливую погоду.

Новейшие технологии разработчиков компании NASA, направлены на генерирующие устройства воздушного змея. Это повысит коэффициент полезного действия до 90%. Так как, на земле будет расположен генератор, а в воздухе прибор, улавливающий атмосферные порывы. Сейчас тестируется система полета воздушного прибора, максимальная дальность 610 метров, а размах крыла приблизительно 3 метра. Вращательная фаза шара будет потреблять меньше ресурсов, а турбинные лопасти станут быстрее двигаться. Конструкторы предполагают, что такую инженерию можно внедрять в космосе, например на Марсе.

Змеи – электрогенераторы

Как видим, будущая перспектива достаточно оптимистична, осталось только дождаться, когда это все воплотится в жизнь. Не только космическое агентство предлагает инновационные методы, но уже множество компаний имеет планы на размещение таких конструкций на нужных географических участках Земли. Некоторые из них добились потрясающего прогресса и их детища уже эксплуатируются.

Чего только стоят башни – близнецы в Бахрейне, где два гигантских здания как одна электростанция. Высота достигает 240 метров. За год такой проект вырабатывает 1130 МВт. Примеров можно приводить очень много, суть в том, что с каждым годом растет количество заинтересованных компаний для участия в развитии индустрии.

Схема распределения энергии: 1 — ветрогенератор; 2 — контроллер заряда; 3 — аккумулятор; 4 — инвертор; 5 — распределительная система; 6 — сеть; 7 — потребитель.

Принцип работы

Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума. Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти.

Схема работы ветрогенератора: показан принцип преобразования энергии ветра и действия внутренних механизмов

Во время своих поворотов винты также вращают ось, соединённую с генераторным ротором. Когда двенадцать магнитиков, закреплённых на роторе, вращаются в статоре, создаётся переменный электрический ток, имеющий такую же частоту, как и в обычных комнатных розетках. Это основной принцип того, как работает ветрогенератор. Переменный ток легко вырабатывать и передавать на большие расстояния, но невозможно аккумулировать.

Принципиальная схема ветрогенератора

Для этого его нужно преобразовать в постоянный ток. Такую работу выполняет электронная цепь внутри турбины. Чтобы получить большое количество электроэнергии, изготавливаются промышленные установки. Ветровой парк обычно состоит из нескольких десятков установок. Благодаря использованию такого устройства дома, можно получить существенное снижение расходов на электроэнергию. Принцип действия ветрогенераторов позволяет применять их в таких вариантах:

для автономной работы;
параллельно с резервным аккумулятором;
вместе с солнечными батареями;
параллельно с дизельным или бензиновым генератором.

Если поток воздуха движется со скоростью 45 км/час, турбина вырабатывает 400 Вт электроэнергии. Этого хватает для освещения дачного участка. Данную мощность можно накапливать, собирая её в аккумуляторе.

Специальное устройство управляет зарядкой аккумуляторной батареи. По мере уменьшения заряда вращение лопастей замедляется. При полной разрядке батареи лопасти снова начинают вращаться. Таким способом зарядка поддерживается на определённом уровне. Чем сильнее воздушный поток, тем больше электроэнергии может произвести турбина.

Принцип работы и устройство ВЭС

На ветряной электростанции поток воздуха вращает колесо с лопастями, с которого крутящий момент передается на другие механизмы. Чем больше размеры колеса, тем больший поток воздуха оно захватывает и, следовательно, быстрее вращается.

Если говорить языком физики, линейная скорость ветра преобразовывается в угловую скорость вращения оси генератора, который, в свою очередь, преобразовывает вращательное движение в электрическую энергию, передавая ее через контроллер на аккумуляторы. На выходе из устройства электроэнергия уже пригодна к бытовому использованию.

То есть, малая электростанция ветровая состоит из турбины, лопастей, хвоста (поворотного механизма), мачты с тросами-растяжками, аккумуляторов, контроллера их заряда и инвертора, который преобразовывает напряжение 12 В в 220 В.

Кроме этих устройств промышленная ВЭС содержит еще системы слежения за направлением ветра и его скоростью, состоянием ветрогенератора и защиты от грозовых разрядов. Кроме того, с нагрузками большего масштаба мачта не справляется, и ее заменяют башней, в которой располагается все дополнительное оборудование.

Обслуживание ветрогенератора и уход за ним

Для обеспечения безаварийной работы ветрогенератора требуется надежно закрепить на лопасти. Чем больше их длина, тем прочнее они должны крепиться. Сроки осуществления проверок прописываются в регламенте энергогенерирующей компании, указываются его паспорте и инструкции по использованию.

Общие правила регламентируют такую последовательность проверки лопастей на надежность их крепления:

каждый месяц. Осуществляется внешний осмотр, и подтяжку крепежа в узловых соединениях.
каждый квартал. Завинчивание резьбовых соединений, если они разболтались. Если, конечно, такие виды соединений имеются в конкретном ветрогенераторе.
раз в полугодие. Проверка лопастей на дисбаланс, и осуществления в случае необходимости их балансировки.
ежегодно. Проверка состояния и функционирования всего устройства. При необходимости осуществляется ремонт, нанесение лакокрасочных покрытий.

Разновидности вертикальных генераторов (карусельный тип)

Вертикальные преобразователи силы ветра в энергию часто используются для бытовых нужд. Эти виды ветрогенераторов просты в обслуживании. Основные узлы, которые требуют внимания, находятся в нижней части установок и свободны для доступа.

1. Генераторы с ротором Савоуниса

Состоят из двух цилиндров. Постоянное осевое вращение и поток ветра не находятся в зависимости друг от друга. Даже при резких порывах он крутится с заданной изначально скоростью.

Отсутствие влияния ветра на скорость вращения, бесспорно, − его хорошее преимущество. Плохо то, что он использует силу стихии не на всю ее мощь, а только на треть. Устройство лопастей в виде полуцилиндров позволяют работать лишь в четверть оборота.

2. Генераторы с ротором Дарье

Имеют две или три лопасти. Легко монтируются. Конструкция простая и понятная. Начинают работать от запуска вручную.

Минус – турбины не отличаются мощной работой. Сильная вибрация становится причиной сильного шума. Этому способствует большое количество лопастей.

3. Геликоидный ротор

Вращение ветрогенератора происходит равномерно благодаря закрученным лопастям. Подшипники не подвержены быстрому износу, что значительно продляет срок эксплуатации.

Монтаж установки требует времени и сопряжен с трудностями сборки. Сложная технология изготовления отразилась на высокой цене.

4. Многолопастный ротор

Вертикально – осевая конструкция с большим количеством лопастей делает его чувствительным даже к очень слабому ветру. Эффективность таких ветрогенераторов очень высокая.

Это мощный преобразователь. Энергия ветра используется максимально. Стоит он дорого. Недостаток – высокий звуковой фон. Может давать большой объем электротока.

5. Ортогональный ротор

Начинает вырабатывать энергию при скорости ветра в 0,7 м/сек. Состоит из вертикальной оси и лопастей. Не производит много шума, отличается красивым необычным дизайном. Срок службы несколько лет.

Лопасти с большим весом делает его громоздким, что усложняет монтажные работы.

Положительные стороны вертикальных ветрогенераторов:

Использование генераторов возможно даже при слабом ветре.
Не настраиваются на ветровые потоки, так как не зависят от его направления.
Устанавливаются на короткой мачте, что позволяет производить обслуживание систем на земле.
Шум в пределах 30 дБ.
Разнообразный, приятный внешний вид.

Основной изъян – используют силу и энергию ветра не полностью из-за невысокой вращательной скорости ротора.

Использование энергии ветра

Ветряные мельницы, а точнее принцип их действия, были незаслуженно забыты в двадцатых годах прошлого века. Впрочем, силу ветра не использовали и тогда для получения электрической энергии. Она приводила в действие жернова мельниц, использовалась в качестве движителя для парусных судов, позднее запускала насосы для закачки воды в резервуары, то есть превращалась в механическую энергию.

Ветроэнергетика начала стремительно развиваться в конце шестидесятых годов прошлого, XX столетия. В это время стало катастрофически не хватать традиционных энергоносителей, кроме того, они резко поднялись в цене, все острее становились экологические проблемы, связанные с их использованием.

Способствовал использованию альтернативных источников электроэнергии, в том числе силы ветра, и технический прогресс. Появились новые высокопрочные и достаточно легкие материалы, позволяющие возводить башни до 120 м высотой и огромные лопасти.

Ветра, дующие во многих регионах планеты, в состоянии вращать турбины электростанции с достаточной скоростью, чтобы обеспечивать энергией частные дома, небольшие фермы или школы в сельской местности.

Но в любой бочке меда найдется хотя бы одна ложка дегтя. Ветер невозможно подчинить, он не дует всегда, тем более в одном направлении и с одинаковой скоростью. Технический прогресс не стоит на месте. Если сегодня ветряные электростанции для частного дома, вырабатывающие сотни киловатт электроэнергии, уже не являются большой редкостью, то завтра, может быть, повседневностью станут и станции мощностью в десятки мегаватт. Во всяком случае, уже есть ветроэлектростанции, мощность которых составляет 5 мВт и больше.

Заключение (ветряные мельницы для электричества)

Итак, передовой опыт европейцев в использовании ветряных мельниц по добыче электричества, в нашим российских широтах не везде и не всегда преминем. Некоторые пользователи, которые не послушались всех доводов и вплотную столкнулись со всеми вышеописанными проблемами, считают, что самый дорогой флюгер для дома – это ветрогенератор. Поэтому, выбирая ветряные мельницы по модели роторов и их составляющим, руководствуйтесь чужим опытом. С помощью подсказок знающих людей, можно частично решить проблему электротехнических расчетов или, хотя бы, получить четкие ориентиры в этом направлении.