Ветрогенератор с вертикальным ротором. Ветрогенератор с вертикальной осью вращения.Схема и конструкция роторных вертикальных ветрогенераторов Горизонтальный ветряк своими руками чертежи

В последнее время поклонники возобновляемых источников энергии отдают предпочтение вертикальным конструкциям ветряков. Горизонтальные уходят в историю. Дело не только в том, что смастерить вертикальный ветрогенератор своими руками легче, чем горизонтальный. Основным мотивом такого выбора является эффективность и надежность.

Преимущества вертикального ветряка

1. Вертикальная конструкция ветряка лучше ловит ветер: нет необходимости определять, откуда он дует и ориентировать лопасти под воздушный поток. 2. Установка такого оборудования не требует высокого его расположения, а это значит, что вертикальный ветряк своими руками будет легче обслужить. 3. Конструкция содержит меньше движущихся деталей, что повышает ее надежность. 4. Оптимальный профиль лопастей повышает КПД ветряка. 5. Многополюсный генератор, использующийся для выработки электроэнергии, является менее шумным.

Расскажем о том, как изготовить детали и собрать вертикальный ветрогенератор своими руками.

Алгоритм действий при изготовлении турбины своими руками

1. Опоры (верхняя и нижняя) лопастей представляют собой две концентрические окружности одинаковых по размеру. Изготавливают их из ABS пластика – вырезают лобзиком. В одной из них (она будет верхней) проделывают отверстие диаметром 300 мм.

2. Нижняя опора должна опираться на хаб, в качестве которой можно использовать ступицу легкового автомобиля. Для соединения деталей нужно разметить и высверлить 4 отверстия. 3. Собирая вертикальный ветрогенератор своими руками, особое внимание уделяют креплению лопастей. Для правильного расположения лопастей нужен шаблон. На нижней опоре чертим шестиконечную звезду (звезду Давида), углы которой будут находиться на краю окружности. Проецируем чертеж на верхнюю опору. Лопасти изготавливаем из тонкого листового металла в виде полоски длиной 1160 мм, ширина которых – чуть больше стороны луча звезды.

4. Крепят лопасти двумя уголками вверху и внизу, при этом они должны быть изогнуты так, чтобы образовалась четверть круга. Располагают их друг за другом по окружности, устанавливая на грани лучей.

Изготавливаем ротор

1. Основания для ротора диаметром 400 мм выпиливают из фанеры толщиной 10 мм. По внешнему радиусу с помощью жидких гвоздей или эпоксидного клея крепят постоянные неодимовые магниты с высокой индуктивностью. Располагают их аналогично цифрам на часовом циферблате (ровно 12 шт) с соблюдением полярности (их рекомендуется промаркировать). Чтобы магниты не сошли со своего места, их временно фиксируют распорками из деревянных клиньев.

2. Второй ротор делают аналогично и симметрично первому. Разница в полярности магнитов – она должна быть противоположной.

Как собрать статор

Статор собирается из 9-ти катушек индуктивности. Должно быть з группы последовательно соединенных катушек (по 3 шт. в группе): конец предыдущей соединяется с началом следующей (конфигурация «звезда»). Располагаются катушки симметрично в вершинах трех треугольников, вписанных в окружность. Намотка выполняется медным проводом 0,51 мм в диаметре (тип – 24 AWG). Необходимо 320 витков. Это позволит получить на выходе генератора напряжение 100 В при 120 об/мин. турбины. Вертикальный ветрогенератор своими руками можно смастерить с различными параметрами выходного напряжения и тока путем уменьшения/увеличения количества витков и диаметра намоточного провода статора. Витки катушек наматываются одинаково. Необходимо соблюдать направление намотки и отмечать ее начало и конец. Поверх наружного витка наносится эпоксидный клей и наматывается в четырех местах изолента – для препятствования разматыванию.

Правила и нюансы соединения катушек

Концы катушек необходимо очистить от лаковой изоляции. Соединения выполняются пайкой. Подготовленные таким образом катушки укладывают на бумажный лист, на который наносят схему их расположения (в соответствии с положением постоянных магнитов ротора). Фиксируют их скотчем. Все свободные поля бумаги (кроме центров катушек) заклеивают стеклотканью, заливая эпоксидную смолу с отвердителем. Выводы обмоток должны располагаться снаружи или внутри статора. Для крепления кронштейна в статоре проделывают отверстия.

Окончательная сборка и установка

На одну ось собираются (сверху – вниз): нижняя опора лопастей, диск с постоянными магнитами (верхнее основание ротора), статор, нижнее основание ротора и ступица. Все составляющие крепятся шпильками к кронштейну. Для хорошего контакта используем болты из нержавеющей стали. Доработав остальные мелочи, получаем готовое устройство. Вертикальный ветряк своими руками следует устанавливать на отрытой местности, там, где сила ветра наибольшая. Желательно, чтобы вблизи не было высоких сооружений. Тогда ветрогенератор будет эффективно вырабатывать электроэнергию, что поможет сэкономить средства.

Ветроэнергетика поражает многообразием и необычным дизайном конструкций ветрогенераторов. Существующие конструкции ветрогенераторов, а также предлагаемые проекты ставят ветроэнергетику вне конкуренции по оригинальности технических решений по сравнению со всеми остальными мини-энергокомплексами, работающими с использованием ВИЭ.

В настоящее время существует множество различных концептуальных конструкций ветрогенераторов, которые по типу ветроколес (роторов, турбин, винтов) можно разделить на два основных вида. Это ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и с вертикальной (карусельные, так называемые Н-образные турбины).

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения . В ветряках с горизонтальной осью вращения роторный вал и генератор располагаются наверху, при этом система должна быть направлена на ветер. Малые ветряки направляются с помощью флюгерных систем, в то время как на больших (промышленных) установках есть датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на ветер. Большинство промышленных ветрогенераторов оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. В силу того, что мачта создает турбулентные потоки после себя, ветроколесо обычно ориентируется по направлению против воздушного потока. Лопасти ветроколеса делают достаточно прочными, чтобы предотвратить их соприкосновение с мачтой от сильных порывов ветра. Для ветряков такого типа не нужны установки дополнительных механизмов ориентации по ветру.

Ветроколесо с горизонтальной осью

Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей: от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой закреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов для этой цели применяются хвостовые оперения, а у больших ориентацией управляет электроника.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, которые стоят на лопастях или вращаются вместе с ними, и др. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, либо вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.

В настоящее время высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 90 м. Ветроколесо совершает 10-20 поворотов в минуту. В некоторых системах есть подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой возможной автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.

Основные достоинства горизонтальной оси следующие: изменяемый шаг лопаток турбины, позволяющий по максимуму использовать энергию ветра в зависимости от атмосферных условий; высокая мачта позволяет «добираться» до более сильных ветров; высокая эффективность благодаря направлению ветроколеса перпендикулярно ветру.

В то же время горизонтальная ось имеет ряд недостатков. Среди них - высокие мачты высотой до 90 м и длинные лопасти, которые трудно транспортировать, массивность мачты, необходимость направления оси на ветер и т.д.

Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения. Основным преимуществом такой системы является отсутствие необходимости направления оси на ветер, так как ВЭУ использует ветер, поступающий с любого направления. Кроме того, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения. Особенно эффективны такие установки в областях с переменным ветром. Верти-кально-осевые турбины работают при низких скоростях ветра и любых его направлениях без ориентации на ветер, но имеют малый КПД.

Автором идеи создания турбины с вертикальной осью вращения (Н-образной турбины) является французский инженер Джордж Джин Мари Дариус (Жан Мари Дарье). Этот тип ветрогенератора был запатентован в 1931 г. В отличие от турбин с горизонтальной осью вращения Н-образные турбины «захватывают» ветер при изменении его направления без изменения положения самого ротора. Поэтому ветрогенераторы такого типа не имеют «хвоста» и внешне напоминают бочку. Ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух - четырех изогнутых лопастей.

Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,300,35. В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа.

Установка имеет довольно высокую эффективность, но при этом образуются серьезные нагрузки на мачту. Система также обладает большим стартовым моментом, который с трудом может быть создан ветром. Чаще всего это производится внешним воздействием.

Ротор савониуса

Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса, созданный финским инженером Сигуртом Савониусом в 1922 г. Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра - всего 0,1-0,15.

Главное преимущество вертикальных ветрогенераторов в том, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упрощает конструкцию. Рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра (2-2,5 м/с) производит меньше шума.

Однако серьезным недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Из-за потерь на вращение против потока воздуха большинство ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти вдвое менее эффективны, чем с горизонтальной осью.

Поиск новых решений в ветроэнергетике продолжается, и уже есть оригинальные изобретения, например турбопарус. Ветрогенератор монтируется в виде длинной вертикальной трубы в 100 м высотой, в которой из-за температурного градиента между концами трубы возникает мощный воздушный поток. Сам электрогенератор вместе с турбиной предлагается установить в трубе, в результате чего поток воздуха обеспечит вращение турбины. Как показывает практика эксплуатации таких ветрогенераторов, после раскрутки турбины и специального подогрева воздуха у нижнего края трубы даже при тихом ветре (и штиле) в трубе устанавливается сильный и стабильный поток воздуха. Это делает такие ветроустановки перспективными, но только в безлюдных местностях (при работе такая установка засасывает в трубу не только мелкие предметы, но и крупных животных). Данные установки окружают специальной защитной сеткой, а систему управления располагают на достаточном расстоянии.

Турбопарус

Специалисты работают над созданием специального устройства для уплотнения ветра - диффузора (уплотнителя энергии ветра). За год ветродвигатель этого типа успевает «поймать» в 4-5 раз больше энергии, чем обычный. Высокая скорость вращения ветроколеса достигается с помощью диффузора. В узкой его части воздушный поток особенно стремителен, даже при сравнительно слабом ветре.

Ветрогенератор с дифузором

Как известно, скорость ветра с высотой увеличивается, что создает более благоприятные условия для использования ветрогенераторов. Воздушные змеи были изобретены в Китае примерно 2 300 лет назад. Идея использования змея для подъема ветрогенератора на высоту постепенно находит реализацию.

Летающий ветрогенератор

Швейцарские конструкторы из компании Етра представили новую конструкцию надувных воздушных змеев, которые смогут поднимать до 100 кг при массе самого крыла 2,5 кг. Их можно использовать для установки на морских судах и подъема на большую высоту (до 4 км) ветряных турбин. В 2008 г. подобная система прошла испытания при плавании контейнеровоза Beluga SkySails из Германии в Венесуэлу (экономия топлива составила свыше 1 000 долл./сутки).

Beluga SkySails

Например, в Гамбурге компанией Beluga Shipping такая система установлена на дизельном сухогрузе Beluga SkySails. Воздушный змей в виде параплана размером 160 м2 поднимается в воздух на высоту до 300 м за счет подъемной силы ветра. Параплан разделен на отсеки, в которые по команде компьютера по эластичным трубкам подается сжатый воздух. Компания Beluga SkySails к 2013 г. собирается оснастить такой системой около 400 грузовых судов.

Ветроголовки «Ветролов»

Интересное решение имеет конструкция ветроголовки «Ветролов». Вращающийся корпус генератора выполнен достаточно длинным (около 0,5 м), в средней части (на промежутке от фланца генератора до лопастей) - механизм складывания лопастей. По принципу действия он похож на механизм раскрывания автоматического зонта, а лопасти напоминают крыло дельтаплана. Для того чтобы лопасти не упирались друг в друга во время складывания, оси их закрепления несколько смещены. Четыре лопасти (через одну) идут вовнутрь, а четыре - снаружи. После складывания площадь лобового сопротивления ветряка уменьшается почти в четыре раза, а коэффициент аэродинамического сопротивления - почти в два.

В верхней части опоры ветряка устанавливается «коромысло» с вертикальной осью вращения. На одном его конце расположен ветрогенератор, на другом - противовес. При слабом ветре ветрогенератор посредством противовеса поднят выше верхней отметки опоры и ось ветряка при этом горизонтальна. При усилении ветра давление на ветроколесо растет и оно начинает опускаться, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси. Таким образом работает еще одна система «ухода» от сильного ветра. Конструкция позволяет наращивать коромысла так, что ветрогенераторы устанавливаются друг за другом. Получается своеобразная гирлянда из одинаковых модулей, которые при слабом ветре стоят один выше другого, а при сильном уходят вниз, «прячась» в «ветровую тень» ветроколеса. Здесь также заложена способность системы адаптироваться к внешней нагрузке.

Ветрогенератор Eolic

Конструкторы Маркос Мадиа, Серджио Оаши и Хуан Мануэль Пантано разработали портативный ветрогенератор Eolic. Для изготовления устройства использовались только алюминий и волокно из углеродных материалов. В собранном виде турбина Eolic имеет длину около 170 см. Для приведения Eolic из сложенного в рабочее состояние потребуется 2-3 человека и займет этот процесс 15-20 мин. Данный ветрогенератор может складываться для переноски.

Дизайнерский ветрогенератор Revolution Air

Сегодня есть много дизайнерских проектов и разработок. Так, французский дизайнер Филипп Старк создал ветрогенератор Revolution Air. Проект дизайнерского ветряка носит название «Демократичная экология».

Ветрогенератор Energy Ball

Международная группа дизайнеров и инженеров Home-energy представила свой продукт - ветрогенератор Energy Ball. Главной особенностью новинки является компоновка на нем лопастей по типу сферы. Все они соединены с ротором обоими концами. Когда ветер проходит сквозь них, он дует параллельно ротору, что увеличивает КПД генератора. Energy Ball может работать даже при очень низкой скорости ветра и производит гораздо меньше шума, чем обычные ветряки.

Ветрогенератор Третьякова

Уникальную ветроустановку создали конструкторы из Самары. При использовании в городской среде она дешевле, экономичнее и мощнее европейских аналогов. Ветрогенератор Третьякова представляет собой воздухозаборник, который улавливает даже относительно слабые воздушные потоки. Новинка начинает вырабатывать полезную энергию уже при скорости 1,4 м/с. Кроме того, не нужен дорогостоящий монтаж: установку можно ставить на здание, мачту, мост и т. д. Она имеет высоту 1 м и длину 1,4 м. КПД постоянный - около 52 %. Мощность промышленного аппарата - 5 кВт. На расстоянии 2 м шум от ветростанции составляет менее 20 Дб (для сравнения: шум вентилятора - от 30 до 50 Дб).

Windtronics

Американская компания Wind Tronics из Мичигана разработала компактную ветровую установку для применения в частных домохозяйствах. Разработчиком технологии является Wind Tronics, а производственный гигант Honeywell наладил изготовление ветровых установок. Дизайн предусматривает нулевой ущерб окружающей среде.

В этой установке используется турбинная безредукторная крыльчатка Blade Tip Power System (BTPS), что позволяет ветрогенератору работать в гораздо более широком диапазоне скоростей ветра, а также снизить механическое сопротивление и вес турбины. Wind Tronics начинает вращаться при скорости ветра всего 0,45 м/с и работоспособна до скорости 20,1 м/с! Расчеты показывают, что такая турбина генерирует электроэнергию в среднем на 50 % чаще и дольше, чем традиционные ветрогенераторы. Кстати, автоматика с постоянно подключенным к ней анемометром следит за скоростью и направлением ветра. При достижении максимальной рабочей скорости турбина просто поворачивается к ветру обтекаемым боком. Автоматика системы немедленно реагирует на переохлажденный дождь, способный вызвать обледенение. Технология уже запатентована более чем в 120 странах.

Интерес к малым ветровым турбинам растет во всем мире. Многие из компаний, работающих над решением этой проблемы, вполне преуспели в создании собственных оригинальных решений.

Optiwind 300

Компания Optiwind выпускает оригинальные ветровые установки Optiwind 300 (300 кВт, стоимость - 75 тыс. евро) и Optiwind 150 (150 кВт, стоимость - 35 тыс. евро). Они предназначены для коллективной экономии энергии в поселках и фермерских хозяйствах (рис. 12). Основная идея - сбор энергии ветра наборными конструкциями из нескольких турбин на приличной высоте. Optiwind 300 комплектуется 61-метровой башней, платформа акселератора имеет 13 м в диаметре, а диаметр каждой турбины составляет 6,5 м.

GEDAYC

Необычный вид имеет конструкция турбины GEDAYC (рис. 13). Малый вес позволяет турбине эффективно вращать электрогенератор при скорости ветра 6 м/с. Новая конструкция лопастей использует принцип, подобный «системе» воздушного змея. Турбины GEDAYC уже установлены на трех ветрогенераторах мощностью 500 кВт, снабжающих энергией горные выработки. Установка турбин GEDAYC и их опытная эксплуатация показали, что благодаря новой конструкции турбины легче, удобнее в транспортировке и проще в обслуживании.

Honeywell

Компанией Earth Tronics разработан новый тип «домашних» ветряных турбин Honeywell. Система позволяет вырабатывать электроэнергию на кончиках лопастей, а не на оси (как известно, скорость вращения концов лопастей гораздо выше скорости вращения оси). Таким образом, турбина Honeywell не использует редуктор и генератор, как в обычных ветрогенераторах, что упрощает конструк-цию, уменьшает ее вес и порог скорости ветра, при котором ветрогенератор начинает производить электроэнергию.

В Китае создан опытный проект ветрогенератора с магнитной левитацией. Магнитная подвеска позволила снизить стартовую скорость ветра до 1,5 м/с и соответственно на 20 % повысить суммарную отдачу генератора в течение года, что должно снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии.

Maglev Turbine

Компания Maglev Wind Turbine Technologies из Аризоны намерена производить ветровые турбины с вертикальной осью Maglev Turbine максимальной мощностью 1 ГВт. Экзотическая модель ветровой турбины выглядит как высотное здание, но по отношению к своей мощности она небольшая. Одна турбина Maglev может обеспечить энергией 750 тыс. домов и занимает площадь (вместе с зоной отчуждения) около 40 га. Придумал эту турбину изобретатель Эд Мазур, основатель компании MWTT. Maglev Turbine плавает на магнитной подушке. Главные компоненты новой установки находятся на уровне земли, их проще обслуживать. В теории новая турбина нормально работает как при крайне слабом ветре, так и при очень сильном (свыше 40 м/с). Компания намерена открыть научные и образовательные центры поблизости от своих турбин.

При изучении творческого наследия гениального русского инженера Владимира Шухова (1853-1939 гг.) специалисты ООО «Инбитек-ТИ» обратили внимание на его идеи использования стальных стержневых гиперболоидов в архитектуре и строительстве.

Ветровая турбина гиперболоидного типа

Потенциал подобных конструкций сегодня до конца не изучен и не исследован. Известно также, что Шухов называл свои работы с гиперболоидами «исследованиями». На основе его идей появилась разработка ветрогенераторов роторного типа абсолютно новой конструкции. Подобная конструкция позволит получать электроэнергию даже при очень малых скоростях ветрового потока. Для запуска из состояния покоя необходима скорость ветра 1,4 м/с. Это достигнуто за счет использования эффекта левитации ротора ветрогенратора. Ветрогенератор подобного типа способен начать работу даже в восходящих потоках воздуха, что имеет место, как правило, рядом с рекой, озером, болотом.

Mobile Wind Turbine

Еще один любопытный проект - ветрогенератор Mobile Wind Turbine - разработали дизайнеры студии Pope Design (рис. 17) . Это мобильный ветрогенератор, расположенный на базе грузовой машины. Для управления Mobile Wind Turbine нужен лишь оператор-водитель. Этот ветрогенератор можно будет использовать в зонах стихийных бедствий, во время ликвидации последствий ЧП и при восстановлении инфраструктуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современное состояние ветроэнергетики, предлагаемые конструкции и технические решения ветрогенераторов и «уплотнителей ветра» позволяют создавать мини-ветроэлектростанции для частного использования практически повсеместно. Порог скорости «трогания» ветрогенератора значительно снижен благодаря техническим разработкам, массогабаритные показатели ВЭУ также уменьшаются. Это позволяет эксплуатировать ветроэнергетические установки в «домашних» условиях.

Светлана КОНСТАНТИНОВА, кандидат технических наук, доцент БНТУ

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

Теперь получить бесплатную электроэнергию с помощью ветра вполне возможно. Существует несколько вариантов ветряков: с вертикальной и горизонтальной осью. Собрать вертикальный ветрогенератор своими руками может практически каждый человек, как правильно это сделать, читайте в нашей статье.

Принцип работы ветрогенераторов

Принцип работы во всех модификациях ветряков одинаков. В процессе вращения лопастей образуется три вида физического воздействия: подъемная, импульсная и тормозящая силы. В результате воздействия этих сил статор приходит в движение, а ротор на неподвижной части генератора начинает создавать магнитное поле и электрический ток движется по проводам.

Вариантов исполнения ветрогенераторов большое количество, отличаются они не только мощностью, но и своим внешним видом. Структура большинства ветряков включает в себя: генератор, лопасти, инвертор, мультипликатор. Инвертор используется для преобразования полученного заряда в постоянный ток. Мультипликатор — это редуктор, который предназначен для увеличения числа оборотов вала. Устанавливают редукторы не на все ветряки, в основном только на большие и мощные ветровые установки.

Трехфазный переменный ток образуется благодаря вращению ротора. Полученная энергия направляется через контроллер к аккумуляторной батарее. Далее инвертор преобразовывает ток и делает его стабильным, именно в таком виде его можно подавать для питания бытовых приборов или освещения.

Как самостоятельно изготовить ветрогенератор вертикального типа

Изготовить ветряк можно самостоятельно в домашних условиях. Для начала нужно определиться с видом ветрогенератора. В зависимости от своей конструкции ветроустановки бывают:

с вертикальной осью вращения: ротор Дарье, ветрогенератор Савониуса;
с горизонтальной осью вращения: параллельной или перпендикулярной потоку ветра.

Некоторые модели ветряков совмещают в себе несколько типов установок. Рассмотрим пример создания гибридного ветряка, который совмещает в себе конструкцию ветровых генераторов типа Савониуса и Дарье.

Собираем ротор

Чтобы собрать ротор, необходимо приобрести:

6 неодимовых магнитов D30хH10 мм;
6 ферритовых кольцевых магнитов D72xd32xh15 мм;
2 металлических диска D230хH5 мм;
эпоксидная смола или клей.

Вместо металлических дисков можно использовать пильные диски подходящего размера. На одном диске размещают 6 неодимовых магнитов, чередуя их полярность, угол между ними должен быть 60 градусов на диаметре 165 мм.

На втором диске по такому же принципу располагают ферритовые кольцевые магниты.

Чтобы магниты не сдвинулись во время работы ветряка, их нужно хотя бы до половины залить эпоксидным клеем.

Изготавливаем статор

Сначала необходимо намотать 9 катушек по 60 витков, для этого используют эмалированный медный провод диаметром 1 мм.

Далее катушки спаивают между собой: начало первой катушки с концом четвертой, четвертая с седьмой. Вторая фаза точно так же соединяется через две катушки, только спаивать начинают со второй катушки. Соединение третьей фазы начинается с третьей катушки.

Из фанеры изготавливается форма, в нее укладывают пергаментную бумагу, сверху которой кладут кусок стекловолокна и катушки.

Все это заливается эпоксидной смолой. Через 24 часа из формы извлекается готовый статор.

Сборка генератора

Все части генератора готовы, осталось их только собрать.

Сам генератор будет крепиться к кронштейну с хабом с помощью шпилек. Детальнее рассмотрим процесс сборки.

Этапы сборки генератора:

в верхнем роторе проделывается 4 отверстия с резьбой под шпильки. Они необходимы для того, чтобы ротор плавно «садился» на свое посадочное место;
в статоре проделывается 4 отверстия под крепление кронштейна;
на кронштейн укладывается нижний ротор магнитами вверх, в нем также просверливается 4 отверстия под резьбу для шпильки;
на нижний ротор кладут статор;
сверху укладывают второй ротор магнитами вниз. Все это фиксируется между собой и кронштейном с хабом шпильками и гайками.

Хаб (фланец с подшипниками) нужно приобрести отдельно: нижняя часть хаба должна быть диаметром под 1,5 дюймовую трубу.

Очередность крепления всех деталей более детально представлены на схеме ниже:

1 — соединительный элемент; 2 — опора лопастей; 3 — верхняя часть ротора; 4 — магнит; 5 — втулка; 6 — статор; 7 — нижняя часть ротора; 8 — гайка; 9 — шпилька; 10 — хаб; 11 — ось; 12 — кронштейн для крепления статора

Изготавливаем лопасти

Лопасти можно изготовить из дерева, стеклоткани и других материалов. Быстрее и легче эту часть ветрогенератора смастерить из канализационной ПВХ трубы. Лучше использовать трубы оранжевого цвета, так как они обладают хорошей плотностью и не боятся попадания прямых солнечных лучей.

Для вертикального ветрогенератора понадобится 4 лопасти из ПВХ трубы и 2 ортогональные (изогнутые) лопасти из оцинкованной жести. Такая конструкция позволит вращаться ветряку даже в условиях слабого ветра со скоростью 2-3 м в секунду. Берем метровые отрезки ПВХ трубы и разрезаем их вдоль на 2 равные части. Из жести вырезаем полукруги по размерам будущей лопасти и крепим их с помощью болтов по краям трубы.

Чтобы изготовить ортогональные лопасти, вам понадобится стандартный оцинкованный лист стали толщиной 0,75 мм. Сначала ножницами по металлу вырезается два отрезка размером 1х0,4 м и четыре отрезка в виде капельки. Потом отрезки стали нужно согнуть и по краям прикрепить отрезки «капельки».

Крепят лопасти по кругу на каркас, его можно сварить из профильной квадратной трубы 20х20 и уголков 25х25. Размеры каркаса и расстояние между лопастями можно увидеть на схеме ниже:

Сборка конструкции ветрогенератора

Из водопроводных труб различного диаметра сваривается мачта, высота ее зависит от местности, где будет располагаться ветрогенератор, и условий его эксплуатации, но в любом случае он должен быть выше крыши дома.

Заранее под секционную мачту нужно подготовить трехточечный армированный фундамент. К готовой мачте на земле прикручивается генератор. Далее к генератору прикрепляется болтами каркас с лопастями. Мачта с ветряком крепится к фундаменту с помощью двух шарнирных опор и посредством лебедки поднимается в вертикальное положение. После подъема мачты третья опора с помощью болта прикручивается к основанию ветряка. Дополнительно мачту нужно зафиксировать с помощью растяжки.

Электрическая часть

Ветряк будет выдавать 3-х фазный переменный ток. С помощью мостового выпрямителя, состоящего из 6 диодов, преобразовываем его в постоянный ток.

Это дает возможность заряжать аккумулятор на 12 В. Для контроля зарядки аккумулятора и предотвращения его перезарядки используют стандартное реле зарядки автомобиля РР-380.

К аккумулятору подключают инвертор, который позволяет преобразовать полученные 12 В постоянного тока в 220 В переменного частотой 50 Гц.

Результат работы ветряка: расчет эффективности

Тестовые испытания ветрогенератора при разной скорости ветра показали следующие результаты:

при скорости ветра 5 м/с получаем 60 об/мин — 7 В и 2,3 А = 16 Вт;
при скорости ветра 10,6 м/с получаем около 120 об/мин — 13 В и 3,4 А = 44 Вт;
при скорости 15,3 м/с примерно 180 об/мин — 15 В и 5,1 А = 76,5 Вт;
при скорости ветра 18 м/с получаем 240 об/мин — 18 В и 9 А = 162 Вт.

В основном ветряк выдает 16-45 Вт, так как ветер более 15 м/с бывает редко. Однако, если поставить скоростной винт, тогда можно получить более высокие результаты .

Оплата электроэнергии на сегодняшний день занимает немалую долю в затратах на содержание жилища. В многоквартирных домах, единственный способ экономии - переход на энергосберегающие технологии, и оптимизация расходов по многотарифным схемам (ночной режим оплачивается по сниженным ценам). А при наличии приусадебного участка можно не только сэкономить на потреблении, но и организовать для частного дома самостоятельное энергообеспечение.

Это нормальная практика, которая зародилась в Европе и северной Америке, а последние пару десятилетий активно внедряется и в России. Однако оборудование для автономного энергоснабжения достаточно дорогое, окупаемость «в ноль» наступает не раннее, чем спустя 10 лет. В некоторых государствах, можно возвращать энергию в общественные сети по фиксированным тарифам, это сокращает время окупаемости. В Российской Федерации для оформления «кэшбека» требуется пройти ряд бюрократических процедур, поэтому большинство пользователей «бесплатной» энергии предпочитают строить ветряной генератор своими руками, и пользоваться им только для личных нужд.

Правовая сторона вопроса

Самодельный ветрогенератор для дома не попадает под запреты, его изготовление и применение не влечет за собой административного либо уголовного наказания. Если мощность ветряного генератора не превышает 5 кВт, он относится к бытовым устройствам, и не требует никаких согласований с местной энергетической компанией. Тем более, не требуется уплачивать какие-либо налоги, если вы не получаете прибыль при продаже электроэнергии. Кроме того, самодельный генерирующий ветряк даже с такой производительностью, требует сложных инженерных решений: смастерить его на тек просто. Поэтому мощность самоделки редко превышает 2 кВт. Собственно, этой мощности обычно достаточно для энергоснабжения частного дома (конечно, если у вас нет бойлера и мощного кондиционера).

В данном случае, речь идет о федеральном законодательстве. Поэтому перед принятием решения об изготовлении ветряка своими руками, не лишним будет проверить наличие (отсутствие) субъектовых и муниципальных нормативных правовых актов, которые могут накладывать некоторые ограничения и запреты. Например, если ваш дом расположен на особо-охраняемой природной территории, использование ветровой энергии (а это природный ресурс) может потребовать дополнительных согласований.

Проблемы с законом могут возникнуть при наличии беспокойных соседей. Ветряки для дома относятся к индивидуальным постройкам, поэтому на них также распространяются некоторые ограничения:

Разновидности генераторов

Прежде чем решить, как сделать ветрогенератор своими руками, рассмотрим особенности конструкции:

По расположению генератора устройство может быть горизонтальным или вертикальным

По номиналу генерируемого напряжения

Типовые примеры самодельных ветрогенераторов

Устройство ветрогенератора одинаковое, вне зависимости от выбранной схемы.

Пропеллер, который может быть установлен как непосредственно на вал генератора, так и с помощью ременной (цепной, шестеренной передачи).
Собственно генератор. Это может быть готовое устройство (например, с автомобиля), либо обычный электродвигатель, который при вращении вырабатывает электроток.
Инвертор, регулятор напряжения, стабилизатор - в зависимости от выбранного напряжения.
Буферный элемент - аккумуляторные батареи, обеспечивающие непрерывность генерации, вне зависимости от наличия ветра.
Установочная конструкция: мачта, кронштейн для монтажа на крыше.

Пропеллер

Можно изготовить из любого материала: хоть из пластиковых бутылок. Правда гибкие лопасти существенно ограничивают мощность.

Достаточно вырезать в них полости, для забора ветра.

Неплохой вариант - ветряк бытового из кулера. Вы получаете готовую конструкцию с профессионально выполненными лопастями и сбалансированным электродвигателем.

Аналогичная конструкция изготавливается из охладителя компьютерных блоков питания. Правда мощность такого генератора мизерная - разве что зажечь лампу на светодиодах, или зарядить мобильный телефон.

Тем не менее, система вполне работоспособна.

Неплохие лопасти получаются из алюминиевых листов. Материал доступен, его несложно отформовать, пропеллер получается достаточно легким.

Если вы создаете роторный пропеллер для вертикального генератора, можно воспользоваться жестяными банкам, разрезанными вдоль. Для мощных систем применяются половинки стальных бочек (вплоть до объема 200 литров).

Разумеется, придется с особой тщательностью подойти к вопросу надежности. Мощный каркас, вал на подшипниках.

Генератор

Как говорилось выше, можно использовать готовый автомобильный, или электродвигатель от промышленных электроустановок (бытовой техники). В качестве примера: ветрогенератор из шуруповерта. Используется вся конструкция: двигатель, редуктор, патрон для крепления лопастей.

Компактный генератор получается из шагового двигателя принтера. Опять же, мощности хватает лишь на питание светодиодного светильника или зарядного устройства смартфона. На природе - незаменимая вещь.

Если вы с паяльником «на ты», и неплохо разбираетесь в радиотехнике - генератор можно собрать самостоятельно. Популярная схема: ветрогенератор на неодимовых магнитах. Преимущества конструкции - можно самостоятельно рассчитать мощность под ветровую нагрузку в вашей местности. Почему неодимовые магниты? Компактность при высокой мощности.

Можно переделать ротор имеющегося генератора.

Либо создать собственную конструкцию, с изготовлением обмоток.

Эффективность такого ветряка на порядок выше, чем при использовании схемы с электродвигателем. Еще одно неоспоримое преимущество - компактность. Неодимовый генератор плоский, и его можно разместить непосредственно в центральной муфте пропеллера.

Мачта

Изготовление этого элемента не требует познаний в электронике, но от его прочности зависит жизнеспособность всего ветрогенератора.

Например, мачта высотой 10–15 метров требует грамотно рассчитанных растяжек и противовесов. Иначе сильный порыв ветра может завалить конструкцию.

Если мощность генератора не превышает 1 кВт, вес конструкции не такой большой, и вопросы прочности мачты отходят на второй план.

Итог

Самодельный ветрогенератор - не такая сложная конструкция, как может показаться на первый взгляд. С учетом высокой стоимости заводских изделий, можно изрядно сэкономить, изготовив домашнюю ветряную электростанцию и вполне доступных материалов. С учетом небольших затрат на создание ветряка, окупится он достаточно быстро.