Основные виды ветрогенераторов. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения Основные недостатки ветряной электростанции

Среди всех имеющихся конструкций ветроколес различают две большие группы, принципиально отличающиеся друг от друга. Это и конструкции. Обе группы имеют свои признаки, достоинства и недостатки, обладают массой особенностей и специфических свойств. Рассмотрим роторные (вертикальные) образцы, наиболее многочисленную группу.

Что такое роторный ветрогенератор?

представляет собой устройство для приема во вращательное движение. Ось вращения таких конструкций расположена вертикально, что существенно изменяет физику вращения и придает устройству массу особенностей:

вертикальные конструкции не нуждаются в наведении на ветер. Поток, движущийся с любой стороны, одинаково воздействует на лопасти устройства
воздействие потока происходит одновременно на рабочую и на обратную стороны лопастей, что несколько снижает эффективность крыльчатки
вертикальные виды ветрогенераторов не используются для промышленной выработки энергии, используясь преимущественно для использования в частных целях

Самая значительная особенность вертикальный конструкций состоит в векторе приложения усилия потока. Если для горизонтальных крыльчаток усилие ветра приходится на наклонную поверхность и работает на сдвиг, то вертикальные устройства в большинстве получают импульс, направленный на лопасть во фронтальном направлении, что позволяет использовать энергию потока в максимальной степени.

При этом, одновременно с полезным воздействием поток контактирует и с обратной стороной лопасти, что создает противодействующее, тормозящее вращение усилие. Это является причиной меньшей эффективности вертикальных турбин по сравнению с горизонтальными.

Внешне большинство роторных конструкций напоминают детскую карусель - вокруг вертикальной оси расположены , числом от 2 и больше. Форма лопастей может быть разной, от подобия вертикально установленных желобов до плоскостей в форме крыла самолета, расположенных вертикально по касательной к окружности вращения.

Все разновидности имеют собственные наименования, большинство их них разработаны уже давно и являются модификациями и переосмыслениями друг друга.

Достоинства и недостатки

Роторные конструкции имеют ряд достоинств:

отсутствует необходимость наведения конструкции на ветер. Это значительно упрощает механизм ветряка и повышает его надежность
устройства способны принимать потоки ветра, находящиеся невысоко над поверхностью земли. Турбулентность им не страшна. Это делает возможным отказаться от использования высоких мачт, усложняющих ремонт или обслуживание
имеется много разновидностей вертикальных конструкций, позволяющих получить наиболее подходящее устройство для данных конкретных условий
вертикальные устройства являются наиболее удобными для изготовления своими руками

К недостаткам роторных ветрогенераторов следует отнести:

меньшая эффективность по сравнению с горизонтальными устройствами
рабочие колеса имеют довольно большой вес, что затрудняет их вращение, особенно на слабых ветрах
при ураганных или шквалистых ветрах установки нуждаются в защите от разрушения

Наиболее значимым достоинством роторных ветряков считается возможность самостоятельного изготовления из подручных материалов.

Примечательно, что промышленных моделей роторных установок относительно немного , большинство разработок до сих пор находятся в состоянии проектов, рабочих чертежей. Это объясняется слабым интересом к ветроэнергетике со стороны российских производителей и высокими ценами зарубежных моделей, недоступными для массового покупателя в России.

Виды устройств

Существует немало разновидностей роторных установок. К наиболее известным можно отнести:

ортогональный ротор
гелиоцентрический ротор
ротор Дарье
и т.д.

Большинство конструкций создавались в начале прошлого века, но широкого распространения не получили из-за низкого интереса к бытовым установкам, к которым относили роторные ветряки. В Европе назревала серьезная потребность в больших мощностях, что требовало использования крупных установок.

Роторные устройства большой величины неработоспособны из-за большой массы покоя и значительного сопротивления потоку ветра. Поэтому первенство было отдано горизонтальным типам конструкции, как более эффективным.

В России отношение к ветроэнергетике изначально было чисто научным, направление рассматривалось как прикладное и не имеющее высокой значимости. Обилие мощных полноводных рек позволило развивать гидроэнергетику, которая гораздо эффективнее использования энергии ветра, по крайней мере, на нынешнем уровне развития технологий.

Интерес к ветрогенераторам появился буквально в последние десятилетия и вызван нехваткой сетевых ресурсов и общей изношенностью сетей. Появилось большое число разработок, самодельных устройств, которые продемонстрировали свою пригодность к употреблению в частных целях для обеспечения дома или усадьбы.

Роторный ветрогенератор - это выгодно, или нет?

Рассматривать роторные устройства с точки зрения выгоды можно лишь в сравнении с какими-либо другими вариантами обеспечения энергией. Если сопоставить сетевую энергию и роторные ветрогенераторы, то однозначное первенство получат сети. Они стабильно поставляют энергию, не зависят от наличия или скорости ветра. Единственным минусом являются частые перебои, происходящие из-за общей ветхости сетевого хозяйства, устарелого оборудования и роста потребителей.

Если же рассматривать роторные установки в сравнении с солнечными батареями, то можно отметить независимость от времени суток или погоды. При этом часто совмещают солнечные батареи и ветряки из соображений, что хоть один источник будет доступен.

Для домовладений или отдаленных поселков, вовсе не имеющих возможности подключения к сетевой электроэнергии, говорить о выгоде нет смысла, поскольку сравнивать не с чем. Ситуация проста - или нет энергии, или есть.

Сборка своими руками

Приобретение готового ветряка, изготовленного на заводе, не по карману большинству потенциальных пользователей. Даже относительно дешевые китайские модели достаточно дороги, а европейские образцы имеют цену в несколько раз выше. Учитывая относительно небольшой срок службы установок - около 25 лет - становится ясно, что приобретение готовых комплектов для российского пользователя вариант неподходящий.

Решением вопроса становится самостоятельное изготовление роторного ветрогенератора . При использовании подручных материалов вполне можно уложиться в относительно невысокую сумму, на все вполне хватит 20000 рублей. Это обстоятельство вызвало рост изготовления различных моделей ветряков, что положительным образом сказывается на развитии направления в целом и на отработке конструктивных особенностей разных типов роторных ветряков.

Для создания действующего ветрогенератора требуются соответствующие материалы. Некоторые элементы комплекта придется приобрести. Например, аккумуляторные батареи, некоторые приборы (контроллер заряда или инвертор), которые нет возможности собрать самостоятельно, тоже придется покупать.

Практически все элементы рабочего колеса можно создать из подручных материалов. Генератор можно использовать готовый, например, мотор-колесо, автомобильный или тракторный генератор. Можно переделать асинхронный двигатель, или собрать аксиальный генератор на неодимовых магнитах. Обилие вариантов способствует развитию самодельных устройств на территории России, многие из которых успешно выполняют свои задачи на практике и способствуют подвижению ветроэнергетики среди населения.

Инструкция

Перед началом работ следует определиться с выбором конструкции ветряка. Наиболее удачными моделями, способными обеспечивать энергией достаточно большое число потребителей, считаются карусельные установки, прозванные в народе «бочка-загребушка». Они представляют собой несколько лопастей, похожих на продольно разрезанные половины металлических бочек, установленные вертикально вокруг оси вращения.

Можно действительно использовать разрезанные бочки, но лучшим решением станет изготовление лопастей из листового алюминия для облегчения крыльчатки.

Вал устанавливается на ступицах, а крыльчатка монтируется на выступающем верхнем конце. Для ограничения скорости вращения при внезапных порывах ветра обычно используют центробежные ограничители, представляющие собой грузики, подвешенные на цепочках. При повышении скорости вращения они увеличивают давление на лопасти и складывают их, снижая площадь воздействия потока и, соответственно, скорость вращения.

Монтаж генератора производится либо непосредственно на валу в нижней части, либо посредством клиноременной передачи на отдельной опорной площадке. Рекомендуется установить защитный кожух, предохраняющий устройство от попадания дождя или снега, пыли и прочих нежелательных воздействий.

Монтаж ветряка производится на возвышении. Высоких мачт для таких конструкций не требуется, однако, зачастую подобные устройства встречаются на крышах домов. Это нежелательный вариант, так как вибрации от работы ветряка полностью исключить пока не удается, что способно создать некоторое неудобство жителям дома.

В современной жизни прекрасно функционируют высококачественные модели роторных . В их исполнении присутствуют оригинальные быстровозводимые мачты.

Роторные конструкции различаются по расположению оси вращения по отношению к поверхности земли.

Общая характеристика

Данные механизмы наделены рядом существенных особенностей перед ветряками с горизонтальной осью. У них нет как таковых узлов под ориентирование на ветровой поток. Это заметно уменьшает все гидроскопические нагрузки. Из-за своего строения, при абсолютно любом направлении ветра, конструкция располагается в абсолютно произвольном положении.

Ввиду чего, она более проста в своём исполнении. В подобных механизмах возникновение вращения создаёт подъемная сила лопастей, а также силы сопротивления.

Виды механизмов с вертикальной осью вращения:

Ортогональная конструкция.
Механизм Дарье.
Механизм Савониуса.
Конструкция на многолопастном роторе с направляющим аппаратом.
Генератор с геликоидной конструкцией.

Ортогональные ветрогенераторы

Подобный генератор имеет в своём составе не одну лопасть. Лопасти расположены параллельно оси и находятся от нее на определенном расстоянии.

Рассматриваемый механизм считается наиболее эффективным и функциональным. Если же говорить о некоторых недостатках такого генератора, то при его работе создается определённый шумовой эффект. Кроме того, на поддержку его функционирования затрачивается немало усилий. При этом у конструкции, как правило, небольшой срок действия опорных узлов ввиду больших динамических нагрузок.

Генераторы с ротором Дарье

Следует отдать должное данному механизму – ему присуща большая мощность и быстроходность. Кроме того, у ротора довольно низкая себестоимость. К недостаткам можно отнести невысокую эффективность. При этом данная конструкция не в состоянии запускаться самостоятельно при равномерном набегающем потоке.

Генераторы с ротором Савониуса

Этот вид генератора имеет довольно широкое использование для качественного функционирования бытовых электростанций. По своей конструкции подобный ротор является ветроколесом с несколькими полуцилиндрами, которые непрерывно вращаются вокруг своей оси.

Основное преимущество ротора состоит в следующем: ветроколесо постоянно вращается в одну и ту же сторону и абсолютно не зависит от направления ветрового потока. Недостаток же подобного в низком коэффициенте использования энергии ветрового потока.

Этот вид генератора считается самым функциональным из вертикальных роторов. Подобная производительность достигается путём использования дополнительного ряда лопастей. Один из рядов забирает на себя ветровой поток и затем подает его на второй ряд лопастей. При этом сжимается сам поток.

Данное преобразование приводит к показательному увеличению скорости потока, а также мощности ротора в целом. За счет этого повышается производительность системы. Происходит это ввиду использования значительно большего количества лопастей конструкции.

Конструкция с подобной системой наделена гораздо более спокойным роторным вращением. Подобное характерное преимущество уменьшает нагрузку на опорные узлы. В результате значительно увеличивается срок действия механизма. При этом стоимость ротора довольно немалая ввиду непростой технологии его производства.

Преимущества и недостатки механизмов с вертикальной осью

К преимуществам относится:

Отсутствие, как таковой, дополнительной необходимости в затратах на специальное оборудование, действие которого было бы направлено на определение направления дуновения ветра и направляло генератор навстречу потоку воздуха;
Малое количество подвижных деталей, вследствие чего затраты на производство и последующий ремонт довольно незначительны;
Конструкция подобного ротора ниже и при обслуживании его не возникает необходимость в наличие специальных подъемников для размещения обслуживающего персонала на высоте;
На высокую эффективность ротора не оказывает абсолютно никакого влияния ни угол, ни скорость направления потока ветра.

Тем не менее, необходимо уточнить тот факт, что постоянно проводятся дальнейшие всевозможные исследования, направленные на увеличение функциональности подобного вида ветряков. Происходит это ввиду того, что роторы с вертикальной осью имеют и свои определённые недостатки.

К ним относится:

Довольно большой объем лопастей системы;
КПД подобного ветряка приблизительно в три раза меньше, чем КПД механизма с горизонтальной осью.

Что следует учесть при выборе?

До того момента,как возникает решение приобрести данного вида механизм, следует всё же учесть ряд определённых условий. Например, если сильные ветровые потоки не наблюдаются на территории вашего домашнего региона, то использования подобной роторной конструкции не будет себя, в общем, окупать.

Для данной местности лучше подойдёт генератор с относительно небольшой мощностью.Как верно и обратное – в природе нередко встречаются участки местности, где воздушные массы меняют своё направление несколько раз в 24 часа. В этом конкретном варианте, наоборот, допустимым и возможным является привлечение ротора с вертикальной осью.

Изготовление своими руками

Для начала следует изготовить, так называемую, турбину.

Для этого нам понадобится:

Изготовление верхней и нижней опор. Разметку лучше производить с помощью лобзика. Необходимо вырезать из пластика две окружности одного диаметра. В центре первой окружности следует сделать отверстие 30 см. Это станет верхней опорой.
Возьмём самую обыкновенную автомобильную ступицу. Сделаем четыре отверстия одного размера на нижней опоре. Это позволит нам укрепить хаб.
Изготовим подробный эскиз для наглядности месторасположения лопастей системы и пометим на нашей опоре, расположенной внизу, те участки, где будут потом крепиться заготовленные уголки. Они предназначены для соединения лопасти и опоры.
Теперь складываем лопасти в стопочку , связываем их и обрезаем до необходимого размера. От длины лопастей напрямую зависит, сколько ветровой энергии они способны получать. Тем не менее имеет место быть и нестабильность при сильном ветровом потоке.
Пометим лопасти для крепления уголков. Далее сверлим в этих лопастях специальные отверстия.
Скрепляем опору и лопасти с помощью заготовленных уголков.

Мастерим ротор своими руками:

Кладём два роторных основания один на другой , при этом как бы совмещаем два отверстия и чертим боковую пометку. Впоследствии данный шаг позволит нам их верно расположить.
Теперь изготовим два небольших картонных шаблона и аккуратно приклеим их на основания наших магнитов.
Промаркируем магнит. Для определения верной полярности, как правило, используется магнитик с изолентой.
Далее нам понадобится эпоксидная смола с отвердителем. Наносим ее с нижней стороны магнита.
Довольно аккуратно подносим магнит к краю основания ротора.
Теперь можно приклеивать наши магниты собственно к ротору.
Для изготовления второго ротора , магниты следует расположить в иной полярности напротив первого ротора.

Изготавливаем статор:

Статор – агрегат, состоящий из 9 катушек. Они разделены на 3 группы. В каждой группе по три катушки. Сами катушки с проводом 24 AWG на 320 витков. Непосредственно параметры катушек разрешается менять.

Это зависит от напряжения, требуемого на выходе:

Если наматывать катушки ручным методом, то это довольно трудно. Для облегчения самого процесса изготовим несложное приспособление – станок для намотки. Витки катушек наматываются в одном и том же направлении. Начало и конец катушек следует замотать изолентой и смазать эпоксидкой.
Когда катушки уже будут намотаны, необходимо проверить идентичность. Для этого можно использовать обычные весы. Затем измеряем сопротивления наших катушек.
Изготовленные катушки размещаются на вощеную бумагу с размеченной на ней схемой. Стеклоткань располагается вокруг самих катушек. Далее просверливаем отверстия в статоре для кронштейна.
Труба для крепления оси хаба заведомо обрезается. В созданные отверстия будут вкручиваться болты для удержания непосредственно оси.

Сборка статора

Заключительная сборка:

В плите верхнего ротора просверливаем 4 отверстия.
Упрём четыре шпильки в пластинки и установим ротор на них. Роторы испытывают притяжение, потому и необходимо изготовить данное устройство.
Выравниваем роторы по отношению их друг к другу.
Аккуратно и равномерно опускаем генератор. После этого следует выкрутить шпильки и убрать все пластины. Устанавливаем хаб и прикручиваем. Колпачковые шайбы и гайки, как правило, необходимы для крепления к генератору опоры лопастей.
Теперь генератор можно считать собранным. Раскручиваем ветряк и измеряем параметры.

Сборка генератора

Подобный ротор может быть реализован не только для обеспечения электричеством жилых и служебных помещений. Например, статор способен вырабатывать большое электрическое напряжение, которое вполне можно использовать для качественного нагрева бытовых приборов. При этом следует уточнить, что переменный ток преобразуется в постоянный ток. Это вполне можно использовать для зарядки аккумулятора, нагрева емкостей с холодной проточной водой, электропитания фонарей и осветительных приборов.

Рассматриваемая конструкция устанавливается на 4-х метровой высоте на краю горной кручи. Фланец, который по своему обыкновению располагается внизу, обеспечивает быструю установку ротора – необходимо прикрутить всего лишь четыре болта. Но для надежности их целесообразнее будет все же приварить.

Вертикальные ветряки могут поворачиваться за счёт флюгера. Для них не важно, по сути, направление ветрового потока.

Фактором, который обязательно следует учитывать при выборе места установки ротора, является непосредственно сила ветра. Данные по силе ветра для исследуемой и интересующей местности можно без затруднения найти в Интернете. Также поможет анемометр – специальный прибор для измерения силы ветрового потока.

Системы мировых и российских производителей

В наши дни около 75 государств мирового сообщества довольно широко используют . Ветроэнергетика по сей день остаётся очень популярной и неотъемлемой частью нашей современной жизни. Производители Южной Америки и Азии быстрыми темпами продвигают развитие данной популярной отрасли.

Китай является одним из крупнейших поставщиком ветроэнергетической отрасли на мировом рынке. В Индии насчитывается довольно большое количество производств ветряков общей мощностью, превышающей 3000 МВт.

В нашей стране ветроэнергетическая промышленность развита во многих городах и регионах.Производство ветряных роторов есть в таких городах, как: Москва, Ташкент, Астрахань, Узбекистан, Саратов, Омск, Самара, Екатеринбург, Ульяновск, Анапа и Краснодар.

К мировым производителям относятся столь известные компании, как: Vestas, GEEnergy, Goldwind, Enercon, DongfangElectric, SiemensWind, UnitedPower.

Обзор цен

Стоимость роторных систем преимущественно зависит от мощности ветроэлектростанции. Иными словами, конструкцию на 2 КВт возможно купить за 6200$. Для 10 КВт ценовая политика, на подобный ветряк, составляет 40000$. С целью подзарядить автомобильный аккумулятор или мобильный телефон можно стать владельцем относительно небольшой станции на 0,6 КВт.

Стоить такая станция будет не более 3000$. Роторы естественно имеют свои различия в цене, и зависит это, как правило, от их разновидностей и фирмы производителя. Стоимость роторов российских моделей, как правило, на 1/3 дешевле своих западных собратьев.

При этом, качественные показатели станций, в целом, не имеют, как правило, существенных и ощутимых различий. Приобрести ветрогенератор целесообразно только лишь в том случае, если есть средства для вложения большой суммы денег в долговременную инвестицию при наличии подобающих погодных условий в регионе проживания.

Ветрогенератор - это устройство для преобразования энергии ветра в электро-энергию, или в механическую для привода в движение механических устройств (например насос на воду). Прародителями современных ветрогенераторов были ветряные мельницы, и с развитием технологий и прихода эры электричества ветряные мельницы уже не только растирали зёрна в муку, или качали воду, но и вращали генераторы вырабатывающие электро-энергию.

Ветрогенераторы бывают промышленные, такие ветряки устанавливает государство или большие энергетические корпорации для обеспечения электроэнергией промышленных объектов. Промышленные ветровые турбины самые большие и мощные на сегодняшний день, мощность отдельных ветрогенераторов исчисляется мегаваттами, но такие ветряки не ставят по одному, а строят огромные ветропарки в местах где ветер наиболее подходящий для стабильной выработки электро-энергии, например на побережьях, или на открытых возвышенностях. Энергия от ветрогенераторов поступает напрямую в электросети, а стабильность и частоту вращения генераторов обеспечивают различные механизмы, например системы регулирования углов установки лопастей относительно набегающего потока ветра, так чтобы обороты ветроколеса, а значит и генератора были стабильными.

Ветропарк в море - промышленные ветрогенераторы

Ветропарк в Северном море, 80 ветрогенераторов суммарно производят 400мегаватт энергии, которой хватит на 455 000 домохозяйств. Ветро-парк находится примерно в 140 километрах от побережья Нижней Саксонии

Так-же существуют и коммерческие ветрогенераторы, которые устанавливают с целью продажи электро-энергии, или обеспечения энергией различных производств в тех местах где не хватает собственных мощностей, или электросети отсутствую вовсе. Такие ветро-электро-станции тоже состоят из множества ветрогенераторов различной мощности. Энергия от таких ветрогенераторов может поступать напрямую в электросеть если они вырабатывают стабильное переменное напряжение 220/380 вольт или белее. Или ветрогенераторы используются для зарядки большого массива аккумуляторов, с которого потом энергия преобразуется в переменное напряжение и подаётся в электросеть.

Существуют и обычные бытовые ветряки малой мощности для частного использования, для установки которых не требуется никаких разрешений если высота мачты не превышает 25 метров и ветрогенератор не является помехой для воздушных судов. Такие ветрогенераторы низковольтные и их основная задача заряжать аккумуляторы с напряжением 12/24/48 вольт, а уже из аккумуляторов берётся энергия, которая преобразуется в 220 вольт 50 Гц как в обычной розетке. Ветряки небольшой мощности часто ставят для обеспечения энергией своих частных домов, дач, подсобных хозяйств, или для питания небольших удаленных объектов.

Устройство и конструкции ветрогенераторов

Понятно что ветрогенераторы приводятся в движение энергией ветра, но это еще не всё, ветрогенератор состоит из нескольких узлов и основное это ветро-колесо и генератор. Ветряки горизонтального типа как правило имеют трёх-лопастные винты, которые работают за счёт подъёмной силы набегающего потока ветра. А вертикальные ветрогенраторы типа "Савониус" (бочка) вращаются за счёт давления ветра. Есть вертикальные ветряки использующие так-же подъёмную силу, например "Ротор Дарье" и другие ортогональные ветрогенераторы. У горизонтальных ветрогенераторов скорость вращения лопастей превышает скорость движения ветра обычно номинально в 5 раз, это позволяет использовать генераторы меньших размеров чем для вертикальных ветрогенераторов, так-как они не могут вращаться быстрее скорости ветра, за исключением ортогональных.

К примеру на ветрогенератор с диаметром ветроколеса 3 метра при скорости ветра 10м/с приходится 5.6 кВт ветровой энергии, но в механическую энергию вращения может преобразоваться максимум 49% энергии, для горизонтальных ветрогенераторов средний коэффициент преобразования энергии ветра 0.4, для вертикальных существенно ниже, для ветряков типа "Савониус" 0.1-0.25, а для ортогональных до 0.4.

Генератор с ветроколесом может быть соединён напрямую и тогда обороты ветро-колеса и генератора будут одинаковые, или может быть установлен редуктор для повышения оборотов генератора. В конструкциях больших ветрогенераторов, которые ставятся в местах со стабильным и мощным вытровым потоком для поддержания стабильных оборотов генераторв используют систему регулировки положения лопастей. Когда ветер усиливается, то лопасти поворачиваются в одну сторону увеличивая угол атаки набегающего потока ветра и ветро-колесо не набирает обороты, а когда ветер ослабевает, то наоборот чтобы ветряк не снизил обороты лопасти поворачиваются на большую быстроходность. Так-же обороты могут поддерживаться увеличением или уменьшением нагрузки на генератор, или тормозной системой. Таким образом генератор работает на одних и тех-же оборотах и даёт стабильное напряжение и частоту переменного тока, например 220 вольт 50 Гц, хотя может выдавать и тысячи вольт.

В небольших ветряках обороты генератора не стабилизируют так-как это очень сложно, да и такие ветряки ставят на небольшую высоту в различных районах где ветер может периодически совсем пропадать и быть очень не стабильным. Для стабильности работы ветро-электро-станции используют аккумуляторы, генератор заряжает аккумуляторы когда есть ветер, а брать энергию с них можно всегда, даже при полном штиле. А для защиты от ураганов применяют систему с уводом ветроколеса от ветра методом складывания хвоста, или тормозят ветро-колесо электро-тормозом.

Для зарядки аккумуляторов между ветряком и АКБ ставится контроллер, который следит за зарядкой АКБ, и при полном заряде чтобы не испортить аккумуляторы контроллер или тормозит винт закорачивая обмотки генератора, или сбрасывает лишнюю энергию на балласт, в качестве которого могут быть установлены тэнны для отопления, или просто большой резистор. Ветрогенератор с контроллером выступает в роли зарядного устройства для блока аккумуляторов, а сама энергия берётся именно из аккумуляторов, а не от ветряка.

Но в аккумуляторах постоянное низкое напряжение, которое бывает 12/24/48 вольт, а для обеспечения дома нужны 230 вольт, по-этому устанавливается инвертор , который преобразует постоянное напряжение в переменное 220 вольт. Но можно обойтись и без инвертора если все потребители рассчитаны на питания от низкого напряжения. Например если массив АКБ на 12 вольт, то можно использовать любые электро-приборы на 12 вольт, автомобильные зарядные устройства, телевизоры, светодиодные ленты и лампочки на 12 вольт, авто-чайники, авто-холодильники и многое другое.

Ветрогенератор - ветряная электростанция

ветрогенератор, контроллер, аккумуляторы

Типы и виды ветрогенераторров

Ветрогенераторы бывают двух основных типов, это горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные классические ветряки имеют пропеллер - обычно трёх-лопастной, а вертикальные ветряки имеют ветро-колесо вращающееся вертикально. Классические ветряки самые популярные так-как при самой низкой стоимости имеют самую высокую эффективность. Чем выше быстроходность ветроколеса, тем меньше, а значит и дешевле требуется генератор, и чем легче сам генератор тем меньше на его изготовление нужно материало-затрат. А так-же чем выше ветрогенератор относительно земли тем эффективней выработка электро-энергии.

Классический ветрогенератор

Вертикальные ветряки типа "Савониус" или "Бочка" самые низко-оборотистые и малоэффективные ветряки, по-этому чтобы добиться той-же мощности что у горизонтального, такой ветряк придётся делать намного больше по размерам, ставить очень низко-оборотный генератор или мультипликатор, и так-как такую тяжёлую конструкцию не представляется возможным поднять на высокую мачту, то ветряк должен в общем по размерам в два раза больше чем горизонтальный, а генератор в пять-семь раз больше. От этого стоимость таких ветрогенераторов возрастает в пять раз в сравнении с классическими.

По этому ветряки типа "Савониус" не популярны и встречаются довольно редко, хотя в интернете довольно популярны из-за мифов о их эффективности, бесшумности и простоты. На самом деле КИЭВ таких ветряков всего 0.1-0.2 против 0.4 у классических ветяков, бесшумность тоже относительна так-как на ветрах от 7м/с шумит всё, даже деревья. Да и на счёт простоты тоже миф, намного проще на генератор поставить три лёгких и простых лопасти, чем ставить огромный ротор, который от урагана не защитить, и по этому нужна большая прочность конструкции. Пример такого самодельного генератора описан в этой статье - Вертикальный ветрогенератор своими руками

Вертикальный ветрогенератор

Ветрогенератор типа бочка

Так-же есть и другие типы вертикальных ветрогенераторов, например "Ротор Дарье", он имеет немного болший КИЭВ в сравнении с ветряком типа бочка, но у него очень низкий стартовый момент, и если лопастей всего две, то стартовать он сам не может, по-этому часто делают гибридный ротор Савониус+Дарье. Есть и другие виды со всякими изогнутыми лопастями, много-этажными полу-бочками, но на практике они не далеко ушли от обычной разрезанной бочки.

Вертикальные ветрогенераторы

Парусные ветрогенераторы по сути те-же горизонтальные ветряки, но из-за того что парусами покрыто всё ветроколесо и нет никакого аэродинамического профиля такие ветряки тихоходные и малоэффективные, зато имеют высокий крутящий момент при низких оборотах и за счет этого могут приводить в движение напрямую различные механизмы, например насос для подъёма воды. Аналоги парусного ветряка это много-лопастные ветряки с жёсткими лопастями.

Генераторы

Генераторы для ветряков самые обычные трёх-фазные, на подобие тех что используются в автомобилях, только в зависимости от мощности и номинальных оборотов из размеры будут значительно больше. Обмотка статора трёх-фазная, соединённая по схеме "звезда" , после соединения на выходе остаются три провода, которые идут на контроллер, а там уже с помощью диодного моста переменное напряжение преобразуется в постоянное, то-есть плюс и минус. Ротор генератора на неодимовых магнитах, электро-возбуждение как в авто-генераторах здесь не используется так-как катушка возбуждения потребляет энергию.

Генераторы для ветрогенераторов

Для повышения оборотов часто используют мультипликатор, который повышает обороты и тем самым можно получить или больше мощности с имеющегося генератора, или использовать генератор меньших размеров и стоимости. Часто мультипликаторы применяют в вертикальных ветрогенераторах так-как ветроколесо у них вращается значительно медленнее чем у горизонтальных классических ветряков.

Генератор самая дорогая часть ветрогенератора если не считать мачту, которая может быть очень дорогой. По-этому обороты ветрогеннраторов стараются сделать как можно выше чтобы ставить генераторы поменьше. Собственно по этому горизонтальные трёх-лопастные ветрогенераторы получили такое распространение. Там высокие обороты и не требуется мультипликатор для поднятия оборотов генератора, это намного удешевляет и упрощает конструкцию, и при этом у неё самый высокий КПД.

Генератор можно изготовить и самому, да и сделать полностью ветрогенератор своими руками, на страницах сайта есть вся информация по расчёту генераторов и ветряков в целом. Генераторы изготавливают из асинхронных двигателей, из авто-генераторов, а так-же очень популярны так называемые дисковые аксиальные генераторы. Про ветряки на таких генераторах можно почитать в этом разделе Дисковые аксиальные ветряки

Цены на ветрогенераторы и применение

Ветрогенераторы стоят конечно дорого, так-как это сложное оборудование не имеющее массовое распространение как например телевизоры или автомобили. Так-же кроме самого ветрогенератора в составе ветро-электростанции присутствуют аккумуляторы, контроллер и инвертор, так-же мачта тоже дорогая и неотъемлемая часть ветрогенератора.

Ветрогенераторы мощностью 300 ватт очень слабые и надо понимать что свои заявленные 300 ватт в час они вырабатывают при номинальном ветре 10-12м/с, а когда ветер 4-5м/с, то выработка составит всего 30-50ватт*ч. Такие ветряки вырабатывают очень мало энергии, которой хватит к примеру на питание мелкой электроники, экономного светодиодного освещения. Не стоит рассчитывать что такой ветряк сможет обеспечить энергией холодильник, телевизор и свет во всём доме. Выработка энергии напрямую зависит от наличия ветра в месте установки ветряка.

Скажем при среднегодовой скорости ветра 3м/с выработка 300 ватт ветряка составит всего около 3-6 кВт в месяц, ну а если ветер будет дуть каждый день со средней скоростью 5м/с, то выработка составит 15-20 кВт, но такие ветреные места бывают не везде.

Цены небольших ветровых турбин начинаются от 15 000 рублей за ветрогенератор с контроллером без аккумуляторов и мачты. А полный комплект состоящий из ветрогенератора, контроллера, аккумуляторов, мачты, инвертора обойдётся от 50 000 рублей и выше.

Для обеспечения энергией небольшого дома или дачи ветрогенератор понадобится мощностью от 1кВт , выработка энергии опять-же зависит от наличия ветра в вашей местности, она может составить 30-100 кВт в месяц. Такого ветрогенератора в принципе хватит на освещение, телевизор, компьютер, насос, а вот с круглосуточной работой большого холодильника ветрогенератор может не справится. Вообще когда ветрогенератор устанавливается для постоянного обеспечения энергией жилого помещения, где энергия требуется каждый день, то дополнительно устанавливают бензиновый или дизельный генератор, который в периоды длительного отсутствия ветра заряжает аккумуляторы. Генератор это необходимое устройство чтобы обеспечить полную бесперебойность автономной ветряной электростанции.

Стоимость полного комплекта от 150 000 рублей, и может доходить до 300-400 т.рублей. Чем больше ёмкость аккумуляторов тем больше времени можно питаться от АКБ при отсутствии хорошего ветра. Так-же аккумуляторы нельзя разряжать глубоко, от этого сильно сокращается срок службы. По этому если к примеру в сутки тратится 2 кВт энергии, то энергии а аккумуляторах должно помещаться как минимум 10 кВт.

Если планируется обеспечить энергией свой частный дом или небольшое хозяйство, то ветряк понадобится мощностью 3-5 кВт . Стоимость полного комплекта от 300 000 рублей и до 1-го миллиона рублей. Здесь уже серьёзная мощность и потребление, по-этому кроме цены ветряка дорогой получается мачта, контроллер, мощный инвертор, и аккумуляторов нужно много чтобы стабильно обеспечивать энергией всю домашнюю бытовую технику.

Если хочется чтобы ветрогенератор ещё отапливал дом, то нужно смотреть на мощности от 10 кВт . Вообще чтобы автономная электростанция была оптимальна по выработке электо-энергии, то просто одного ветрогенератора будет не достаточно. В системе должны быть и солнечные батареи, и бензо-генератор на случай когда совсем нет ни солнца ни ветра. Контроллер должен управлять и ветрогенератором, и солнечными панелями, и заводить бензо-генератор когда энергия на исходе. Всё это оборудование стоит дорого, но если нет возможности подключится к электросетям, то выход вкладывать деньги в ветро-солнечную электростанцию.

Пример использования ветрогенераторов и солнечных батарей для обеспечения электро-энергией частного дома

Ветро-солнечная электростанция

Ветро-солнечная электростанция обеспечивает электроэнергией все потребности частного дома, а это около 300 кВт*ч в месяц. В системе два ветрогенератора общей номинальной мощностью 3кВт, и солнечные панели номинальной мощностью 1,8кВт. Стоимость этой электростанции обошлась в 350 000 рублей. Подробнее в статье

В статье собрана информация о ветрогенераторах, для чего они нужны, их виды, преимущества и недостатки.

Также даны конкретные классификации типов конструкции и принципы работы ветряной электростанции.

Ветрогенераторы являются экономичным изобретением, позволяющим добывать электричество за счёт ветра.

Разновидности

Ветрогенераторы разделяют на виды по:

различному количеству крыльев;
виду материала для изготовления;
разности шагового принципа;
размещению оси.

Ветрогенераторы могут быть:

однокрылые;
с множеством лопастей.

Многолопастные очень чутко реагируют на малейшее дуновение воздуха, но не вырабатывают много энергии. Они хорошо подходят для выкачки воды.

По виду материала изготовления ветрогенераторы разделяют на:

парусные;
жёсткие.

Замечание специалиста: жёсткие ветрогенераторы намного надёжнее парусных, но стоят дороже.

Разность шагового принципа заключается в том, что одни генераторы имеют неизменный шаг, а другие - изменяемый.

Фиксированный шаг отличается своей надёжностью, а изменяемый быстро набирает обороты, но имеет сложную, непрактичную конструкцию.

По размещению оси ветрогенераторы существуют:

горизонтального расположения;
вертикального.

Полезная информация: горизонтальные ветряные генераторы отличаются своей мощностью, а вертикальные хорошо улавливают ветер.

В зависимости от того, как вращается центр, а также от потока ветра, генераторы классифицируют на два вида:

с горизонтально поставленным центром, вращающимся параллельно дуновению ветра;
с вертикально расположенной осью, которая вращается поперечно потоку ветра.

Агрегаты с горизонтальным центром

Они используются для переработки силы ветра в силу противодействия или подъёмную энергию.

Подъёмная энергия развивает большую силу, чем энергия противодействия. Последняя не может набирать скорость выше скорости ветра.

Также с горизонтальным центром выполняются генераторы, напоминающие колесо. Их изготовляют как неподвижными относительно вертикали, так и с разносторонним направлением движения.

При мощном потока ветра устанавливают ограничение по вращению колеса. В таких случаях крылья устанавливают разностороннее вращение колеса, используют клапаны для регулировки потока или пользуются устройствами для вывода колеса из-под ветра. Крылья крепятся как на оси генератора, так и на вращающийся обод вторичного вала.

С вертикально расположенной осью

Вертикальные роторные генераторы отличаются от горизонтальных множеством преимуществ:

они не нуждаются в устройствах, которые ориентируются на дуновение ветра;
имеют упрощённую конструкцию;
меньшее количество нагрузок;
облегчённую работу крыльев.

Эти устройства имеют пластины, турбинные компоненты, роторы Савониуса с S-образными концами по типу «карусели».

В 1920 году Француз Жорж Дарье, разработал новый ротор. Так, Дарье заявил о себе, как основной разработчик ветряных генераторов с крыльями. Эти генераторы работают за счёт силы, образующейся на изогнутых крыльях.

Ротор очень проворный, быстрый, может иметь различную форму, как ромбообразную, так и в виде треугольника. Существует как с одним крылом, так и с множеством.

Крылья выполняются преимущественно из дерева, но иногда и из стали. Это делается для их проворности и лёгкости в эксплуатации.

Электричество, которое вырабатывается, напрямую зависит от мощности ветра и ширины крыльев.

Соответственно, увеличив размер крыльев, можно увеличить производительность электричества.

Существуют малого и среднего размеров турбины. Средние отличаются удобством в использовании и простотой производства.

На данный момент даже самые мощные ветрогенераторы, увы, не способны снабжать электричеством крупные города. Ветровые генераторы с малой мощностью используют для фермерских потребностей, они обеспечивают снабжение водой, что является весьма экономичным способом.

Ветряные электростанции

Ветряные электростанции представляют собой общую сеть из множества ветрогенераторов, которые преобразуют энергию ветра в электричество.

В неё входят:

ветряной двигатель;
генератор, преобразующий электрический ток;
устройство, которое автоматически управляет ветряным двигателем;
постройки для обслуживания.

Работают они следующим образом: ветер соприкасаясь с крыльями ветрогенератора, приводит их в движение, механизмы электрогенератора запускаются, что приводит к выработке электричества.

Для электростанций используют разного рода конструкции:

многокрыльчатые (в виде ромашки);
конструкции в виде пропеллеров от самолёта;
генераторы с вертикально стоящей осью;
ветрогенераторы с горизонтальным центром.

Ветряная электростанция - очень экономичный способ добывания электричества, но за счёт небольшой мощности и прямой зависимости от погодных условий, они не являются основным источником электроэнергии.

Они способны препятствовать естественному потоку воздуха и несущественно изменять климат. Постройка электростанции занимает огромные участки по сравнению с другими электрогенераторами.

С одной стороны, ветрогенераторы - это природный источник электричества, их работа не представляет никакого вреда для человека и является отличным бесконечным резервом.

Они бывают разноплановые и можно выбрать оптимальный для своих потребностей.

Часто ветрогенераторы устанавливают на фермах и собственных участках. Но, с другой стороны, они зависят от погодных условий, потока ветра, и могут приносить неудобства в виде шума от работы. Также большие электростанции могут препятствовать радиоволнам и воздушным посланиям.

Кроме того, огромные электростанции препятствуют перелёту птиц. Вырабатываемой мощности, даже самых огромных станций, все же не хватает для обеспечения электроэнергией больших городов.

Смотрите видео, в котором рассматриваются особенности работы, а также преимущества и недостатки ветрогенераторов:

Прежде чем заняться подбором ветрогенератора выясним, какие они бывают. Итак, их условно разделяют на:

Карусельные – они имеют ось вращения вертикальную;
Крыльчатые – имеют ось вращения горизонтальную;

Карусельные ветрогенераторы

Главным плюсом будет то, что такой тип установки при увеличении скорости ветра довольно быстро набирает силу тяги, после чего ее скорость вращения практически все время постоянна и не изменяется. Ей не требуется никаких дополнительных устройств и систем, так как она сама в состоянии определить «откуда дует ветер». Карусельные ветроустановки тихоходны, что позволяет применять довольно таки простые электрические схемы соединения, например схему с асинхронным генератором.

Но в большинстве случаев в карусельных установках применяют еще и повышающие редукторы – мультиплексоры, что значительно снижает их КПД. Эксплуатация без мультиплексора довольно проблемная, так как тихоходные многополюсные генераторы не слишком распространены.

Крыльчатые ветрогенераторы

Они имеют довольно большую скорость вращения, что позволяет соединять их с генераторами электрического тока без редукторов (мультиплексоров).

Лопасти данного устройства располагаются вертикально-перпендикулярно воздушному потоку. Чтоб достичь этого применяют специальные устройства – стабилизаторы. Более того, у крыльчатых ветрогенераторов более высокий коэффициент использования энергии ветра. Как правило, установки с количеством лопастей более трех на практике не применяются, это вызвано тем, что скорость их вращения обратно пропорциональна количеству лопастей.

Простота изготовления, а также скорость вращения, способствующая прямому соединению ветряка с электрическим генератором, обусловили довольно широкое распространение крыльчатых ветрогенераторов.