Ось вращения своими руками. Типы ветродвигателей. Новые конструкции и технические решения. Дополнительные преимущества VAWT ветрогенераторов

Россия в отношении ветроэнергетических ресурсов занимает двоякое положение. С одной стороны, благодаря огромной общей площади и обилию равнинных местностей ветра в целом много, и он большей частью ровный. С другой – наши ветры преимущественно низкопотенциальные, медленные, см. рис. С третьей, в мало обжитых местностях ветры буйные. Исходя из этого, задача завести на хозяйстве ветрогенератор вполне актуальна. Но, чтобы решить – покупать достаточно дорогое устройство, или сделать его своими руками, нужно как следует подумать, какой тип (а их очень много) для какой цели выбрать.

Основные понятия

КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
Максимально допустимая скорость ветра (МДС) – его скорость, при которой выработка энергии прекращается: автоматика или отключает генератор, или ставит ротор во флюгер, или складывает его и прячет, или ротор сам останавливается, или ВСУ просто разрушается.
Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
Отрицательная стартовая скорость (ОСС) – это значит, что ВСУ (или ВЭУ – ветроэнергетическая установка, или ВЭА, ветроэнергетический агрегат) для запуска при любой скорости ветра требует обязательной раскрутки от постороннего источника энергии.
Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
Тихоходный ветряк – в нем линейная скорость частей ротора в потоке существенно не превосходит скорость ветра или ниже ее. Динамический напор потока непосредственно преобразуется в тягу лопасти.
Быстроходный ветряк – линейная скорость лопастей существенно (до 20 и более раз) выше скорости ветра, и ротор образует свою собственную циркуляцию воздуха. Цикл преобразования энергии потока в тягу сложный.

Примечания:

Тихоходные ВСУ, как правило, имеют КИЭВ ниже, чем быстроходные, но имеют стартовый момент, достаточный для раскрутки генератора без отключения нагрузки и нулевую ССВ, т.е. абсолютно самозапускающиеся и применимы при самых слабых ветрах.
Тихоходность и быстроходность – понятия относительные. Бытовой ветряк на 300 об/мин может быть тихоходным, а мощные ВСУ типа EuroWind, из которых набирают поля ветроэлектростанций, ВЭС (см. рис.) и роторы которых делают порядка 10 об/мин – быстроходные, т.к. при таком их диаметре линейная скорость лопастей и их аэродинамика на большей части размаха – вполне «самолетные», см. далее.

Какой нужен генератор?

Электрический генератор для ветряка бытового назначения должен вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне скоростей вращения и обладать способностью самозапуска без автоматики и внешних источников питания. В случае использования ВСУ с ОСС (ветряки с раскруткой), обладающих, как правило, высокими КИЭВ и КПД, он должен быть и обратимым, т.е. уметь работать и как двигатель. При мощностях до 5 кВт этому условию удовлетворяют электрические машины с постоянными магнитами на основе ниобия (супермагнитами); на стальных или ферритовых магнитах можно рассчитывать не более чем на 0,5-0,7 кВт.

Примечание: асинхронные генераторы переменного тока или коллекторные с ненамагниченным статором не годятся совершенно. При уменьшении силы ветра они «погаснут» задолго до того, как его скорость упадет до МРС, и потом сами не запустятся.

Отличное «сердце» ВСУ мощностью от 0,3 до 1-2 кВт получается из автогенератора переменного тока со встроенным выпрямителем; таких сейчас большинство. Во-первых, они держат выходное напряжение 11,6-14,7 В в довольно широком диапазоне скоростей без внешних электронных стабилизаторов. Во-вторых, кремниевые вентили открываются, когда напряжение на обмотке достигнет примерно 1,4 В, а до этого генератор «не видит» нагрузки. Для этого генератор нужно уже довольно прилично раскрутить.

В большинстве случаев автогенератор можно непосредственно, без зубчатой или ременной передачи, соединить с валом быстроходного ВД, подобрав обороты выбором количества лопастей, см. ниже. «Быстроходки» имеют малый или нулевой стартовый момент, но ротор и без отключения нагрузки успеет достаточно раскрутиться, прежде чем вентили откроются и генератор даст ток.

Выбор по ветру

Прежде чем решать, какой сделать ветрогенератор, определимся с местной аэрологией. В серо-зеленоватых (безветренных) областях ветровой карты хоть какой-то толк будет лишь от парусного ветродвигателя (и них далее поговорим). Если необходимо постоянное энергоснабжение, то придется добавить бустер (выпрямитель со стабилизатором напряжения), зарядное устройство, мощную аккумуляторную батарею, инвертор 12/24/36/48 В постоянки в 220/380 В 50 Гц переменного тока. Обойдется такое хозяйство никак не менее $20.000, и снять долговременную мощность более 3-4 кВт вряд ли получится. В общем, при непреклонном стремлении к альтернативной энергетике лучше поискать другой ее источник.

В желто-зеленых , слабоветренных местах, при потребности в электричестве до 2-3 кВт самому можно взяться за тихоходный вертикальный ветрогенератор . Их разработано несть числа, и есть конструкции, по КИЭВ и КПД почти не уступающие «лопастникам» промышленного изготовления.

Если же ВЭУ для дома предполагается купить, то лучше ориентироваться на ветряк с парусным ротором. Споров и них много, и в теории пока еще не все ясно, но работают. В РФ «парусники» выпускают в Таганроге на мощность 1-100 кВт.

В красных , ветреных, регионах выбор зависит от потребной мощности. В диапазоне 0,5-1,5 кВт оправданы самодельные «вертикалки»; 1,5-5 кВт – покупные «парусники». «Вертикалка» тоже может быть покупной, но обойдется дороже ВСУ горизонтальной схемы. И, наконец, если требуется ветряк мощностью 5 кВт и более, то выбирать нужно между горизонтальными покупными «лопастниками» или «парусниками».

Примечание: многие производители, особенно второго эшелона, предлагают комплекты деталей, из которых можно собрать ветрогенератор мощностью до 10 кВт самостоятельно. Обойдется такой набор на 20-50% дешевле готового с установкой. Но прежде покупки нужно внимательно изучить аэрологию предполагаемого места установки, а затем по спецификациям подобрать подходящие тип и модель.

О безопасности

Детали ветродвигателя бытового назначения в работе могут иметь линейную скорость, превосходящую 120 и даже 150 м/с, а кусочек любого твердого материала весом в 20 г, летящий со скоростью 100 м/с, при «удачном» попадании убивает здорового мужика наповал. Стальная, или из жесткого пластика, пластина толщиной 2 мм, движущаяся со скоростью 20 м/с, рассекает его же напополам.

Кроме того, большинство ветряков мощностью более 100 Вт довольно сильно шумят. Многие порождают колебания давления воздуха сверхнизкой (менее 16 Гц) частоты – инфразвуки. Инфразвуки неслышимы, но губительны для здоровья, а распространяются очень далеко.

Примечание: в конце 80-х в США был скандал – пришлось закрыть крупнейшую на тот момент в стране ВЭС. Индейцы из резервации в 200 км от поля ее ВСУ доказали в суде, что резко участившиеся у них после ввода ВЭС в эксплуатацию расстройства здоровья обусловлены ее инфразвуками.

В силу указанных выше причин установка ВСУ допускается на расстоянии не менее 5 их высот от ближайших жилых строений. Во дворах частных домовладений можно устанавливать ветряки промышленного изготовления, соответствующим образом сертифицированные. На крышах ставить ВСУ вообще нельзя – при их работе, даже у маломощных, возникают знакопеременные механические нагрузки, способные вызвать резонанс строительной конструкции и ее разрушение.

Примечание: высотой ВСУ считается наивысшая точка ометаемого диска (для лопастных роторов) или геомерической фигуры (для вертикальных ВСУ с ротором на древке). Если мачта ВСУ или ось ротора выступают вверх еще выше, высота считается по их топу – верхушке.

Ветер, аэродинамика, КИЭВ

Самодельный ветрогенератор подчиняется тем же законам природы, что и заводской, рассчитанный на компьютере. И самодельщику основы его работы нужно понимать очень хорошо – в его распоряжении чаще всего нет дорогих суперсовременных материалов и технологического оборудования. Аэродинамика же ВСУ ох как непроста…

Ветер и КИЭВ

Для расчета серийных заводских ВСУ используется т. наз. плоская механистическая модель ветра. В ее основе следующие предположения:

Скорость и направление ветра постоянны в пределах эффективной поверхности ротора.
Воздух – сплошная среда.
Эффективная поверхность ротора равна ометаемой площади.
Энергия воздушного потока – чисто кинетическая.

При таких условиях максимальную энергию единицы объема воздуха вычисляют по школьной формуле, полагая плотность воздуха при нормальных условиях 1,29 кг*куб. м. При скорости ветра 10 м/с один куб воздуха несет в себе 65 Дж, и с одного квадрата эффективной поверхности ротора можно, при 100% КПД всей ВСУ, снять 650 Вт. Это весьма упрощенный подход – все знают, что ветер идеально ровным не бывает. Но на это приходится идти, чтобы обеспечить повторяемость изделий – обычное в технике дело.

Плоскую модель игнорировать не следует, она дает четкий минимум доступной энергии ветра. Но воздух, во-первых, сжимаем, во-вторых, очень текуч (динамическая вязкость всего 17,2 мкПа*с). Это значит, поток может обтекать ометаемую площадь, уменьшая эффективную поверхность и КИЭВ, что чаще всего и наблюдается. Но в принципе возможна и обратная ситуация: ветер стекается к ротору и площадь эффективной поверхности тогда окажется больше ометаемой, а КИЭВ – больше 1 относительно его же для плоского ветра.

Приведем два примера. Первый – прогулочная, довольно тяжеловесная, яхта может идти не только против ветра, но и быстрее его. Ветер имеется в виду внешний; вымпельный ветер все равно должен быть быстрее, иначе как он судно потянет?

Второй – классика авиационной истории. На испытаниях МИГ-19 оказалось, что перехватчик, который был на тонну тяжелее фронтового истребителя, по скорости разгоняется быстрее. С теми же движками в том же планере.

Теоретики не знали, что и думать, и всерьез засомневались в законе сохранения энергии. В конце концов оказалось – дело в выступающем из воздухозаборника конусе обтекателя РЛС. От его носка к обечайке возникало уплотнение воздуха, как бы сгребавшее его со сторон к компрессорам двигателей. С тех пор ударные волны прочно вошли в теорию как полезные, и фантастические летные данные современных самолетов в немалой степени обусловлены их умелым использованием.

Аэродинамика

Развитие аэродинамики принято делить на две эпохи – до Н. Г. Жуковского и после. Его доклад «О присоединенных вихрях» от 15 ноября 1905 г. стал началом новой эры в авиации.

До Жуковского летали на поставленных плашмя парусах: полагалось, что частицы набегающего потока отдают весь свой импульс передней кромке крыла. Это позволяло сразу избавиться от векторной величины – момента количества движения – порождавшей зубодробительную и чаще всего неаналитическую математику, перейти к куда более удобным скалярным чисто энергетическим соотношениям, и получить в итоге расчетное поле давления на несущую плоскость, более-менее похожее на настоящее.

Такой механистический подход позволил создать аппараты, способные худо-бедно подняться в воздух и совершить перелет из одного места в другое, не обязательно грохнувшись на землю где-то по пути. Но стремление увеличить скорость, грузоподъемность и другие летные качества все больше выявляло несовершенство первоначальной аэродинамической теории.

Идея Жуковского была такова: вдоль верхней и нижней поверхностей крыла воздух проходит разный путь. Из условия непрерывности среды (пузыри вакуума сами по себе в воздухе не образуются) следует, что скорости верхнего и нижнего потоков, сходящих с задней кромки, должны отличаться. Вследствие пусть малой, но конечной вязкости воздуха там из-за разности скоростей должен образоваться вихрь.

Вихрь вращается, а закон сохранения количества движения, столь же непреложный, как и закон сохранения энергии, справедлив и для векторных величин, т.е. должен учитывать и направление движения. Поэтому тут же, на задней кромке, должен сформироваться противоположно вращающийся вихрь с таким же вращательным моментом. За счет чего? За счет энергии, вырабатываемой двигателем.

Для практики авиации это означало революцию: выбрав соответствующий профиль крыла, можно было присоединенный вихрь пустить вокруг крыла в виде циркуляции Г, увеличивающей его подъемную силу. Т.е., затратив часть, а для больших скоростей и нагрузок на крыло – большую часть, мощности мотора, можно создать вокруг аппарата воздушный поток, позволяющий добиться лучших летных качеств.

Это делало авиацию авиацией, а не частью воздухоплавания: теперь летательный аппарат мог сам создавать себе нужную для полета среду и не быть более игрушкой воздушных потоков. Нужен только двигатель помощнее, и еще и еще мощнее…

Снова КИЭВ

Но у ветряка мотора нет. Он, наоборот, должен отбирать энергию у ветра и давать ее потребителям. И здесь выходит – ноги вытащил, хвост увяз. Пустили слишком мало энергии ветра на собственную циркуляцию ротора – она будет слабой, тяга лопастей – малой, а КИЭВ и мощность – низкими. Отдадим на циркуляцию много – ротор при слабом ветре будет на холостом ходу крутиться как бешеный, но потребителям опять достается мало: чуть дали нагрузку, ротор затормозился, ветер сдул циркуляцию, и ротор стал.

Закон сохранения энергии «золотую середину» дает как раз посерединке: 50% энергии даем в нагрузку, а на остальные 50% подкручиваем поток до оптимума. Практика подтверждает предположения: если КПД хорошего тянущего пропеллера составляет 75-80%, то КИЭВ так же тщательно рассчитанного и продутого в аэродинамической трубе лопастного ротора доходит до 38-40%, т.е. до половины от того, чего можно добиться при избытке энергии.

Современность

Ныне аэродинамика, вооруженная современной математикой и компьютерами, все более уходит от неизбежно что-то да упрощающих моделей к точному описанию поведения реального тела в реальном потоке. И тут, кроме генеральной линии – мощность, мощность, и еще раз мощность! – обнаруживаются пути побочные, но многообещающие как раз при ограниченном количестве поступающей в систему энергии.

Известный авиатор-альтернативщик Пол Маккриди еще в 80-х создал самолет, с двумя моторчиками от бензопилы мощностью в 16 л.с. показавший 360 км/ч. Причем шасси его было трехопорным неубирающимся, а колеса – без обтекателей. Ни один из аппаратов Маккриди не вышел на линию и не встал на боевое дежурство, но два – один с поршневыми моторами и пропеллерами, а другой реактивный – впервые в истории облетели вокруг земного шара без посадки на одной заправке.

Парусов, породивших изначальное крыло, развитие теории тоже коснулось весьма существенно. «Живая» аэродинамика позволила яхтам при ветре в 8 узл. встать на подводные крылья (см. рис.); чтобы разогнать такую громадину до нужной скорости гребным винтом, требуется двигатель не менее 100 л.с. Гоночные катамараны при таком же ветре ходят со скоростью около 30 узл. (55 км/ч).

Есть и находки совершенно нетривиальные. Любители самого редкого и экстемального спорта – бейсджампинга – надев апециальный костюм-крыло, вингсьют, летают без мотора, маневрируя, на скорости более 200 км/ч (рис. справа), а затем плавно приземляются в заранее выбранном месте. В какой сказке люди летают сами по себе?

Разрешились и многие загадки природы; в частности – полет жука. По классической аэродинамике, он летать не способен. Точно так же, как и родоначальник «стелсов» F-117 с его крылом ромбовидного профиля тоже не способен подняться в воздух. А МИГ-29 и Су-27, которые некоторое время могут лететь хвостом вперед, и вовсе ни в какие представления не укладываются.

И почему тогда, занимаясь ветродвигателями, не забавой и не орудием уничтожения себе подобных, а источником жизненно важного ресурса, нужно плясать непременно от теории слабых потоков с ее моделью плоского ветра? Неужели не найдется возможности продвинуться дальше?

Чего ожидать от классики?

Однако от классики отказываться ни в коем случае не следует. Она дает основу, не оперевшись на которую нельзя подняться выше. Точно так же, как теория множеств не отменяет таблицу умножения, а от квантовой хромодинамики яблоки с деревьев вверх не улетят.

Итак, на что можно рассчитывать при классическом подходе? Посмотрим на рисунок. Слева – типы роторов; они изображены условно. 1 – вертикальный карусельный, 2 – вертикальный ортогональный (ветряная турбина); 2-5 – лопастные роторы с разным количеством лопастей с оптимизированными профилями.

Справа по горизонтальной оси отложена относительная скорость ротора, т.е., отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. По вертикальной вверх – КИЭВ. А вниз – опять же относительный крутящий момент. Единичным (100%) крутящим моментом считается такой, который создает насильно заторможенный в потоке ротор со 100% КИЭВ, т.е. когда вся энергия потока преобразуется во вращающее усилие.

Такой подход позволяет делать далеко идущие выводы. Скажем, количество лопастей нужно выбирать не только и не столько по желательной скорости вращения: 3- и 4-лопастники сразу много теряют по КИЭВ и вращательному моменту по сравнению с хорошо работающими примерно в том же диапазоне скорстей 2- и 6-лопастниками. А внешне похожие карусель и ортогонал обладают принципиально разными свойствами.

В целом же предпочтение следует отдавать лопастным роторам, кроме случаев, когда требуются предельная дешевизна, простота, необслуживаемый самозапуск без автоматики и невозможен подъем на мачту.

Примечание: о парусных роторах поговорим особо – они, похоже, в классику не укладываются.

Вертикалки

ВСУ с вертикальной осью вращения имеют неоспоримое для быта преимущество: их узлы, требующие обслуживания, сосредоточены внизу и не нужен подъем наверх. Там остается, и то не всегда, упорно-опорный самоустанавливающийся подшипник, но он прочен и долговечен. Поэтому, проектируя простой ветрогенератор, отбор вариантов нужно начинать с вертикалок. Основные их типы представлены на рис.

ВС

На первой позиции – самый простейший, чаще всего называемый ротором Савониуса. На самом деле его изобрели в 1924 г. в СССР Я. А. и А. А. Воронины, а финский промышленник Сигурд Савониус бессовестно присвоил себе изобретение, проигнорировав советское авторское свидетельство, и начал серийный выпуск. Но внедрение в судьбе изобретения значит очень много, поэтому мы, чтобы не ворошить прошлое и не тревожить прах усопших, назовем этот ветряк ротором Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС.

ВС для самодельщика всем хорош, кроме «паровозного» КИЭВ в 10-18%. Однако в СССР над ним работали много, и наработки есть. Ниже мы рассмотрим усовершенствованную конструкцию, не намного более сложную, но по КИЭВ дающую фору лопастникам.

Примечание: двухлопастный ВС не крутится, а дергается рывками; 4-лопастный лишь немного плавнее, но много теряет в КИЭВ. Для улучшения 4-«корытные» чаще всего разносят на два этажа – пара лопастей внизу, а другая пара, повернутая на 90 градусов по горизонтали, над ними. КИЭВ сохраняется, и боковые нагрузки на механику слабеют, но изгибные несколько возрастают, и при ветре более 25 м/с у такой ВСУ на древке, т.е. без растянутого вантами подшипника над ротором, «срывает башню».

Дарье

Следующий – ротор Дарье; КИЭВ – до 20%. Он еще проще: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. Теория ротора Дарье еще недостаточно разработана. Ясно только, что начинает он раскручиваться за счет разности аэродинамического сопротивления горба и кармана ленты, а затем становится вроде как быстроходным, образуя собственную циркуляцию.

Вращательный момент мал, а в стартовых положениях ротора параллельно и перпендикулярно ветру вообще отсутствует, поэтому самораскрутка возможна только при нечетном количестве лопастей (крыльев?) В любом случае на время раскрутки нагрузку от генератора нужно отключать.

Есть у ротора Дарье еще два нехороших качества. Во-первых, при вращении вектор тяги лопасти описывает полный оборот относительно ее аэродинамического фокуса, и не плавно, а рывками. Поэтому ротор Дарье быстро разбивает свою механику даже при ровном ветре.

Во-вторых, Дарье не то что шумит, а вопит и визжит, вплоть до того, что лента рвется. Происходит это вследствие ее вибрации. И чем больше лопастей, тем сильнее рев. Так что Дарье если и делают, то двухлопастными, из дорогих высокопрочных звукопоглощающих материалов (карбона, майлара), а для раскрутки посередине мачты-древка приспосабливают небольшой ВС.

Ортогонал

На поз. 3 – ортогональный вертикальный ротор с профилированными лопастями. Ортогональный потому, что крылья торчат вертикально. Переход от ВС к ортогоналу иллюстрирует рис. слева.

Угол установки лопастей относительно касательной к окружности, касающейся аэродинамических фокусов крыльев, может быть как положительным (на рис.), так и отрицательным, сообразно силе ветра. Иногда лопасти делают поворотными и ставят на них флюгерки, автоматически держащие «альфу», но такие конструкции часто ломаются.

Центральное тело (голубое на рис.) позволяет довести КИЭВ почти до 50% В трехлопастном ортогонале оно должно в разрезе иметь форму треугольника со слегка выпуклыми сторонами и скругленными углами, а при большем количестве лопастей достаточно простого цилиндра. Но теория для ортогонала оптимальное количество лопастей дает однозначно: их должно быть ровно 3.

Ортогонал относится к быстроходным ветрякам с ОСС, т.е. обязательно требует раскрутки при вводе в эксплуатацию и после штиля. По ортогональной схеме выпускаются серийные необслуживаемые ВСУ мощностью до 20 кВт.

Геликоид

Геликоидный ротор, или ротор Горлова (поз. 4) – разновидность ортогонала, обеспечивающая равномерное вращение; ортогонал с прямыми крыльями «рвет» лишь немного слабее двухлопастного ВС. Изгиб лопастей по геликоиде позволяет избежать потерь КИЭВ из-за их кривизны. Хотя часть потока кривая лопасть и отбрасывает, не используя, но зато и загребает часть в зону наибольшей линейной скорости, компенсируя потери. Геликоиды используют реже прочих ветряков, т.к. они вследствие сложности изготовления оказываются дороже равных по качеству собратьев.

Бочка-загребушка

На 5 поз. – ротор типа ВС, окруженный направляющим аппаратом; его схема представлена на рис. справа. В промышленном исполнении встречается редко, т.к. дорогостоящий отвод земли не компенсирует прироста мощности, а материалоемкость и сложность производства велики. Но самодельщик, боящийся работы – уже не мастер, а потребитель, и, если нужно не более 0,5-1,5 кВт, то для него «бочка-загребушка» лакомый кусок:

Ротор такого типа абсолютно безопасен, бесшумен, не создает вибраций и может быть установлен где угодно, хоть на детской площадке.
Согнуть «корыта» из оцинковки и сварить каркас из труб – работа ерундовая.
Вращение – абсолютно равномерное, детали механики можно взять самые дешевые или из хлама.
Не боится ураганов – слишком сильный ветер не может протолкнуться в «бочку»; вокруг нее возникает обтекаемый вихревой кокон (мы с этим эффектом еще столкнемся).
А самое главное – поскольку поверхность «загребушки» в несколько раз больше таковой ротора внутри, КИЭВ может быть и сверхединичным, а вращательным момент уже при 3 м/с у «бочки» трехметрового диаметра такой, что генератору на 1 кВт с предельной нагрузкой, как говорится, лучше и не дергаться.

Видео: ветрогенератор Ленца

В 60-х в СССР Е. С. Бирюков запатентовал карусельную ВСУ с КИЭВ 46%. Немного позже В. Блинов добился от конструкции на том же принципе КИЭВ 58%, но данных о ее испытаниях нет. А натурные испытания ВСУ Бирюкова были проведены сотрудниками журнала «Изобретатель и рационализатор». Двухэтажный ротор диаметром 0,75 м и высотой 2 м при свежем ветре раскручивал на полную мощность асинхронный генератор 1,2 кВт и выдерживал без поломки 30 м/с. Чертежи ВСУ Бирюкова приведены на рис.

ротор из кровельной оцинковки;
самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;
ванты – 5 мм стальной трос;
ось-древко – стальная труба с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;
рычаги аэродинамического регулятора оборотов;
лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или листовой пластик;
тяги регулятора оборотов;
груз регулятора оборотов, его вес определяет частоту вращения;
ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;
подпятник – упорно-опорный подшипник;
ведомый шкив – штатный шкив генератора;
генератор.

Бирюков на свою ВСУ получил сразу несколько авторских свидетельств. Во-первых, обратите внимание на разрез ротора. При разгоне он работает подобно ВС, создавая большой стартовый момент. По мере раскрутки во внешних карманах лопастей создается вихревая подушка. С точки зрения ветра, лопасти становятся профилированными, и ротор превращается в быстроходный ортогонал, причем виртуальный профиль меняется соответственно силе ветра.

Во-вторых, профилированный канал между лопастями в рабочем диапазоне скоростей работает как центральное тело. Если же ветер усиливается, то в нем также создается вихревая подушка, выходящая за пределы ротора. Возникает такой же вихревой кокон, как вокруг ВСУ с направляющим аппаратом. Энергия на его создание берется от ветра, и тому на поломку ветряка ее уже не хватает.

В-третьих, регулятор оборотов предназначен прежде всего для турбины. Он держит ее обороты оптимальными с точки зрения КИЭВ. А оптимум частоты вращения генератора обеспечивается выбором передаточного отношения механики.

Примечание: после публикаций в ИР за 1965 г. ВСУ Бирюкова канула в небытие. Ответа от инстанций автор так и не дождался. Судьба многих советских изобретений. Говорят, какой-то японец стал миллиардером, регулярно читая советские популярно-технические журналы и патентуя у себя все, заслуживающее внимания.

Лопастники

Как у сказано, по классике горизонтальный ветрогенератор с лопастным ротором – наилучший. Но, во-первых, ему нужен стабильный хотя бы средней силы ветер. Во-вторых, конструкция для самодельщика таит в себе немало подводных камней, из-за чего нередко плод долгих упорных трудов в лучшем случае освещает туалет, прихожую или крыльцо, а то и оказывается способен только раскрутить самого себя.

По схемам на рис. рассмотрим подробнее; позиции:

Фиг. А:

лопасти ротора;
генератор;
станина генератора;
защитный флюгер (ураганная лопата);
токосъемник;
шасси;
поворотный узел;
рабочий флюгер;
мачта;
хомут под ванты.

Фиг. Б, вид сверху:

защитный флюгер;
рабочий флюгер;
регулятор натяжения пружины защитного флюгера.

Фиг. Г, токосъемник:

коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;
подпружиненные меднографитовые щетки.

Примечание: ураганная защита для горизонтального лопастника диаметром более 1 м совершенно необходима, т.к. создать вокруг себя вихревой кокон он не способен. При меньших размерах можно добиться выносливости ротора до 30 м/с с лопастями из пропилена.

Итак, где нас ждут «спотыки»?

Лопасти

Рассчитывать добиться мощности на валу генератора более 150-200 Вт на лопастях любого размаха, вырезанных из толстостенной пластиковой трубы, как часто советуют – надежды беспросветного дилетанта. Лопасть из трубы (если только она не настолько толстая, что используется просто как заготовка) будет иметь сегментный профиль, т.е. его верхняя, или обе поверхности будут дугами окружности.

Сегментные профили пригодны для несжимаемой среды, скажем, для подводных крыльев или лопастей гребного винта. Для газов же нужна лопасть переменного профиля и шага, для примера см. рис.; размах – 2 м. Это будет сложное и трудоемкое изделие, требующее кропотливого расчета во всеоружии теории, продувок в трубе и натурных испытаний.

Генератор

При насадке ротора прямо на его вал штатный подшипник скоро разобьется – одинаковой нагрузки на все лопасти в ветряках не бывает. Нужен промежуточный вал со специальным опорным подшипником и механическая передача от него на генератор. Для больших ветряков опорный подшипник берут самоустанавливающийся двухрядный; в лучших моделях – трехъярусный, Фиг. Д на рис. выше. Такой позволяет валу ротора не только слегка изгибаться, но и немного смещаться из стороны в сторону или вверх-вниз.

Примечание: на разработку опорного подшипника для ВСУ типа EuroWind ушло около 30 лет.

Аварийный флюгер

Принцип его работы показывает Фиг. В. Ветер, усиливаясь, давит на лопату, пружина растягивается, ротор перекашивается, обороты его падают и в конце концов он становится параллельно потоку. Вроде бы все хорошо, но – гладко было на бумаге…

Попробуйте в ветреный день удержать за ручку параллельно ветру крышку от выварки или большой кастрюли. Только осторожно – вертлявая железяка может садануть по физиономbии так, что расквасит нос, рассечет губу, а то и выбьет глаз.

Плоский ветер бывает только в теоретических выкладках и, с достаточной для практики точностью, в аэродинамических трубах. Реально же ураган ветряки с ураганной лопатой корежит больше, чем вовсе беззащитные. Лучше все-таки менять исковерканные лопасти, чем делать заново все. В промышленных установках – другое дело. Там шаг лопастей, по каждой в отдельности, отслеживает и регулирует автоматика под управлением бортового компьютера. И делаются они из сверхпрочных композитов, а не из водопроводных труб.

Токосъемник

Это – регулярно обслуживаемый узел. Любой энергетик знает, что коллектор со щетками нужно чистить, смазывать, регулировать. А мачта – из водопроводной трубы. Не залезешь, раз в месяц-два придется весь ветряк валить на землю и потом опять поднимать. Сколько он протянет от такой «профилактики»?

Видео: лопастной ветрогенератор + солнечная панель для электроснабжения дачи

Мини и микро

Но с уменьшением размеров лопастника трудности падают по квадрату диаметра колеса. Изготовление горизонтальной лопастной ВСУ своими силами на мощность до 100 Вт уже возможно. Оптимальным будет 6-лопастный. При большем количестве лопастей диаметр ротора, рассчитанного на ту же мощность, будет меньше, но их окажется трудно прочно закрепить на ступице. Роторы о менее чем 6 лопастях можно не иметь в виду: 2-лопастнику на 100 Вт нужен ротор диаметром 6,34 м, а 4-лопастнику той же мощности – 4,5 м. Для 6-лопастного зависимость мощность – диаметр выражается следующим образом:

10 Вт – 1,16 м.
20 Вт – 1,64 м.
30 Вт – 2 м.
40 Вт – 2,32 м.
50 Вт – 2,6 м.
60 Вт – 2,84 м.
70 Вт – 3,08 м.
80 Вт – 3,28 м.
90 Вт – 3,48 м.
100 Вт – 3,68 м.
300 Вт – 6,34 м.

Оптимальным будет рассчитывать на мощность 10-20 Вт. Во-первых, лопасть из пластика размахом более 0,8 м без дополнительных мер защиты не выдержит ветер более 20 м/с. Во-вторых, при размахе лопасти до тех же 0,8 м линейная скорость ее концов не превысит скорость ветра более чем втрое, и требования к профилировке с круткой снижаются на порядки; здесь уже вполне удовлетворительно будет работать «корытце» с сегментным профилем из трубы, поз. Б на рис. А 10-20 Вт обеспечат питание планшетки, подзарядку смартфона или засветят лампочку-экономку.

Далее, выбираем генератор. Отлично подойдет китайский моторчик – ступица колеса для электровелосипедов, поз. 1 на рис. Его мощность как мотора – 200-300 Вт, но в режиме генератора он даст примерно до 100 Вт. Но подойдет ли он нам по оборотам?

Показатель быстроходности z для 6 лопастей равен 3. Формула для расчета скорости вращения под нагрузкой – N = v/l*z*60, где N – частота вращения, 1/мин, v – скорость ветра, а l – длина окружности ротора. При размахе лопасти 0,8 м и ветре 5 м/с получаем 72 об/мин; при 20 м/с – 288 об/мин. Примерно с такой же скоростью вращается и велосипедное колесо, так что свои 10-20 Вт от генератора, способного дать 100, мы уж снимем. Можно ротор сажать прямо на его вал.

Но тут возникает следующая проблема: мы, потратив немало труда и денег, хотя бы на моторчик, получили… игрушку! Что такое 10-20, ну, 50 Вт? А лопастный ветряк, способный запитать хотя бы телевизор, дома не сделаешь. Нельзя ли купить готовый мини-ветрогенератор, и не обойдется ли он дешевле? Еще как можно, и еще как дешевле, см. поз. 4 и 5. Кроме того, он будет еще и мобильным. Поставил на пенек – и пользуйся.

Второй вариант – если где-то валяется шаговый двигатель от старого 5- или 8-дюймового дисковода, или от привода бумаги или каретки негодного струйного или матричного принтера. Он может работать как генератор, и приделать к нему карусельный ротор из консервных банок (поз. 6) проще, чем собирать конструкцию наподобие показанной на поз. 3.

В целом по «лопастникам» вывод однозначен: самодельные – скорее для того, чтобы помастерить всласть, но не для реальной долговременной энергоотдачи.

Видео: простейший ветрогенератор для освещения дачи

Парусники

Парусный ветрогенератор известен давно, но мягкие полотнища его лопастей (см. рис.) начали делать с появлением высокопрочных износостойких синтетических тканей и пленок. Многолопастные ветряки с жесткими парусами широко разошлись по миру как привод маломощных автоматических водокачек, но их техданные ниже даже чем у каруселей.

Однако мягкий парус как крыло ветряка, похоже, оказался не так-то прост. Дело не в ветроустойчивости (производители не ограничивают максимально допустимую скорость ветра): яхсменам-парусникам и так известно, что ветру разорвать полотнище бермудского паруса практически невозможно. Скорее шкот вырвет, или мачту сломает, или вся посудина сделает «поворот оверкиль». Дело в энергетике.

К сожалению, точных данных испытаний не удается найти. По отзывам пользователей удалось составить «синтетические» зависимости для установки ВЭУ-4.380/220.50 таганрогского производства с диаметром ветроколеса 5 м, массой ветроголовки 160 кг и частотой вращения до 40 1/мин; они представлены на рис.

Разумеется, ручательств за 100% достоверность быть не может, но и так видно, что плоско-механистической моделью тут и не пахнет. Никак не может 5-метровое колесо на плоском ветре в 3 м/с дать около 1 кВт, при 7 м/с выйти на плато по мощности и далее держать ее до жестокого шторма. Производители, кстати, заявляют, что номинальные 4 кВт можно получить и при 3 м/с, но при установке их силами по результатам исследований местной аэрологии.

Количественной теории также не обнаруживается; пояснения разработчиков маловразумительны. Однако, поскольку таганрогские ВЭУ народ покупает, и они работают, остается предположить, что заявленные коническая циркуляция и пропульсивный эффект – не фикция. Во всяком случае, возможны.

Тогда, выходит, ПЕРЕД ротором, по закону сохранения импульса, должен возникнуть тоже конический вихрь, но расширяющийся и медленный. И такая воронка будет сгонять ветер к ротору, его эффективная поверхность получится больше ометаемой, а КИЭВ – сверхединичным.

Пролить свет на этот вопрос могли бы натурные измерения поля давления перед ротором, хотя бы бытовым анероидом. Если оно окажется выше, чем с боков в стороне, то, действительно, парусные ВСУ работают, как жук летает.

Самодельный генератор

Из сказанного выше ясно, что самодельщикам лучше браться или за вертикалки, или за парусники. Но те и другие очень медленные, а передача на быстроходный генератор – лишняя работа, лишние затраты и потери. Можно ли сделать эффективный тихоходный электрогенератор самому?

Да, можно, на магнитах из ниобиевого сплава, т. наз. супермагнитах. Процесс изготовления основных деталей показан на рис. Катушки – каждая из 55 витков медного 1 мм провода в термостойкой высокопрочной эмалевой изоляции, ПЭММ, ПЭТВ и т.п. Высота обмоток – 9 мм.

Обратите внимание на пазы под шпонки в половинах ротора. Они должны быть расположены так, чтобы магниты (они приклеиваются к магнитопроводу эпоксидкой или акрилом) после сборки сошлись разноименными полюсами. «Блины» (магнитопроводы) должны быть изготовлены из магнитомягкого ферромагнетика; подойдет обычная конструкционная сталь. Толщина «блинов» – не менее 6 мм.

Вообще-то лучше купить магниты с осевым отверстием и притянуть их винтами; супермагниты притягиваются со страшной силой. По этой же причине на вал между «блинами» надевается цилиндрическая проставка высотой 12 мм.

Обмотки, составляющие секции статора, соединяются по схемам, также приведенным на рис. Спаянные концы не должны быть натянуты, но должны образовывать петли, иначе эпоксидка, которой будет залит статор, застывая, может порвать провода.

Заливают статор в изложнице до толщины 10 мм. Центрировать и балансировать не нужно, статор не вращается. Зазор между ротором и статором – по 1 мм с каждой стороны. Статор в корпусе генератора нужно надежно зафиксировать не только от смещения по оси, но и от проворачивания; сильное магнитное поле при токе в нагрузке будет тянуть его за собой.

Видео: генератор для ветряка своими руками

Вывод

И что же мы имеем напоследок? Интерес к «лопастникам» объясняется скорее их эффектным внешним видом, чем действительными эксплуатационными качествами в самодельном исполнении и на малых мощностях. Самодельная карусельная ВСУ даст «дежурную» мощность для зарядки автоаккумулятора или энергоснабжения небольшого дома.

А вот с парусными ВСУ стоит поэкспериментировать мастерам с творческой жилкой, особенно в мини-исполнении, с колесом 1-2 м диаметром. Если предположения разработчиков верны, то с такого можно будет снять, посредством описанного выше китайского движка-генератора, все его 200-300 Вт.

Андрей сказал(а):

Спасибо за вашу бесплатную консультацию…А цены “от фирм”не реально дороги,и я думаю,что мастеровые люди из глубинки смогут сделать генераторы подобные вашему.А аккамуляторы Li-po можно выписать из Китая,инверторы в Челябинске делают очень хорошие (с плавным синусом).А паруса,лопасти или роторы – это очередной повод для полёта мысли наших рукастых Русских мужиков.

Иван сказал(а):

вопрос:
Для ветряков с вертикальной осью(позиция 1) и варианта “Ленца” возможно добавить дополнительную деталь – крыльчатку,выставляющуюся по ветру, и закрывающую от него же бесполезную сторону(идущую в сторону ветра). То есть ветер будет не лопасть тормозить, а этот “экран”. Постановка по ветру “хвостом”, находящимся за самим ветряком ниже и выше лопостей(гребней). Читал статью и родилась идея.

Нажимая кнопку «Добавить комментарий», я соглашаюсь с сайта.

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

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

Законно ли использование ветра?

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

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

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

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

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

Как работает ветряк?

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

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

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

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

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

Как сделать своими руками?

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

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

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

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

Также потребуются расходные материалы:

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

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

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

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

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

Фото ветрогенераторов своими руками

Вы когда-нибудь думали о том, чтобы использовать дармовой и бесполезный, казалось бы, ветер для хозяйственных нужд? Ведь давно известно, что природная энергия дается нам даром и было бы странно, если бы мы не пытались использовать ее для себя! В этой статье автор не предлагает создавать старинные ветряные мельницы, или какой-нибудь фантастический двигатель на космическом ветре. Но вот построить ветрогенератор, причем необычный, с вертикальной осью вращения, который будет вырабатывать электричество, и с довольно с хорошей мощностью – дело достижимое своими руками. Идея вертикального ветрогенератора вполне реальная, ее могут реализовать даже начинающие мастера, живущие в деревне, или имеющие садовый дом за городом. А для школьной мастерской этот несложный ветряной генератор – настоящая находка, которая будет развивать технические умения у школьников и пробуждать таланты, которые стандартной школьной программы не всегда могут быть раскрыты. Такое устройство будет украшать школьный двор, а лопасти этого красивого ветрогенератора при ветре будут вращаться, привлекая внимание школьников и прохожих, пробуждая интерес к техническому творчеству.

Готовые китайские ветрогенераторы и детали для сборки в этом китайском магазине .

Мощность и конструкция вертикального ветряка

Электричество, которое можно получить с помощью этой ветроустановки с вертикальной осью, достаточно, чтобы питать насос для поливки огорода, дать освещение в школьном классе или в комнате жилого дома. Если бы была возможность хотя бы в 20 процентах домах иметь такую бесплатную маленькую ветряную электростанцию, вы можете себе представить, сколько можно было бы сэкономить киловатт-часов и разгрузить электрические сети нашей страны!

Вертикальный ветрогенератор состоит из двух частей, представляющих собой половины полого цилиндра, которые способны расходиться. Созданный таким образом объект имеет четкую аэродинамическую не симметричность. Воздух, который надвигается поперек оси вращения устройства, соскальзывает с наружной стороны первой половины цилиндра. А другая сторона, которая направлена в другую сторону, является для ветра препятствием. Такое соотношение приводит к тому, что барабан начинает вращаться на вертикальной оси, и по мере борьбы с ветром все более разгоняется.

Этот механизм был использован в модели ветряной электростанции, которую разработал юный изобретатель Сергей Корнев. Эта схема имеет выгодные отличия от ветроустановки с пропеллером. Здесь не требуется высокой точности, допустимо применять различные материалы для изготовления. Ее размеры также выгодно отличаются от пропеллерной модели.

Взгляните на самом деле. Мощность ветряка, основанного на барабанном принципе, требует использования ветроустановки диаметром приблизительно 1 метр, его мощность будет равна пропеллеру с тремя лопастями диаметром 2,5 метров. При этом пропеллер на вертушку необходимо поднимать на большую высоту, например на крышу дома, а барабанный пропеллер можно установить непосредственно на земле. Есть еще некоторые преимущества нового механизма: значительные крутящий момент, достигаемый при небольших оборотах. А это означает, что можно совсем не использовать редуктор, либо ограничиться одноступенчатым редуктором.

Сергей в первоначальной конструкции ограничился барабаном с двумя лопастями. Наиболее оптимальным может быть конструкция, в которой количество лопастей доведены до четырех. Это может значительно увеличить тягу.

Изготовление барабана

В качестве материала для создания лопастей можно взять фанеру, кровельное железо, лист дюралюминия, пластик нужного размера. Нужно учесть, что ротор не должен быть тяжелым, поэтому заготовки большой толщины здесь не подойдут. Это поможет снизить трение в подшипниках, ветроустановка будет лучше вращаться от энергии ветра.

Ниже чертеж вертикального ветряка

На рисунке 3:
1 – сопротивление;
2 – обмотка статора ;
3 – ротор;
4 – регулятор напряжения;
5 – реле обратного тока;
6 – прибор для измерения тока (амперметр);
7 – акб;
8 – предохранитель;
9 – выключатель.
Если в качестве материала применить кровельное железо, возникает необходимость укрепить вертикальные края лопастей. Для этого можно взять железный прут диаметром 5-6 миллиметров, установив его под отбортовкой. Фанеру, если используется она, нужно взять толщиной 5-6 миллиметров, этот материал требует обработки горячей олифой. Щеки барабана делаются из дерева, пластика, либо легкого металла. Стыки необходимо обработать масляной краской.

Крестовины в местах соединений лопастей ветрогенератора предпочтительно соединить сваркой или клепкой из остальных полосок размером 5 x 60 миллиметров. Если взять древесину, то толщина её должна быть не меньше 25 миллиметров, ширина 80 миллиметров.
Вертушки оптимально изготовить из куска стальной трубы длиной 2 метров, внешний диаметр 30 миллиметров. Предварительно, перед выбором заготовки для оси, нужно раздобыть 2 шарикоподшипника. Не стоит брать старые, так как это увеличение трения. Сопоставив размеры подшипников и трубы, вы сэкономите силы и время, вам не придется подстраивать трубу к обоймам подшипников.

Крестовины ротора ветрогенератора нужно приварить к оси вращения, крестовины из дерева присоединить эпоксидкой и металлическими штифтами 5- 6 миллиметров, они должны быть продеты через каждую крестовину и трубу. Для установки лопастей используйте болты М 12. Хорошо проконтролируйте промежуток от лопастей до оси вращения: здесь нужно соблюсти один размер – 140-150 мм. Сконструировав барабан, еще раз промажьте стыки масляной краской (желательно густой).

Базовая часть ветроустановки с вертикальной осью вращения завершена, теперь нужно сделать станину, сварив её или используя клепку, из уголка (можно как металл, так и дерево). На сделанную станину поставьте подшипники. Смотрите за тем, чтобы не возник перекос, так как в этом случае ротор не будет хорошо вращаться. Все элементы ветроустановки 2 раза покрасьте масляной краской, на нижнем месте оси вращения установите шкивы разного диаметра. Ремень, который переброшен через шкив вертушки, присоедините к электрогенератором, здесь подойдет, к примеру, автогенератор. Созданная по представленной технологии модель ветровой установки при ветре 9-10 метров в секунду способно дать мощность в 800 ватт.

Если ветра на улице нет, либо ветер очень слабый для вращения лопастей, то нужно передать вырабатываемую электроэнергию ветра для накопления на акб. Дует ветер – подавайте ток на потребителей, погода безветренная – подключайте аккумуляторы.

Если ветроустановка с вертикальным планируется для питания насоса огорода или сада, ее следует установить над источником воды.

Ниже – попытка сделать ветряк для садового насоса

Построение ветрогенератора с вертикальной осью

Расходные материалы:

Шаг 1: Запчасти

– Труба ПВХ
– Водостойкая древесина
– 2 подшипника (нижняя должна выдерживать нагрузку)
– Катанка (2 размера) (1 большая и 4 маленьких) (нержавеющая сталь, если возможно)
– Болты и шайбы (2 размера) (нержавеющая сталь, если возможно)
– кусок 40 мм круглого алюминия (сплав) (он удержит нижний подшипник)
– 3 винта с ушком

Шаг 2: Давайте начнем

Первое, что вы должны сделать, это измерить вашу трубу ПВХ и разрезать ее на 4 равных части. (у меня было 2 метра в длину, так что было 50 см за штуку).
Когда вы это сделаете, вы обрежете его по длине отверстия.
Теперь у вас должно быть 8 штук (они должны быть точно одинакового размера!

Шаг 3: Изготовление двух дисков турбины

Возьмите 2 куска водостойкой фанеры (12 мм).
Измерьте в 2 направлениях, чтобы получить середину пластины и отметьте эту точку.
Возьми свой компас и сделай круг диаметром 40 см.
Возьмите свою головоломку и вырежьте ее.

Шаг 4: Разделите круг на 8 частей

Вы должны сделать это только на одной доске.
На следующем шаге я объясню почему.

Шаг 5: Вырезание слотов для турбинных лопаток

Я сделал так, чтобы нарисовал линии на двух досках, а затем пометил все дуги, которые мне пришлось разрезать.
Это я бы не стал делать снова! Я думаю, что лучше отметить только один.
Дуги рисуйте так: возьмите одну половину трубы и держите ее напротив одной из 8 линий, которые вы нарисовали ранее. Нарисуйте линию внутри и снаружи трубы. Тот, где вы отметили луки, надеваете сверху, а затем вы зажимаете их вместе. Когда вы порежете их, они будут точно такими же. Я использовал лезвие, которое обычно предназначалось для резки металла. Этот пильный диск чуть тоньше, чем лезвия.
На стороне двух дисков вы делаете маркировку, которая проходит над ними обоими. Таким образом, при сборке турбины диски будут идеально выровнены.
То, что вы также должны делать, когда все еще зажато, это просверлить центральное отверстие до размера вашей большой катанки и 4 отверстия для маленьких стержней. Разделите 4 стержня на турбину, как показано на рисунке ниже. Держитесь на расстоянии около 2 см от луков. Таким образом, вы все еще можете поместить несколько шайб на свои стержни, не касаясь их лезвий. Возьмите зажимы и установите лопасти турбины и 4 меньших стержня, как показано на последнем рисунке. Это должно плотно облегать!

Шаг 6: Приспособление центральной проволочной катушки к размеру

Сначала вы устанавливаете верхнюю часть турбины так же, как вы делали нижнюю часть на предыдущем шаге.
Обратите внимание на маркировку, которую вы сделали на боковых сторонах дисков, когда они все еще были зажаты.
Таким образом, те же самые разрезы будут приятно накладываться друг на друга, и турбина будет меньше качаться после ее завершения. Возможно, вы захотите использовать молоток и маленький кусочек дерева, чтобы не повредить лезвия или диск при ударе по нему. Убедитесь, что лезвия плотно прилегают и 4 маленьких стержня находятся в нужном месте. Это была нелегкая работа. Успехов.
Теперь мы оснастим большую катанку необходимыми болтами и шайбами.
То, что собирались сделать сейчас, это отметка, где мы будем резать катанку.
Первая картинка – вид с нижнего диска.
Я положил 2 болта туда, и они будут опираться на нижний подшипник.
Я оставил там провод дольше, чтобы там можно было подключить какой-нибудь генератор.
Верхний диск – вторая картинка, и стержень будет обрезан короче.
На этой стороне у нас будет только подшипник для балансировки турбины, когда она установлена на раме.

Шаг 7: Повернуть катанку вниз до нужного размера

Если у вас есть токарный станок, это довольно прямолинейная работа.
Я сделал стержень толщиной 10 мм с обеих сторон.
На фотографии показана нижняя сторона катанки.
Убедитесь, что он хорошо сидит, потому что это определит, насколько гладко будет работать ваша турбина.

Шаг 8: Изготовление держателя для нижнего подшипника

Подшипник, который я использовал, состоит из 3 частей, как показано на первом рисунке.
Этот подшипник сделан, чтобы справиться с вертикальным весом.
Если вы внимательно посмотрите, то увидите, что 2 диска не имеют отверстия одинакового внутреннего размера.
Диск с самым большим отверстием (тот, что справа) – это верхняя часть подшипника, на которой будет стоять турбина.
Я вырезал отверстие на токарном станке только диаметром подшипника. Делайте это в зависимости от размера подшипника, который вы будете использовать .
Не делайте дыру глубоко!
Убедитесь, что верхняя часть подшипника просто торчит из держателя.
Причина этого заключается в том, что верхнее кольцо будет вращаться вместе с турбиной и в противном случае трутся о внутреннюю часть держателя, что приведет к замедлению работы турбины и ее быстрому износу.
Вам также придется просверлить отверстие в нижней части держателя, чтобы катанка могла проходить сквозь него.
Сделайте его немного больше, чем размер стержня, чтобы его крепление не касалось боков.
Вы видели, что в этом подшипнике нет смазки, поэтому нам нужно будет установить смазочный ниппель.
Для этого используйте инструмент для нарезания резьбы.
Сначала просверлите отверстие в соответствии с протектором и размером соска, который вы будете использовать. Мой был М6.
Используйте немного смазочно-охлаждающей жидкости, потому что вы режете алюминий, и в противном случае он станет грубым внутри. Запустите режущий инструмент примерно на 1 оборот, а затем верните его назад на пол-оборота. Таким образом, металл режется внутри, и вы не будете тормозить инструмент. Используйте 3 этапа резки, пока не достигнете нужного протектора.

Шаг 9: Создание рамы вокруг турбины

Сначала вы получаете два куска дерева одинаковой длины.
Убедитесь, что они достаточно широкие, чтобы вы могли создать прочную структуру.
Посмотрите на центр их обоих и сделайте отверстие размером с держатель подшипника для нижнего и размер верхнего подшипника для верхнего.
Мне повезло, у меня была большая тренировка, чтобы сделать это. Если нет, возьмите свое самое большое сверло и просверлите его, а затем вырежьте остальное круглым топором.
Для нижнего вы должны просверлить центр желоба с помощью сверла на один размер больше, чем размер большого катанки, которая будет вставляться в подшипник. В нижней части вы должны будете вырезать маленький паз, чтобы ниппель мог поместиться внутрь и чтобы у вас было достаточно места, чтобы вставить смазочный насос. Вы можете видеть, как это должно выглядеть на фотографиях.
Возьмите еще два куска дерева по бокам. (У меня было немного фанеры, поэтому я использовал это)
Возьмите нижнюю часть с держателем подшипника внутри и положите ее на плоскую поверхность.
Используйте одну из боковых частей и прикрутите ее туда. Сначала просверлите несколько отверстий сбоку, чтобы винты лучше вошли. Убедитесь, что он идеально квадратный. (Угол 90 градусов).
Сделайте то же самое для другой стороны.
Теперь возьмите турбину, которая полностью собрана, и опустите ее в нижний подшипник.
Теперь возьмите верхнюю часть и наденьте подшипник на большой стержень. Измерьте по обе стороны турбины и убедитесь, что вы измеряете одинаковое расстояние, чтобы рама была идеально квадратной.
Фильм показывает, как хорошо он крутится.

Вложения

Шаг 10: Создание поддержки турбины

Этот материал я на самом деле не измерял.
Я позаботился о том, чтобы все было в идеальном соответствии с осью турбины.
Просто создайте его, как вы можете видеть на фотографиях.
Просто убедитесь, что его сильная причина будет в нем много силы.
Я еще не подключил ни одного генератора.
Понятия не имел, что с этим связано.
Я думал о другом генераторе энергии. (катушки и нео магниты)
Идеи приветствуются.
Надеюсь, вам понравилась эта турбина.
Держите меня в курсе вашего дела.

Шаг 11:

Как вы можете видеть в маленьких фильмах, я подключил некоторые веревки к турбине, чтобы она была устойчивой.
Я использовал несколько старых штифтов из палатки, чтобы соединить веревки с землей, а со стороны турбины я использовал 3 винта с ушком. Работает хорошо.
Когда вы устанавливаете турбину, убедитесь, что у вас есть кто-то, кто может удерживать турбину, пока вы подключаете провода к земле.

Источник

В этом разделе собраны различные конструкции ветрогенераторов с вертикальной осью вращения, сделанные любителями данного вида ветрогенераторов. Вертикальных ветрогенераторов бывает множество видов и вариаций. Простейшие Савониусы или по простому бочки, и более продвинутые роторы Дарье, которые более оборотистые, но тут каждый вид имеет свои достоинства и недостатки.

Ротор Онипко

Описание ротора Онипко. Что это? Очередной проект для поиска инвесторов или это реально эффективный ветрогенератор

Вертикальный ветрогенератор

Самодельный ветрогенератор, фото и видео. Немного фото самого ветряка, вышки и генераторов. Для этого ветряка изготавливалось несколько вариантов генераторов

Вертикальный ветрогенератор необычной конструкции

Интересная конструкция ветрогенератора, генератор которого сделан из асинхронного двигателя, но генератор сделан с тремя статорами и тройным ротором. так-же необычно вращается двухлопастной ротор с лопастями из поликарбоната.

Ветряк из бочек с откидными лопастями

Ветрогенератор сделанный из жестяных бочек. Генератор сделан из асинхронного двигателя мощностью 2,2кВт, ротор которого переделан на неодимовые магниты. Привод на генератор ременной. Лопасти ветряка откидные с центробежными грузами, выхотя на ветер они раскрываются и закрываются переходя под ветер.

Ветрогенератор из мотор-колеса

Немного фотографий небольшого вертикального ветрогенератора. В качестве генератора здесь использовалось мотор-колесо от скутера, передача крутящегго момента на генератор цепная, соотношение примерно 1:2,5. Размеры ротора 1*1,6метра, высота мачты 9 метров. На среднем ветру этот ветряк выдает до 3А и 17v на зарядку щелочного аккумулятора.

Ветрогенератор для забора воды

Ставшая уже легендарной на просторах рунета конструция этого ветрогенератора, который приводит в движение самодельный насос, а он качает воду из озера. Изначально ветряк должен был заряжать аккумулятор, но слишком малые обороты свели на нет все попытки получения электричества.

Вертикальный ветрогенератор, ротор Угринского

Самодельный ветрогенератор с вертикальной осью вращения и размером ротора 0,75*1,6м. Конструкция лопастей по чертежам ротора Угринского, это улучшенный Савониус по сути, КИЭВ такой конструкции выше. Конструкция сделана из двух блоков с углом 90 градусов, материал фанера и алюминий. Генератор для этого ветряка аксиального типа на постоянных магнитах.

Мощность ветроустановки около 50 ватт на ветре 7-8м/с.

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.