Особенности вертикальных ветрогенераторов

Классификация видов генераторов энергии

Существует несколько признаком, по которым классифицируют ветроэлектрические установки.

Итак, ветряки различаются по:

• числу лопастей в пропеллере;
• материалам изготовления лопастей;
• расположению оси вращения относительно поверхности земли;
• шаговому признаку винта.

Встречаются модели с одной, двумя, тремя лопастями и многолопастные.

Изделия с большим числом лопастей начинают своё вращение даже при небольшом ветре. Обычно их используют в таких работах, когда сам процесс вращения важнее получения электроэнергии. Например, для извлечении воды из глубоких колодезных скважин.

Лопасти могут быть парусными или жесткими. Парусные изделия намного дешевле жестких, на изготовление которых идёт металл или стеклопластик. Но их приходится очень часто ремонтировать: они непрочные.

Что касается расположения оси вращения относительно земной поверхности, различают вертикальные и горизонтальные модели. И в этом случае каждая разновидность имеет свои преимущества: вертикальные более чутко реагируют на каждое дуновение ветра, зато горизонтальные мощнее.

Ветрогенераторы разделяются по шаговым признакам на модели с фиксированным и изменяемым шагом.

Изменяемый шаг позволяет существенно увеличивать скорость вращения, но такая установка отличается сложной и массивной конструкцией. ВЭУ с фиксированным шагом проще и надёжнее.

Галерея изображений
Фото из
От изрядно поврежденного автогенератора после разборки остался лишь статор, для которого был отдельно сварен корпус

Для того чтобы восстановить технические характеристики двигателя, надо перемотать 36 катушек статора. В перемотке потребуется провод диаметром 0,56 мм. Витков надо сделать по 35 штук

Перед креплением лопастей отремонтированный двигатель надо собрать, покрыть лаком или хотя бы эпоксидкой, поверхность нужно покрасить

Провода соединяются по параллельной схеме, три провода выводятся для подключения к источнику питания

Ось, предназначенная для обеспечения вращения, выполнена из отвода трубы 15. К оси приварены подшипники, которые привалены через отрезок трубы 52

В изготовлении хвоста использована оцинкованная листовая сталь толщиной 4 мм, загнутая по краям и установленная в выбранный в рейке паз

Лопасти вырезаны из полимерной канализационной трубы, прикреплены к соединяемому с двигателем треугольнику шурупами

Практически бесплатный ветряной генератор можно сделать из бросовых деталей: двигателя от старого автомобиля и обрезка канализационной трубы

Шаг 1: Разборка бывшего в употреблении генератора

Шаг 2: Восстановление возможностей двигателя

Шаг 3: Сборка восстановленного двигателя для ветряка

Шаг 4: Соединение проводов двигателя и вывод их к силовой линии

Шаг 5: Специфические особенности устройства поворотного узла

Шаг 6: Изготовления хвоста для реагирования на ветер

Шаг 7: Крепление лопастей ветряной мини электростанции

Шаг 8: Сборка практически бесплатного генератора электроэнергии

Вертикально-осевые ветротурбины.

Конструкция вертикально-осевой ветротурбины имеет увеличенную ометаемую ветром площадь, что обеспечивает высокий коэффициент использования ветра – 48-50%.

Описание:

Вертикально-осевые ветротурбины являются новым трендом в ветроэнергетике. Однако сама конструкция такой ветротурбины еще была известна со времен Вавилонского царства. Тогда вертикально-осевые ветротурбины имели лопасти, сбитые из досок.

Разработанная вертикально-осевая ветротурбина имеет принципиально новую архитектуру в отличии от горизонтально-осевых и известных в древние времена ветротурбин.

Конструкция вертикально-осевой ветротурбины предусматривает наличие ротора (вертикальной оси), к которому прикреплены вертикально и горизонтально (антикрылья) установленные лопасти, изменяющие свое положение и направление в зависимости от силы ветра, а также верхняя горизонтальная крыльчатка.

В основе вертикально-осевой ветротурбины использован принцип природного явления – смерча (торнадо). Вертикальные лопасти взаимно перекрывают друг друга, что не дает воздуху свободно перетекать на другую сторону ротора. Воздух омывает снаружи наветренные лопасти, а внутри – подветренные. Образуется восходящий вихрь. Таким образом, ветротурбина превращает горизонтальный линейный поток ветра в восходящий вихрь, который «наматывается» на многолопастный ротор, как кокон. Вертикальные лопасти мешают прохождению воздуха напрямую, он спирально обтекает полость ротора, передавая трением ему свою энергию. Ветровой поток взаимодействует не только с этими лопастями, но и со связанными с ротором  горизонтальными наклонными антикрыльями (лопастями). Горизонтально наклонные антикрылья создают дополнительный крутящий момент. С верхом лопастей соединена горизонтальная крыльчатка. Она также взаимодействует с восходящим вихрем. Такая конструкция вертикально-осевого ветрогенератора позволила увеличить ометаемую ветром площадь ротора без увеличения его габаритов.

Кроме того, вращающаяся турбина при взаимодействии с ветровым потоком вызывает поперечную движущую силу. Сила тяги многократно превышает мощность на валу турбины за счет аэродинамического эффекта Прандтля – Флеттнера. Данное обстоятельство позволит использовать вертикально-осевые ветротурбины не только как источник энергии, а в качестве движущих установок небольших судов и больших кораблей в дополнение к основным силовым установкам  для экономии топлива.

Преимущества вертикально-осевой ветротурбины:

– всегда вращается в одну и ту же сторону при любом направлении ветра,

– генерация электроэнергии начинается при низкой скорость ветра, порядка 3,5 м/с,

– имеет высокое аэродинамическое качество лопастей,

– не нуждается в обслуживании генератора (нет щеток), нет редуктора(мультипликатора), не требуется обслуживание подшипников,

– съём мощности осуществляется не с оси, а с периферии ротора,

– модульный принцип построения. Наращивание мощности достигается путем установки дополнительных модулей, что позволяет строить крупные ветровые станции, мощностью до 1 МВт,

– не издает шума (бесшумна),

– не имеет электромагнитного излучения,

– не имеет ограничений при установке вблизи жилья, т.к. шумовая нагрузка находится в пределах 20 Дб, что позволяет устанавливать данные вертикально-осевые ветротурбины в пределах населённых пунктов, в том числе на крышах многоэтажных зданий без ущерба ландшафтным видам,

– ветротурбина устойчива к сильному ветру, способна выдержать даже ураганный ветер. Это достигается механизмом автоматического изменения углов атаки вертикальных лопастей турбины,

– ветротурбина не восприимчива к турбулентным потокам и не нуждается в выносе её на специальную мачту,

– имеет легкие и простые составные части, удобные при транспортировке и монтаже,

– защищена от воздействия молний,

– не требуют больших капитальных затрат, проще и дешевле в обслуживании, нежели горизонтально-осевые турбины,

– может работать на земле,

– мобильность. Легко собирается и разбирается, перевозится с одного места на другое,

– высокий коэффициент использования энергии ветра, составляющий 48-50%.

Как возможно научиться писать тексты и зарабатывать на этом удаленно? Например, можете пройти курс «Копирайтинг от А до Я», который подойдет даже начинающим авторам.

Другие записи:

карта сайта

расчет вертикальные ветротурбины astroneer с вертикальной осью вращения с вертикальным ротором росток своими руками нового поколения со стеной сзади для домакупить ветротурбину

Коэффициент востребованности
610

Генератор для ветровой турбины

Для функционирования ветряков необходимы обычные трехфазные генераторы. Конструкция таких устройств аналогична моделям, применяемым на автомобилях, но имеет большие параметры.

В приборах для ветряных турбин предусмотрена трехфазная обмотка статора (соединение по типу «звезда»), откуда выходят три провода, идущие на контроллер, где происходит трансформация переменного напряжения в постоянное.

Ротор генератора для ветротурбины изготовляется на неодимовых магнитах: в подобных конструкциях нецелесообразно использовать электровозбуждение, поскольку катушка потребляет много энергии

Для повышения оборотов нередко применяется мультипликатор. Такое приспособление позволяет увеличить мощность действующего генератора или использовать устройство меньшего размера, что снижает стоимость установки.

Мультипликаторы чаще применяются в вертикальных ветрогенераторах, у которых процесс вращения ветроколеса осуществляется медленнее. Для горизонтальных устройств с высокой скоростью вращения лопастей мультипликаторы не требуются, что упрощает и удешевляет конструкцию.

Специфика сборки и монтажа ветрогенератора из стиральной машинки и ветроустановки из автомобильного генератора подробно изложена в рекомендуемых нами статьях.

ФОТО: YouTube.comМастер-класс по изготовлению генератора энергии на неодимовых магнитах

Современное эффективное устройство для получения электрической энергии собирается на основе неодимовых магнитов. Когда сборка неодимовых магнитов с большой скоростью движется над сборкой катушек, в них возникает электрический ток.

Что нужно для работы

Для работы нужны:

• два стальных диска диаметром 170 мм с центральным отверстием для вала;
• шариковый подшипник, соответствующий диаметру вала;
• неодимовые магниты;
• крепёж;
• слесарный инструмент;
• сварочный аппарат.

Чертежи и схемы

Конструкция генератора изображена на рисунке:    1- корпус, 2 — крышка нижняя, 3 — крышка верхняя, 4 — ротор, 5 — неодимовые магниты, 6 — статор, 7 — обмотка, 8 — полумуфта, 9 — уплотнения, 10,11,12 — подшипники, 13 — клеммная коробка.

ФОТО: alter220.ruКонструкция неодимового генератора

Пошаговая инструкция

Инструкция относится к изготовлению деталей аксиального генератора. Технология типовая, её можно применять при создании любых конструкций.

Переделка автогенератора

Одна из самых сложных с инженерной точки зрения задач. Генератор возбуждается аккумулятором, для этого надо устанавливать блок управления. Схема имеет низкие эксплуатационные характеристики и не рекомендуется к использованию.

Намного лучше результаты после переделки ротора, на нем устанавливаются постоянные магниты. Работы технически сложные, надо не только прочно зафиксировать элементы, но и сделать их балансировку. В противном случае на больших оборотах появляются критические нагрузки, быстро выходят из строя подшипники, магниты могут выпадать из посадочных мест со всеми негативными последствиями.

Переделывать необходимо статор и ротор.

• Статор. Автомобильные генераторы рассчитаны на большие обороты, таких параметров сложно добиться в самодельных установках. Для их уменьшения надо заменить обмотку, увеличить количество витков каждой катушки в пять раз, а диаметр проволоки одновременно уменьшить.
• Ротор. Металлический надо выбрасывать и точить алюминиевый. Размеры должны учитывать последующую установку бандажа и электромагнитов. Замеры делайте максимально точными, чем ближе магниты к обмотке, тем выше КПД генератора. Неодимовые магниты приклеиваются суперклеем на симметричном расстоянии, полюсы чередуются. Свободное пространство между магнитами заливается эпоксидной смолой, поверхность обтачивается и шлифуется.

Устройство и принцип работы

Ветрогенератор – это самый простой способ получения альтернативной энергии для нужд дома. Это устройство призвано преобразовывать силу ветра в электрический ресурс. Дополнительных приспособлений для определения направления ветра не требуется. Описываемое устройство способно работать на низкой высоте, что позволяет его обслуживать без применения снаряжения для высотных работ.

Простота конструкции и минимальный набор подвижных деталей делают это устройство надежным и долговечным. Правильная форма лопастей и оригинальное строение ротора позволяют получить от генератора высокий уровень КПД, в независимости от направления ветра. Во время работы этого генератора полностью отсутствует любой шум, поэтому он не будет мешать пользователю и его соседям.

Принцип работы описываемого генератора заключается в магнитной левитации. Во время вращения ротора возникают импульсные и подъемные силы и сила трения, которая тормозит ротор. Внешний вид вращающейся части представляет собой цилиндр, закрепленный на раме. Правильная форма лопастей позволяет производить вращение всегда в одну сторону, независимо от направления ветра. Вне зависимости от модели и вида подобного генератора, он будет работать только в том случае, если давление ветряного потока на одну сторону будет больше, чем на другую.

Если соблюсти эти условия, то мы получим постоянное вращение ведущей оси генератора и выработку электроэнергии. Поскольку ветер имеет воздействие на обе стороны вращающегося механизма, это значит, что для старта вертикальной конструкции потребуется больше усилий, чем для горизонтальной. Однако если в конструкции применены качественные запчасти, то возможна самораскрутка.

Сенсация альтернативной энергетики

Одним из самых слабых мест у вертикальных ветрогенераторов является опорный подшипник. Масса всей конструкции давит на опору вызывая её усталостную деструкцию, а механическое трения снижает производительность. Чтобы обойти этот изъян, один китайско-немецкий консорциум предложил использовать магнитные подшипники с эффектом левитации.

Формы лопаток турбины могут быть различные, но центральный вал в этих моделях держится на магнитном подшипнике – левитирует. Проверка работоспособности конструкции вертикального ветрогенератора на магнитом подшипнике, продемонстрировала высокую эффективность в изменяющихся ветровых условиях по сравнению с аналогичной системой без такой опоры

Феномен маглева (магнитной левитации) основан на отталкивании одноименных полюсов постоянных магнитов. Использование пары постоянных неодимовых магнитов, с реальной поддержкой магнитной левитации, достаточно легко испытывается на практике. Два кольцевых магнита обращённых друг к другу одинаковыми полюсами демонстрирую достаточно сильное отталкивание, чтобы держать обе поверхности на расстоянии друг от друга. Сила, создаваемая в результате этого отталкивания, используется для подвески и является достаточно мощной, чтобы уравновесить вес объекта в зависимости от мощности магнитного поля.

В этом проекте удалось реализовать технологию достижения вертикальной ориентации с помощью роторов, а также генератора осевого потока. Однако есть нюансы, которые действительно отличают систему, работающую на постоянных магнитах, от электромагнитов.

В конструкции ветряка с осевым потоком, работоспособность основана на генераторах с постоянными магнитами. В них концепция магнитов и магнитных полей является доминирующим фактором в этой форме работы. Эти генераторы имеют воздушный зазор, перпендикулярный оси вращения. Одновременно, воздушный зазор создает магнитные потоки, параллельные оси.

Технология maglev, служит эффективной заменой шарикоподшипников, используемых в типовой ветротурбине, и обычно реализуется с постоянными магнитами.

Левитация используется между вращающимся валом турбины и основанием всей системы ветряка. При наличии соответствующих механизмов удаётся использовать очень слабые ветра для выработки электроэнергии. Правильно размещённые магниты формирует магнитное поле, а медные катушки будут способствовать захвату напряжения из-за изменения этого магнитного поля.

Такая система может работать при скорости ветра от 1 м/с, и поддерживает генерацию до шквальных порывов в 55 м/с. Согласно исследованию, генерирующая мощность ветровой турбины Маглева выше на 20% по сравнению с обычными ветряными турбинами, а эксплуатационные расходы на 50% ниже.

Ветрогенераторы МагЛев производятся и продаются в США с 2014 года.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Работа ротора Дарье, как и прочих роторов, не зависит от направления потока, следовательно турбина на его основе не требует устройства ориентации;
• Ротор Дарье характеризуется высоким коэффициентом быстроходности при малых скоростях потока, поскольку не требует ориентации на ветер;
• Высокий коэффициент использования энергии ветра. Роторы Дарье не уступают, и в отдельных случаях даже превосходят горизонтально-осевые конструкции ветрогенераторов ;
• Пониженный шум, создаваемый при работе, в отличие от горизонтально-осевых ветрогенераторов. Это связано с практически равномерным, в силу быстроходности ротора Дарье, обтеканием лопастей;
• Относительная простота изготовления (пропеллерный профиль по длине постоянно меняется) — для профилей крыльев с прямой кромкой;
• Ось вращения ветрогенератора совпадает с осью опорной мачты.

Недостатки

• Значительные нагрузки на мачту, связанные с эффектом Магнуса;
• Большая часть массы вращающегося механизма на периферии в отличие от горизонтально-осевых ветрогенераторов.
• Отсутствие адекватной математической модели, что затрудняет конструирование ротора Дарье;
• Большой срок окупаемости ветрогенераторов, что не позволяет производителям перейти на использование ротора Дарье с горизонтально-осевых ветрогенераторов.

Где применяются?

Ветрогенераторы используются в разных местах, обычно это отрытые территории, там потенциал ветра самый большой. Станции альтернативных источников энергии устанавливают в горах, на мелководье, островах и полях. Современные установки могут производить выработку электричества даже при небольшой силе ветра. Благодаря такой возможности ветрогенераторы используют для снабжения электрической энергией объектов разной мощности.

Стационарная ветряная станция может обеспечить электрической энергией частный дом или небольшой объект на производстве. Во время отсутствия ветра запас энергии будет аккумулироваться, а после использоваться из батареи.

Преимущества и принцип работы ветряков

Современный вертикальный генератор – один из вариантов альтернативной энергии для дома. Агрегат способен преобразовать порывы ветра в энергетический ресурс. Для корректной работы он не нуждается в дополнительных устройствах, определяющих направление ветра.

Ветряной генератор роторного типа очень легко изготовить своими руками. Конечно, полностью взять на себя обеспечение частного крупногабаритного коттеджа энергией он не сможет, но с освещением хозяйственных построек, садовых дорожек и придомовой территории справится на отлично

Прибор вертикального типа функционирует на низкой высоте. Для его обслуживания не нужны различные приспособления, обеспечивающие безопасное проведение высотных ремонтных и обслуживающих работ.

Минимум движущихся деталей делает ветряную установку более надежной и эксплуатационно устойчивой. Оптимальный профиль лопастей и оригинальной формы ротор обеспечивают агрегату высокий уровень КПД независимо от того, в каком направлении дует ветер в каждый отдельный момент.

Малые бытовые модели состоят из трех и более легких лопастей, моментально улавливают самый слабый порыв и начинают вращаться, как только сила ветра превышает 1,5 м/с. Благодаря этой способности их эффективность часто превышает КПД крупных установок, нуждающихся в более сильном ветре

Вертикальный генератор ветрового типа работает по принципу магнитной левитации. В процессе вращения турбин образуются импульсная и подъемная силы, а также сила фактического торможения. Первые две заставляют крутиться лопасти агрегата. Это действие активирует ротор и он создает магнитное поле, вырабатывающее электричество.

Ветряк, имеющий вертикальную ось вращения, по эффективности уступает своим горизонтальным аналогам. Зато не предъявляет претензий к территориальному расположению и полноценно работает практически в любом удобном для домовладельцев месте

Крылом по ветру

Не зря во время бури на корабле спускают паруса — использовать энергию ветра на благо возможно лишь до какого-то предела. Когда дует слишком сильно, приходится защищаться — начинают расти нагрузки на лопасти, на башню, на корпус гондолы. До эпохи мегаваттных ВЭУ проблема защиты ветряка от сильных порывов ветра решалась за счет более массивных башен и более прочных лопастей. Профиль крыльев конструировался таким образом, что при достижении определенной скорости потока воздуха от конца лопасти вниз шло нарастание срыва потока и возникала потеря подъемной силы. Так удавалось предохранить генератор от вращения на нерасчетных оборотах, что привело бы к его поломке. Однако поистине революционным решением, позволившим современным ветроустановкам достичь мегаваттных мощностей, стало введение в конструкцию ВЭУ системы управления углом атаки лопастей (pitch control). Эта интеллектуальная система отслеживает количество энергии, поступающей на ветроколесо, и поддерживает оптимальные обороты за счет поворота лопастей вокруг продольной оси и изменения подъемной силы. Изменение угла атаки выполняется с помощью специальных приводов в ступице, поворачивающих лопасти.

Внизу — схема ветроустановки с многоступенчатым мультипликатором (наиболее распространенная в наши дни). Вверху — схема, использующая одноступенчатую планетарную передачу и среднеоборотный генератор. Второй вариант имеет более простую и надежную конструкцию и предъявляет меньшие требования к технологиям производства.

Система pitch control позволяет не только поддерживать вращение ротора в заданном диапазоне скоростей, но и помогает решить проблему безопасности всей ВЭУ — остановить ветроколесо при буревом ветре и избежать резонансного раскачивания башни. Дело в том, что ветрогенератор может попасть в резонанс от некоторых нагрузок — как от пульсации самого воздуха, так и от толчков, которые возникают, когда лопасть проходит мимо башни. Если смотреть издали, этот эффект практически незаметен, но если встать близко к башне, он вполне ощутим. Теперь представим себе, что частота этих толчков попала в резонанс с собственной резонансной частотой колебания башни. Итог нетрудно предсказать — ВЭУ разрушится. Конечно, бороться с этим эффектом можно, повышая частоту колебаний башни, то есть утолщая и утяжеляя ее. Это скажется на стоимости монтажа и материалов. А можно оставить ее изящной, но с помощью системы управления углом атаки заставить ветроколесо быстро проходить опасный режим.

Принцип работы ветрогенератора

В основу функционирования ветрогенератора положена трансформация кинетической энергии ветра в механическую энергию ротора, которая затем преобразуется в электроэнергию.

Принцип работы достаточно прост: вращение лопастей, закрепленных на оси устройства, приводит к круговым движениям роторгенератора, благодаря чему вырабатывается электроэнергия.

Ветроэнергетика является одной из наиболее перспективных отраслей возобновляемой энергетики. Современные конструкции позволяют экономически эффективно применять силу воздушных потоков, используя ее для выработки электричества

Получаемый нестабильный переменный ток «стекает» в контроллер, где он преобразуется в постоянное напряжение, способное зарядить батареи. Оттуда питание поступает на инвертор, где оно трансформируется в переменное напряжение с показателем 220/380 В, которое и подается потребителям.

Мощность ветрогенератора напрямую зависит от мощности потока воздуха (N), рассчитывается согласно формуле N=pSV3/2, где V – скорость ветра, S – рабочая площадь, p – плотность воздуха.