Что такое ветрогенератор

Ветрогенератор Онипко своими руками

Создание ротора Онипко для своих нужд — достаточно сложная задача. Конструкторы в качестве генератора используют мотор-колесо, что имеется в наличии не у всех. Но основная проблема, встающая перед самодеятельным изготовителем — создание сложных криволинейных поверхностей, их точное соединение и качественная балансировка колеса.

Для создателя подобной конструкции наиболее правильным вариантом станет создание качественного шаблона и создание крыльчатки из стеклопластика. Эта методика позволит изготовить легкое и достаточно точно выполненное колесо. Сами разработчики первые рабочие модели создавали из пенопласта и стеклоткани, поэтому наиболее разумно будет последовать их примеру.

Представляется нерациональным создавать ротор малой площади. Учитывая угол наклона потока по отношению к точкам поверхности лопастей, следует создать достаточно большое колесо, способное развивать мощность, соответствующую потребностям генератора. Использование мотор-колеса, которое применили конструкторы, не обязательно, можно приспособить любой тихоходный образец, не создающий значительной нагрузки на валу ротора.

Срок окупаемости и расчет экономии

Для вашей индивидуальной ветровой установки этот срок – НИКОГДА.

Стоимость ветряка, мачты и доп.оборудования для 2-х киловаттных качественных моделей будет доходить в среднем до 200 тыс. рублей. Производительность таких установок – от 100 до 200квт в месяц, не более. И это при хороших погодных условиях.

Даже осадки снижают мощность ветряков. Дождь на 20%, снег – на 30%.

Вот и получается вся ваша экономия – это 500 рублей. За 12 месяцев непрерывной работы, набежит уже чуть больше – 6 тысяч.

Но если вспомнить начальные траты в 200тыс., то вернете вы их через тридцать два года!

При этом, 2-х киловаттный агрегат не будет закрывать на 100% ваши потребности. Максимум на треть! Если захотите целиком все подключить от него, то берите 10-ти киловаттную модель, не меньше. Срок окупаемости от этого не изменится.

Но тут уже будут совсем другие габариты и масса.

И закрепить его просто так на трубе через чердак своей крыши, точно не получится.

Однако некоторые все равно убеждены, что из-за бесконечного подорожания электроэнергии, ветрогенератор в один прекрасный момент, по любому станет выгоден.

Устройство ветряного генератора

Различные варианты ветрогенераторов значительно отличаются друг от друга.

На приведенной схеме представлено внутреннее устройство классического горизонтального ветряного генератора. Такие модели наиболее часто используются как в промышленности, так и в быту

Промышленные устройства представляют собой сложную многометровую конструкцию, для установки которой требуется фундамент, в то время как бытовая модель может состоять из минимума компонентов (электродвигателя постоянного тока 3-12В, электроконденсатора 1000 мкФ 6В, кремниевого выпрямительного диода).

Типовая установка включает в себя следующие составные части:

• генератор переменного тока (мощность зависит от скорости ветровых потоков);
• лопасти, которые передают вращение к валу генератора (часто они дополнительно оснащены редукторами, стабилизаторами скорости вращения ротора);
• мачта ветряка, к которой крепятся лопасти (чем выше находятся эти элементы, тем большее количество ветровой энергии они могут получить);
• аккумуляторы, накапливающие энергию, что позволяет использовать ее при небольшом ветровом потоке или его полном отсутствии. Батарея также выполняет функцию стабилизации электрической энергии, поступившей от генератора;
• контроллер – преобразователь переменного напряжения, полученного с генератора, в постоянное, которое применяется для заряда батареи. Управление контроллером осуществляется поворотом лопастей, что позволяет учитывать, куда движутся потоки воздуха;
• АВР – устройство автоматического переключения, связывающее ветрогенератор с другими источниками энергии (солнечными панелями, электросетью);
• датчик направления ветров – прибор, облегчающий лопастям поиск ветрового потока;
• инвертор для преобразования постоянного тока из аккумуляторов в переменное напряжение, которое применяется в электрокоммуникациях.

Для более полного удовлетворения пользовательских потребностей прибор может быть снабжен различными типами инверторов:

• приспособления с инвертормодифицированной синусоидой, выдающей квадратную синусоиду. Устройства этого типа подойдут для ТЭНов, ламп накаливания и иных приборов, нетребовательных к качеству сети;
• инверторы трехфазного напряжения, рассчитанные для трехфазных электросетей;
• установки с чистой синусоидой, которые производят энергию для более чувствительной техники;
• инверторы сетевые, способные функционировать без батарей. Подобные устройства предназначены для схем, предполагающих попадание электрической энергии непосредственно в общую сеть.

При выборе моделей следует обязательно обращать внимание на разновидность инвертора

Устройство

В основе тихоходной машины лежит низковольтовый мотор на константных магнитах. Они обладают низким порогом вращения, с которого начинается производство тока. Качественному устройству достаточно 300-500 оборотов в минуту. Поскольку конструкция тихоходна, необходим редуктор-мультипликатор. Требуемое соотношение — 1:12, но лучше 1:15. В таком случае 20 оборотов лопастей обернутся в 300, чего хватает для производства тока.

Моторы на константных магнитах

В некоторых устройствах мотор заменяют автогенератором, что увеличивает необходимую частоту вращения. Для этого устанавливается мультипликатор с большим соотношением. Его работа провоцирует постепенное ослабление работоспособности из-за износа.

Редукторы и мультипликаторы служат для понижения скорости вращения колеса ветрогенератора, и с помощью них можно менять положение плоскости вращения

Тихоходные ветряки используют в местах со слабым ветром(отмеченных на ветряной карте желто-зеленым), если потребность в токе не превышает 3 кВт в час.

Лопасти

Правильное устройство имеет переменный профиль, а размах его крыльев составляет не менее 2 метров. Производство трудоемко, требовательно к правильности расчетов и подвергается большому количеству испытаний перед использованием. Подобные лопасти способны развить необходимую скорость, добывая энергию.

По причине применения редукторов, мультипликаторов внешний вид и расположение лопастей может быть любым, поэтому инженеры пытаются подобрать оптимальные конструкции с максимальным КПД

Самостоятельным производством лопастей заниматься не следует. При желании опробовать, используйте толстостенную трубу из пластика. Диаметр должен быть достаточным для изготовления полноценной лопасти. Перед началом работ проведите расчеты, основываясь на желаемой мощности ветрогенератора. Хорошо выполненное устройство способно развить до 300-400 Ватт в час, чего будет достаточно для освещения нескольких комнат в частном доме.

Генератор

Выбор генератора зависит от возможной скорости вращения. Для тихоходных установок достаточно мотора на постоянных магнитах. В зависимости от скорости, используется мультипликатор. Он позволяет умножить каждый оборот на коэффициент, что сокращает время, затрачиваемое на начало производства.

Генератор для тихоходного ветрогенератора выбирается исходя из требуемого потребления объекта с учетом КПД и запаса мощности

Для долговечности ротора используют специальный промежуточный вал. В него встроен подшипник, стабилизирующий опору. Передача энергии от лопастей к ротору передается механическим путем. Качественная деталь позволяет валу незначительно изменять свое положение, что уменьшает износ. Хороший подшипник — двухрядный, желательно самоустанавливающийся. Трёхрядный лучше, но дороже.

Аварийный флюгер

Устройство позволяет спасти ветрогенератор в ураганную погоду. Сильный ветер растягивает пружину, заставляя ротор изменить положение. Постепенно он ложится вдоль потока воздуха, потеряв обороты. Подобное невозможно при ветре, направленном строго параллельно земле, что встречается довольно редко.

Аварийный флюгер необходим ветрогенераторам для предотвращения разрушения в случаях ураганного ветра

Поэтому для защиты устройства используют аварийный флюгер. С его помощью определяется необходимость отключения ротора от системы. Ураган способен полностью разрушить ветрогенератор. Поэтому и применяют флюгеры — с их помощью есть возможность сохранить основу, в худшем случае потеряв лопасти.

Тихоходные модели ветрогенераторов выдерживают большие порывы ветра, однако, у них есть пределы, и поэтому необходимо предусмотреть защиту лопастей

В промышленных ветрогенераторах используется электронная система контроля за погодными условиями. Шаг лопастей контролируется автоматически — это позволяет защитить устройство. К тому же, в подобных системах крылья сделаны из прочных композитных материалов.

Токосъемник

Устройство находится на вершине мачты и требует регулярной чистки. Для этого придется обзавестись длинной стремянкой.

Также существует вариант укладывать ветряк на землю, производить работы по очищению, а затем вновь поднимать. Это кропотливо и трудоемко, но необходимо.

Токосъемники для ветрогенератора

Промышленные устройства имеют большие габариты, поэтому лестница наверх располагается внутри мачты.

Где купить

В случае появления потребности приобрести контроллер для ветрогенератора, можно пойти несколькими путями, это:

• В регионе проживания, найти дилера компании, выпускающей подобные изделия.
• Обратиться в торговую организацию, специализирующуюся на продажах технических устройств, связанных с альтернативными источниками энергии.
• Воспользоваться интернетом и найти поставщика модели контроллера, которая интересует пользователя.

У каждого варианта есть свои достоинства и недостатки. Так в случае приобретения через интернет, контроллер будет стоит дешевле, но о помощи специалистов с его выбором, рассчитывать не приходится. К тому же, в этом случае, вряд ли удастся воспользоваться гарантией, даваемой производителем, в случае необходимости выполнения гарантийного ремонта.

При покупке у дилера или в специализированной компании, специалисты помогут выбрать требующуюся в конкретном случае модель контроллера, но такая покупка обойдется значительно дороже.

Виды

В настоящее время отечественные и зарубежные компании, специализирующиеся на производстве альтернативных источников энергии, а также их комплектующих, выпускают несколько видов контроллеров, успешно работающих в ветровых установках.

PWM (ШИМ) контроллеры – устройства с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В аппаратах данного вида осуществляется процесс управления мощностью, путём изменения импульсов, при постоянной частоте.

Достоинствами данного вида являются:

• Относительно не большие габаритные размеры, в сравнении с аналогами;
• Способность к быстродействию в процессе работы;
• Надежность конструкции.

МРРТ контроллеры – как правило используются в солнечных установках, но могут применяться и в комплекте с ветровыми генераторами. Основой работы устройств данного вида является способность определять точку максимальной мощности, которая характеризуется напряжением и силой тока в конкретный момент времени.

Достоинствами данного вида — являются наиболее эффективными устройствами, в сравнении с аналогами.

Основной недостаток – более высокая стоимость.

Что такое ветрогенератор и его составляющие?

Принцип работы ветрогенератора для частного дома несложный. Ветер поворачивает лопасти ротора, который закреплён на валу генератора. В обмотке последнего генерируется электрический ток. Электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а от них уже питаются бытовые приборы. Так выглядит схема использования энергии ветра в самом простом варианте. В составе реальных ветряных установок есть ещё ряд компонентов, о которых будет сказано ниже.

Устройство ветрогенератора

Часто бывают ситуации, когда ветрогенератор функционирует в связке с солнечной батареей или генератором на дизеле или бензине. В этих случаях схема имеет автоматический выключатель АВР. Когда основной источника ток отключается, тогда включается дополнительный. Для того, чтобы ветряной генератор работал максимально эффективно, он должен быть расположен вдоль направления ветра. Поэтому он делается по типу флюгера. На оси генератора крепится вертикальная лопасть, которая поворачивает лопасть к ветру. Если установка мощная, то дополнительно устанавливается электрический привод, который управляется в зависимости от показаний датчика направления ветра.

Итак, что же входит в состав ветряной установки для дома?

• Ротор с различным числом лопастей. Их может быть два (двухлопастные), три (трёхлопастные), больше трёх (многолопастные);
• Редуктор. Предназначен для регулировки скорости вращения ротора и вала генератора;
• Защитный кожух. Цель – защита деталей установки от воздействия окружающей среды;
• «Хвост». Эта деталь требуется для поворота ветрогенератора по ветру;
• Аккумулятор. Накопление энергии. Накапливает энергию в ветреную погоду и расходует, когда «вертушка» простаивает;
• Инвертор. Преобразует постоянный ток в переменный. Требуется для питания бытовой техники.

Следует также упомянуть основные виды ветрогенераторов.

• По направлению вращения ротора с лопастями. Бывают горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные обеспечивают большую выработку электроэнергии, но вертикальные менее восприимчивы к условиям окружающей среды;
• Материал. Бывают жёсткие и парусные лопасти. Парусные имеют меньшую прочность, но стоят дешевле;
• По числу лопастей. Как уже говорилось, есть двух, трёх, многолопастные ветрогенераторы;
• Управление. Изменяемый и фиксированный шагом лопастей. Рекомендуется фиксированный, поскольку с изменяемым шагом могут возникнуть сложности при эксплуатации.

[su_youtube url=»https://www.youtube.com/embed/uiiFRZ6Udqs»]

Как устроены безлопастные ветряки?

Конструкция, которую вынесли на суд общественности инженеры Vortex, по их заверениям, имеет большую эффективность, экономичность, экологическую чистоту. Внешне устройство выглядит необычно и несколько футуристически — ветряк представляет собой вытянутый конус, установленный на вершину.

Определить на вид предназначение такого сооружения невозможно, если заранее не иметь о нем никакого представления. При работе никакого вращения нет, устройство лишь слегка раскачивается под действием ветра. Компания планирует начинать массовое производство с небольших моделей, имеющих вес 10 кг, высоту 3 м и развивающих мощность 100 Вт. Параллельно разработана более солидная установка на 4 кВт, имеющая 13 м высоты и вес 100 кг.

В ближайшее время предстоит тестовый запуск станции из 100 столбов, которые будут обеспечивать электроэнергией 300 частных домов в Шотландии. В планах компании проект создания мегаваттной установки, способной обеспечивать энергией серьезные количества потребителей в масштабе больших городов, крупных промышленных предприятий. Проект получил широкую поддержку экологических организаций и общественных движений.

Чертежи ротора

Изобретатель не предоставляет подробные чертежи своих разработок, но в качестве модели для построения лопастей использован принцип математической спирали:

Именно по этой кривой строится каждая из трех лопасть крыльчатки, в сумме образуя сплошную поверхность, близкую по очертаниям при взгляде сбоку к форме конуса. Спираль строится на основе золотого сечения, три лопасти образуют угол между осями в 120°. Конструкторы считают возможным использование множества вариантов изготовления лопастей, главным условием считая использование архимедова винта в качестве основы.

Такое обилие возможностей увеличивает шансы самодеятельных изготовителей ветряков, нуждающихся в создании устройства для своих нужд.

Схемы работы ветрогенераторов

Вариантов работы ветрогенератора может быть несколько:

1. Автономная работа ветрогенератора.

Автономная работа ветрогенератора

1. Такая совместная работа считается очень надежным и эффективным способом автономного электроснабжения. При отсутствии ветра, работают солнечные батареи. Ночью, когда не работают солнечные батареи, аккумулятор заряжается от ветровой установки.

Параллельная работа ветрогенератора с солнечными панелями

1. Ветрогенератор также может работать параллельно с электросетью. При избытке электроэнергии, она поступает в общую сеть, а при недостатке ее потребители электроэнергии работают от общей электросети.

Параллельная работа ветрогенератора с электросетью

Ветряные генераторы могут прекрасно работать с любыми видом автономного электроснабжения и общей электросетью. Создавая при этом единую систему энергоснабжения.

Технические характеристики

При покупке контроллера заряда для ветрогенератора необходимо внимательно изучить его техпаспорт. При выборе важны характеристики:

• мощность — должна соответствовать мощности ветровой установки;
• напряжение — должно соответствовать напряжению АКБ, установленных на ветряк;
• макс. мощность — обозначает максимально допустимую мощность для модели контроллера;
• макс. ток — обозначает, с какими максимальными мощностями ветрогенератора может работать контроллер;
• диапазон напряжения — показатели макс. и мин. напряжения АКБ для адекватной работы устройства;
• возможности дисплея — какие данные об устройстве и его работе выводятся на дисплей у той или иной модели;
• условия эксплуатации — при каких температурах, уровне влажности может работать выбранное устройство.

Если вы не можете подобрать устройство контроля заряда самостоятельно, свяжитесь с консультантом и покажите ему технический паспорт своего ветряка. Прибор выбирается в соответствии с возможностями ветровой установки. Неправильные условия эксплуатации и отклонения от диапазона напряжения пагубно скажутся на работе всей ветровой системы.

Выбор места для ветрогенератора

Правильный выбор места для установки ветрогенератора – очень важный и ответственный этап. Лучше всего разместить прибор на открытой максимально высокой точке и тщательно проследить, чтобы он не оказался ниже уровня прилегающих жилых и хозяйственных построек. Иначе здания станут препятствием для потока воздуха и КПД агрегата существенно снизится.

Если участок выходит к реке или озеру, ветряк размещают на берегу, где ветры дуют особенно часто. Прекрасно подходят для расположения генератора возвышенности, имеющиеся на территории, или большие пустые пространства, на которых нет искусственных или естественных преград для воздухопотока.

Когда жилая недвижимость (дом, коттедж, квартира и пр.) находится в черте города или располагается за городом, но в местах плотной застройки, ветряной энергетический комплекс ставят на кровле. Для размещения генератора на крыше многоквартирного дома берут письменное согласие соседей и получают официальное разрешение из соответствующих инстанций.

Устанавливая вертикальный генератор на крыше многоквартирного дома, следует помнить, что агрегат работает довольно шумно и может причинить неудобства как хозяевам, так и остальным проживающим. Поэтому размещать прибор нужно ближе к центру кровли, чтобы владельцы квартир на верхних этажах не страдали от громкого гула, издаваемого ветряком в процессе работы

В частном доме, имеющем большой приусадебный участок, выбрать подходящее место гораздо проще. Главное, учесть, чтобы конструкция находилась на расстоянии 15-25 метров от жилых помещений. Тогда звуковые эффекты от вращающихся лопастей никого не побеспокоят.

Принципиальное отличие

Ветровая турбина представляет собой цилиндрический контур. Внутри контура располагаются вращающие лопасти. Состоит конструкция из:

• турбины;
• внешнего или внутреннего обтекателя;
• обтекателя узла генератора турбины;
• гондолы;
• генератора;
• инвертора;
• аккумулирующего модуля;
• блока управления;
• динамического узла крепления.

Ветряки данного типа характеризуются отсутствием незащищенных лопастей вращения, а также системы, предназначенной для их регулирования и ориентирования на направление ветра. Это повышает надежность, безопасность конструкции. Цилиндрическая форма обтекателя самостоятельно разворачивается, улавливая ветер, а обтекатель, работающий как сопло, повышает мощность установки.

Ветрогенератор с турбиной противоположного вращения

В зависимости от требуемой мощности и назначения, конструкция может иметь множество модификаций. Например, при изготовлении турбины могут использоваться различные материалы. Варьироваться могут геометрические размеры, способ размещения (на опору, ферму и пр.). Возможно дополнительное оснащение модулями солнечных батарей.

Прототип ветрогенератора турбинного типа для бизнеса

Ветротурбинные агрегаты выпускают бытового и промышленного назначения.

Виды ветрогенераторов

Используются два основных вида ветряков, имеющих принципиальные различия:

• горизонтальные
• вертикальные

В обоих случаях речь идет об оси вращения ротора. Конструкция различных моделей горизонтальных устройств мало отличается друг от друга, представляя собой подобие бытового вентилятора или пропеллера. Вертикальные устройства обладают намного большим разнообразием типов конструкции, внешне значительно отличаясь друг от друга. Рассмотрим их подробнее:

Горизонтальные ветряки

Горизонтальные конструкции имеют большую эффективность, так как поток ветра они воспринимают только рабочей стороной лопастей. Наибольшее распространение получили трехлопастные крыльчатки, но для небольших конструкций число лопастей может быть увеличено.

Именно горизонтальные конструкции используются для изготовления больших промышленных образцов, имеющих огромный размах лопастей (больше 100 м), которые в объединенном виде образуют довольно производительные электростанции. Государства западной Европы, такие как Дания, Германия, скандинавские страны активно используют ветряки для обеспечения населения энергией.

Устройства имеют один недостаток — они нуждаются в наведении на ветер. Для небольших ветрогенераторов проблема решается установкой хвоста наподобие самолетного, который автоматически располагает конструкцию по ветру. Большие модели имеют специальное устройство наведения, контролирующее положение крыльчатки относительно потока.

Вертикальные конструкции

Ветрогенераторы вертикального типа имеют меньшую эффективность, вследствие чего используются для обеспечения энергией лишь отдельных потребителей — частный дом, коттедж, группу приборов и т.д. Для самостоятельного изготовления такие устройства подходят больше всего, так как обладают широким выбором вариантов конструкции, не нуждаются в подъеме на очень высокую мачту (хотя это им и не противопоказано).

Вертикальные роторы могут быть собраны из любых подручных материалов, в качестве образца можно использовать любой тип из множества известных:

• роторы Савониуса или Дарье
• более современный ротор Третьякова
• ортогональные конструкции
• геликоидные устройства и т.д.

Описывать все типы подробно незачем, так как их количество постоянно увеличивается. Практически все новые разработки базируются на вертикальной оси вращения и предназначены для использования в частных домах или усадьбах. Большинство разработок предлагает собственный вариант решения основной проблемы вертикальных устройств — низкого КПД. Некоторые варианты имеют довольно высокие показатели, но обладают сложным устройством корпуса (например, конструкция Третьякова).

Обслуживание вертикального прибора

Чтобы ветряной вертикальный генератор работал качественно, четко и максимально эффективно, все движущиеся части конструкции обязательно смазывают. Такую процедуру проводят не реже 2 раз за весь календарный год.

Параллельно во время обслуживания подкручивают разболтавшиеся в результате эксплуатации гайки, укрепляют электрические соединения, проверяют механические узлы на наличие коррозийных проявлений, подтягивают ослабшие растяжечные тросы и внимательно осматривают лопасти на предмет разрыва или повреждения.

Зимой за вертикальными установками нужен особый уход. В период морозов лопасти покрываются коркой льда и ее необходимо своевременно очищать, чтобы скорость крутящего момента сохранялась на должном уровне

Покраску деталей производят по мере надобности и 1 раз в год совершают полное обследование всей конструкции на предмет выявления неисправностей. Такой уход обеспечивает корректную работу ветряной установки и продлевает ее эксплуатационный период.

Проблематика использования ветряков

При всей привлекательности ветродвигателей как бесплатного источника энергии, их эксплуатация сопрягается с целым рядом неэкономических проблем. Прежде всего это непостоянство. Очевидно, что пользователь никак не может влиять на силу ветра и ему остается лишь надеяться на изменение погодных условий. Именно по этой причине на крупных ветровых станциях подключают аварийное энергоснабжение – как раз на случай длительного отсутствия ветровых потоков достаточной силы.

Этим же аспектом обусловлено и внедрение в комплекс генераторов вспомогательной аппаратуры. Наличие батареи аккумулятора, инвертора и резервного генератора обязательно для того, чтобы мощность стабилизировалась и напряжение выравнивалось, так как ветер может вовсе отсутствовать, а может выдавать разную скорость движения.

И здесь уже возникает экономический аспект, поскольку широко укомплектованные ветровые генераторы в любом случае требуют расходов на техническое содержание. Тем не менее по мере оптимизации энергетического оборудования и эта проблема постепенно утрачивает главенствующее значение, оставляя возможности для развития отрасли.