Вертикальные ветрогенераторы с ротором Дарье

Бытовые хитрости: вертикальный ветрогенератор своими руками

По сравнению с модными фотоэлементными источниками электроэнергии, ветрогенераторы могут показаться морально устаревшими. На самом деле это далеко не так. По мере подорожания традиционных энергоресурсов, разрабатываются новые, более совершенные и производительные модели с увеличенными коэффициентами полезного действия.

В продаже стоимость фирменного ветряка бытового класса начинается от 2000 у.е., но их технические характеристики устраивают далеко не всех. Многие владельцы удаленных домовладений и дачных участков предпочитают собрать вертикальный ветрогенератор своими руками.

Главные плюсы стандартных решений

В информационном поле имеется большое количество рекомендаций по разработке моделей разной мощности, с учетом предполагаемых затрат, окупаемости и планируемой нагрузки.

Фирменная ветросиловая установка среднего мощностного ценового ассортимента при номинальной скорости ветра 5-6 м/сек, вырабатывает за год до 250 киловатт бесплатной энергии.

Если создать вертикальный ветрогенератор самостоятельно, в том числе из подручных материалов, средств потребуется в несколько раз меньше, что положительно скажется на окупаемости проекта в целом.

С другой стороны, желание реализовать масштабный проект строительства мощного ветрогенератора для обогрева дома и работы энергоемкой бытовой техники, потребует значительных затрат. Давайте разбираться.

Проблемы создания мощных ветросиловых установок

Станция мощностью всего 2 кВт представляет собой установленную в массивный бетонный фундамент прочную ветростойкую конструкцию высотой от 8 метров с 3-х метровым металлическим ротором. Кроме основных затрат, для установки такого сооружения потребуются расходы на аренду строительной и подъемно-крановой техники.

Попытки собрать более мощный вертикальный ветрогенератор своими руками без должного опыта и основательной материальной базы чаще всего оборачиваются дополнительными затратами на доводку конструкции до рабочего состояния. Для бытового пользования, хотя бы на начальном этапе целесообразно сосредоточить усилия на создании ветрогенератора мощностью до 500 ватт.

Свойства бюджетных моделей

Для самодельной ветровой электростанции рекомендуется взять за основу конструкцию с горизонтальной осью вращения и лопастной крыльчаткой. Такие схемы выгодно отличаются небольшой материалоемкостью и высоким КПД. Наиболее доступные по стоимости и простые по конструкции высокооборотные двух- и трехлопастные ветроколеса.

Конструктивные особенности высокооборотных систем

Аэродинамические свойства высокооборотных роторов во многом зависят от конфигурации лопаток. На КПД отражаются внешне незаметные погрешности, поэтому без отсутствия должных навыков лучше отдать предпочтение тихоходному варианту рабочего колеса.

• Чем меньше лопастей, тем больше проблем с балансировкой ротора. Оптимальный по сложности и трудоемкости вариант ветрового колеса диаметром от 2-х метров должен иметь не менее 5-6 лопастей.
• Высокооборотные конструкции характеризуются повышенной шумностью, которая усиливается с увеличением диаметра и скорости оборотов. Такая особенность мощного быстроходного ветросилового агрегата исключает его установку в местности с плотной застройкой или на крыше городской многоэтажки.

На заметку: двукратное увеличение количества лопастей при скорости ветра 8 м/сек. поможет повысить мощность генератора до 450-500 ватт, но такая доработка неизбежно потребует установки дорогостоящего редуктора.

Генератор веломоторного типа

Сэкономить средства на отказе от редуктора можно заменой высокооборотного генератора типа Г-221 более низкооборотным веломотором.

Наличие в конструкции веломотора постоянных магнитов решает проблемы подачи тока в обмотку возбуждения.

В качестве генератора для бытового ветросилового агрегата с максимальным режимом 220-230 об/мин. достаточно задействовать фирменный веломотор мощностью 250 ватт. КПД такого устройства составляет немногим более 80%-ти процентов.

Конструкционные свойства мачты

Исходный материал — стальная труба диаметром от 100 мм. Высота мачты с прочным бетонным основанием, установленной на открытой местности, может варьироваться в диапазоне от 6 до 10 метров.

• Если на площадке имеются строения, деревья или другие ветрозащитные объекты, необходимо увеличить высоту мачты с превышением крыльчатки над наземными препятствиями не менее чем на полтора-два метра.
• Для растяжек рекомендован монтажный трос с коррозиестойким покрытием и сечением не менее 6 мм.

Как защитить ветряк от ураганного ветра?

На практике с наилучшей стороны зарекомендовало себя простое по конструкции и эффективное в работе устройство, известное под названием боковой лопаты.

• При скорости набегающего потока до 8 м/сек. ротор устанавливается по его оси посредством оперения.
• При усилении ветра давление потока преодолевает жесткость пружины и ветрогенератор складывается, что приводит к изменению угла подачи воздуха на лопасти и снижению уровня воспринимаемых нагрузок.

Рекомендации по изготовлению лопастей

Для самостоятельного изготовления лопастей рабочего колеса больше подходит более стойкая к нагрузкам на растяжение древесина. В бюджетном и менее затратном по времени варианте, в качестве исходного сырья можно использовать ПВХ-трубы диаметром 160 мм.

В лучшем решении — это трубопроводные элементы для напорных водопроводных и канализационных систем марки SDR PN 6,3 с толщиной стенок не менее 4-х мм. Пластиковые лопасти менее сложные в изготовлении, в меньшей степени подвержены температурным и влажностным факторам.

Вырезанные по шаблону заготовки следует тщательно отшлифовать и закруглить острые края.

Обустройство штатного оборудования

Для крепления лопастей необходимо использовать головку. Стандартная конструкция представляет собой стальной диск толщиной 6-8 мм, к которому по количеству лопастей с равными интервалами привариваются металлические кронштейны толщиной 10-12 мм и длиной 300 мм с отверстиями для установки резьбового крепежа.

Головка крепится к корпусу генератора болтами с контрагайками. Для рамы конструкции потребуется сталь толщиной 6-8 мм, или достаточно широкий отрезок швеллера.

Токоприемник и подвижное соединение

Конструкция тандема подвижный контакт-токоприемник стандартная. В самом простом варианте — это диэлектрическая втулка, контактная группа и подпружиненные графитные щетки от автомобильного стартера. Для предохранения от атмосферных осадков узел оборудуется защитным кожухом.

Для разворота ротора по направлению воздушного потока монтируется подвижное соединение рамы ветрогенератора по отношению к мачте. Специалисты рекомендуют использовать преимущества максимально стойких к осевым нагрузкам роликовых подшипников с посадочным диаметром не менее 60 мм.

Аккумуляторно – конверторное оборудование

Стандартное напряжение веломоторного генератора составляет 25-26 вольт, поэтому для хранения выработанной электроэнергии можно использовать два последовательно соединенных 12-ти вольтовых аккумулятора суммарной емкостью от 100 а/ч.

Для преобразования постоянного тока в переменный 220 вольт в схему вводится инвертор напряжения мощностью от 600 ватт.

Даже если вам легко удастся создать вертикальный ветрогенератор своими руками, помните, что безотказная работа такого устройства гарантируется при условии своевременного и квалифицированного обслуживания.

Вертикальные ветрогенераторы с ротором Дарье

Ветрогенераторы на базе горизонтально-осевых турбин — не единственное возможное решение для качественного преобразования энергии ветра в электричество. Есть и другие конструкции, иногда показывающие большую эффективность чем осевые турбины. Пример такой альтернативной конструкции — ветрогенератор с вертикальным ротором Дарье.

Это необычное решение было предложено еще в 1931 году французским авиаконструктором Жоржем Дарье, который поставил перед собой задачу создать такой ветрогенератор, который бы работал при любом направлении ветра, при том не требуя строгой ориентации.

Ротор генератора вместе с узкими лопастями было предложено расположить вертикально, чтобы как при слабом, так и при сильном ветре — значительная часть воздушного потока не встречала существенного аэродинамического сопротивления, а непосредственно давила бы на рабочие поверхности лопастей, приводя к их вращению.

С этой точки зрения даже ротор Савониуса, предложенный в 1922 году финским инженером Сигурдом Савониусом, уступает, так как имеет ограничение эффективности при большой скорости ветра. Ротор Дарье, в свою очередь, лишен этих недостатков, хотя и не имеет столь детального математического описания своей работы как его предшественник.

Примечательно, что ротор Дарье в лучшем его исполнении имеет три аэродинамических крыла, которые закреплены на радиально расположенных горизонтальных балках на некотором расстоянии от центральной оси ротора.

По этой причине характер обтекания крыльев ротора Дарье воздухом сложен, но быстроходность генератора полностью нивелирует этот кажущийся недостаток. Тогда как, например, горизонтально-осевые турбины, да и тот же ротор Савониуса, теряют эффективность при сильном ветре, ротор Дарье в аналогичных условиях вращается примерно в 3,5 раза быстрее и не вызывает проблем балансировки.

Вертикально расположенный вращающийся вал практически не влияет отрицательно на работу ветрогенератора с ротором Дарье, а наоборот способствует эффективности, поскольку является довольно тонким. В таких условиях производимый устройством шум гораздо ниже чем у горизонтально-осевых ветрогенераторов, больше напоминающих большие вентиляторы с пропеллерами.

Здесь же поток воздуха обтекает лопасти и весь генератор в любом направлении равномерно, что, кстати, и обеспечивает колоссальную быстроходность столь уникального ротора. При этом ветрогенераторы с ротором Дарье просты в изготовлении, здесь даже нет необходимости в пропеллерном профиле.

Однако, справедливости ради стоит отметить и некоторые недостатки таких конструкций. Из-за эффекта Магнуса мачта генератора с ротором Дарье испытывает значительные нагрузки, поэтому конструирование необходимо проводить очень точно, а адекватной математической модели по сей день не существует. Да и окупаемость любых ветрогенераторов по времени продолжительна. По этой причине производители горизонтально-осевых ветрогенераторов не спешат отбрасывать работающую годами технологию.

Вертикальный ветрогенератор: принцип работы

Ветрогенератор — это механическое устройство, предназначенное для выработки (генерирования) электрического тока. Поток ветра вращает рабочее колесо, взаимодействуя с его лопастями. Вращение передается на генератор, который начинает вырабатывать электрический ток. Такова схема действия ветрогенератора. На практике все намного сложнее, так как возникает масса трудностей технического и эксплуатационного характера, но в целом возможности этих устройств сильно недооценены.

Россия считается энергоизбыточной страной, имеющей большое количество мощных электростанций, но, тем не менее, имеются районы, где сетевого электричества нет до сих пор. Использование энергии ветра для выработки энергии для подобных районов является хорошей альтернативой, позволяющей решить вопрос если не полностью, то в достаточной степени.

Количество полученной энергии прямо пропорционально мощности генератора и скорости вращения ветряка, что позволяет в теории использовать несколько устройств для получения необходимого количества электроэнергии. Практика пока недостаточно иллюстрирует ситуацию, так как на сегодня для сбора статистических данных не имеется достаточного количества генераторов. Поэтому приходится пока довольствоваться расчетными данными, которые в большинстве случаев подтверждаются на практике.

Существуют две основные разновидности ветрогенераторов:

. Они считаются наиболее эффективными, имеют больший КПД и дают неплохие результаты при пользовании . Эти устройства менее эффективны, но обладают рядом специфических качеств, делающих их не менее востребованными среди подобных агрегатов

Виды ветрогенераторов с вертикальной осью вращения

Вертикальный ветрогенератор — это устройство, ось вращения которого расположена перпендикулярно направлению потока ветра и ориентирована в вертикальном направлении. Продольные оси лопастей параллельны оси вращения.

Если горизонтальные генераторы по внешнему виду напоминают пропеллер, то вертикальные ближе к барабану центробежного вентилятора, установленному вертикально и оборудованному малым числом лопаток (обычно их 2 штуки, но бывают и другие варианты). Такое расположение позволяет лопастям одинаково реагировать на потоки ветра с любой стороны без необходимости ориентирования оси вращения на встречном направлении к движению воздуха.

Существуют различные виды вертикальных ветрогенераторов. Разница между ними заключается лишь в типе вращающейся части — ротора, поскольку конструкция неподвижного статора принципиальных изменений не имеет. Известны такие виды, как:

• ортогональный ротор. Его лопасти расположены по касательной к окружности вращения и имеют сечение как у крыла самолета. Способен начинать вращаться даже при относительно слабом ветре, увеличивая скорость за счет разрежения воздуха над поверхностью лопастей и уплотнения под ней (возникновения подъемной силы). Не имеет высокой парусности лопастей, что позволяет стабилизировать скорость вращения и исключить резкие изменения динамики, способные вывести из строя подшипники . Представляет собой две изогнутые в виде половинок трубы лопасти. При большой площади уравновешивания сил, воздействующих на лопасти, не происходит, так как поток, действующий на внутреннюю часть лопасти, отражается от ее изгиба и частично попадает в изгиб второй лопасти, усиливая ее вращение. Обратная сторона разбивает поток на равные части, одна из которых обтекает изгиб и попадает на рабочую часть, увеличивая вращающий момент, а другая уходит в сторону. Эффективность такого ротора невелика, всего 15%, но по сочетанию характеристик он вполне достоин внимания
• ротор Дарье. Это один из вариантов ортогональной конструкции. Имеет вантовый вид лопастей, концы которых присоединены к валу вращения, а центральные части, плавно изгибаясь, отходят от вала таким образом, что при взгляде со стороны лопасти образуют своими очертаниями овал или круг. Ротор имеет малую мощность, высокий уровень шума и вибраций, что делает его требовательным к постоянному наблюдению и обслуживанию.
• геликоидный ротор. Конструкция имеет лопасти сложной формы, закрученной вокруг вертикальной оси. Это позволяет стабилизировать скорость вращения и устранить шум, создаваемый лопастями при вращении. Равномерность работы делает конструкцию более удобной, обеспечивающей ровный результат при разных режимах вращения. Для самостоятельного изготовления этот вариант конструкции наиболее сложен, но, в целом, доступен.
• многолопастной ротор. Имеет несколько лопастей, что позволяет получить ровное и мощное вращение ротора при относительно слабом ветровом давлении. Обычно используется несколько узких полос на некотором расстоянии от вала вращения, передающих поток с возрастанием скорости и плотности на второй ряд лопастей, расположенный внутри первого. Также существуют варианты с двумя уровнями (пара лопаток, а под ней — другая с разворотом на 90°. Все варианты конструкции имеют неплохие эксплуатационные характеристики, что позволяет считать такую конструкцию одной из наиболее перспективных.

Существуют конструкции, которые предусматривают защиту от уравновешивающего давления потока на обратную сторону крыла. Делается щит по форме части окружности, закрывающий от ветра участок с обратной стороной лопастей таким образом, что ветер воздействует только на рабочую сторону. Для наведения ротора на ветер, т.е. поворота системы при изменении направления потока, делается устройство типа флюгера, поворачивающее защиту в нужную сторону по ветру.

Эффективность всех этих видов примерно одинакова. Принципиальной разницы в характеристиках также не имеется, основные различия лежат в области уменьшения шума, снижения нагрузок на вал, выравнивания режимов вращения.

Преимущества и недостатки ветрогенераторов с вертикальной осью

Вертикальный ветрогенератор — конструкция, удачная для создания своими руками. При всем разнообразии вариантов исполнения, на многие из них до сих пор нет математической модели вращения, что не позволяет создать корректную методику расчета. При этом, такая ситуация способствует активному развитию моделирования всех разновидностей ветрогенераторов и отработке их технических параметров.

Основными преимуществами ветрогенераторов с вертикальной осью принято считать:

• простота конструкции, возможность изготовления практически любого типа своими руками
• стабильность, устойчивость режимов работы, вызванная способностью одинаково реагировать на потоки ветра любого направления
• отсутствует нужда в механизме наведения оси вращения на поток, без чего не могут функционировать генераторы с горизонтальным вращением
• для того, чтобы изготовить вертикальный ветрогенератор своими руками, требуются относительно малые затраты денег, времени и труда. Основная статья расходов — непосредственно генератор, а вращающиеся части могут быть изготовлены буквально из подручных средств

Недостатками вертикального ветрогенератора считаются:

• эффективность работы ниже, чем у горизонтальных конструкций
• при работе устройства издают шум, который сложно устранить, так как он происходит из-за контакта потока воздуха и материала лопасти
• высокий уровень вибраций и резких изменений режимов вращения создают сильную нагрузку на подшипники, способствуя быстрому выходу подвижных деталей и узлов из строя
• для создания вертикального генератора требуется большее количество материалов, чем для горизонтальных образцов

Место установки ветрогенератора

Для монтажа ветрогенератора потребуется открытая площадка, не имеющая вблизи препятствий, способных закрыть устройство от ветровых потоков. Высота подъема мачты над уровнем грунта может быть относительно мала, около 3 метров. Примечательно, что с точки зрения эффективности контакта лопастей с ветром, подъем устройства на большую высоту мало влияет на рост производительности генератора, так как поднять ротор на значительную высоту нереально, а изменения в 2-3 метра никаких существенных выгод не приносят.

При этом, необходимо помнить о длине кабеля и его сопротивлении. Большая длина вызовет падение напряжения и потребует значительных расходов на дорогостоящий кабель, поэтому слишком большого удаления от дома делать не рекомендуется, так же, как и чрезмерно приближать ветряк. Вибрации и шум от вращающегося ротора будут очень докучать жителям дома, вызовут нарушения сна и потребуют перемены места установки устройства.

Как самостоятельно изготовить ветрогенератор вертикального типа

Самостоятельное изготовление ветрогенератора вполне возможно, хотя и не так просто, как может показаться на первый взгляд. Понадобится либо собрать весь комплект оборудования, что весьма сложно, либо некоторые его элементы приобрести, что довольно дорого. В состав комплекта могут входить:

• ветрогенератор
• инвертор
• комплект аккумуляторов
• провода, кабели, вспомогательное оборудование

Оптимальным вариантом станет частичное приобретение готового оборудования, частичное изготовление своими руками. Дело в том, что цены на узлы и элементы очень высоки, доступны не для всех. Кроме того, высокие единовременные вложения заставляют задуматься, нельзя ли эти средства реализовать более эффективным образом.

Система работает следующим образом:

• ветряк вращается и передает момент на генератор
• возникает электрический ток, который заряжает аккумулятор
• аккумулятор присоединяется к инвертору, преобразующему постоянный ток в 220 В 50Гц переменного тока.

Сборку обычно начинают с генератора. Наиболее удачным вариантом является сборка 3-фазной конструкции на неодимовых магнитах, позволяющей вырабатывать соответствующий ток.

Лопасти изготавливаются из отрезков труб, распиленных пополам металлических бочек или согнутого определенным образом листового металла.

насколько эффективным будет ветрогенератор, невозможно, так как слишком много неизвестных параметров не позволят вычислить характеристики системы. При этом, если изначально закладывать систему под определенную мощность, то на выходе всегда получаются довольно близкие значения. Основным требованием становится прочность и аккуратность изготовления узлов, чтобы работа генератора была достаточно стабильной и надежной.

Источник https://dom-i-remont.info/posts/elektrika/byitovyie-hitrosti-vertikalnyiy-vetrogenerator-svoimi-rukami/

Источник http://electrik.info/main/energy/1565-vertikalnye-vetrogeneratory-s-rotorom-dare.html

Источник https://energo.house/veter/vertikalnyj-vetrogenerator-printsip-raboty.html