Энергия ветра уже давно используется в качестве альтернативного источника электричества. Это направление считается одним из наиболее перспективных, постоянно развиваясь и совершенствуясь. Для выработки электроэнергии созданы специальные механизмы, среди которых заметно выделяется вертикальный ветрогенератор. Данное устройство обладает существенными преимуществами перед горизонтальными аналогами, поскольку ему не требуется ориентация по ветровому потоку.
Общее устройство и принцип работы
Конструкция механизма довольно простая, она может находиться в произвольном положении и работать при любом направлении ветра. Вращение вала создается за счет подъемной силы лопастей установки.
Каждый ветрогенератор вертикального типа состоит из нескольких общих конструктивных элементов:
- Основной ротор, выполненный в виде колеса с лопастями, принимающими на себя действие воздушного потока. С его помощью кинематическая энергия ветра преобразуется в механическую, создавая на валу крутящий момент.
- Редуктор. Используется для синхронизации вращательного движения. Он обеспечивает вращение вала генератора с определенной скоростью.
- Генератор. Один из главных агрегатов, предназначенный для вырабатывания электрического тока. Он преобразует крутящий момент в магнитное поле и создает в проводниках разницу напряжений.
- Аккумуляторная батарея. Обеспечивает накопление и выдачу постоянного тока в пределах 12 вольт.
- Инвертор. Преобразует постоянный ток в переменный, с напряжением 220 В. На практике вся электрическая система значительно сложнее. Она состоит из блоков управления и стабилизации, обеспечивает подключение сразу к нескольким потребителям.
В целом ветрогенераторы с вертикальной осью вращения всегда изготавливаются в виде условного цилиндра, смонтированного на основании. Его форма обеспечивает работоспособность устройства независимо от направления ветра. Поток воздуха давит на одну из сторон значительно сильнее, чем на другую. Ветрогенератор двигается с определенной скоростью и достигает лопастей, являющихся своеобразным препятствием. Под действием ветра на их поверхности создается давление, придающее ротору вращательное движение. Далее крутящий момент передается через редуктор к генератору, после чего и начинается выработка электрического тока.
Затем электроэнергия, преобразованная в постоянный ток, начинает заряжать аккумуляторы. От них электричество через инвертор поступает к потребителю с переменным напряжением 220 В.
Плюсы и минусы вертикальных конструкций
Ветрогенераторы вертикального типа, благодаря своим конструктивным особенностям, обладают многими положительными качествами:
- Как уже отмечалось, они не требуют направления по ветру и нормально функционируют в любых условиях.
- В зависимости от модификации и особенностей конструкции, вертикальные устройства могут устанавливаться на незначительной высоте – 1,5 метра и более.
- Наличие всего одной оси вращения позволяет значительно увеличить срок эксплуатации механизма.
- Расположение всех подвижных элементов в нижней части генераторной установки дает возможность быстрого и удобного ремонта и обслуживания механизма.
- Действующая установка может быть сравнительно легко собрана самостоятельно из подручных материалов.
- Жесткая конструкция имеет несколько точек опоры, что дает возможность максимально использовать скорость ветра. Такие механизмы обладают высокой устойчивостью к разрушающему действию ветрового потока.
- Практически все вертикальные ветрогенераторы создают собственную циркуляцию воздуха, способствующую образованию быстроходного эффекта. В этом случае величина линейной скорости лопастей многократно превышает скорость ветра.
В качестве недостатков следует отметить высокий уровень шума от лопастей в процессе работы, более низкую эффективность по сравнению с горизонтальной конструкцией, а также излишний вес и большие габаритные размеры.
Разновидности и модификации вертикальных ветряков
Ортогональный ветрогенератор оборудован несколькими лопастями, расположенными на определенном расстоянии параллельно оси вращения. Эти ветряки известны также под названием ротора Дарье. Данные агрегаты зарекомендовали себя, как наиболее эффективные и функциональные.
Вращение лопастей обеспечивается их крылообразной формой, создающей необходимую подъемную силу. Однако, нормальная работоспособность устройства требует приложения значительных усилий, поэтому производительность генератора можно увеличить путем установки дополнительных статических экранов. В качестве недостатков следует отметить излишний шум, высокие динамические нагрузки (вибрация), которые нередко приводят к преждевременному износу опорных узлов и выходу из строя подшипников.
Существуют ветроустановки с ротором Савониуса, наиболее подходящие для бытовых условий. Ветровое колесо состоит из нескольких полуцилиндров, вращающихся непрерывно вокруг своей оси. Вращение осуществляется всегда в одну и ту же сторону и не зависит от направления ветра.
Минусом таких установок является раскачивание конструкции под действием ветра. За счет этого в оси создается напряжение и подшипник вращения ротора выходит из строя. Кроме того, вращение не может начаться самостоятельно, если в ветрогенераторе установлено всего две или три лопасти. В связи с этим, на оси рекомендуется закреплять два ротора под углом 90 градусов относительно друг друга.
Вертикальный многолопастный ветрогенератор относится к наиболее функциональным устройствам этого модельного ряда. Он обладает высокой производительностью при незначительной нагрузке на несущие элементы.
Внутренняя часть конструкции состоит из дополнительных статичных лопастей, размещенных в один ряд. Они сжимают воздушный поток и регулируют его направление, увеличивая, тем самым, эффективность работы ротора. Основным недостатком считается высокая цена в связи с большим количеством деталей и элементов.
Сборка компонентов ветрогенератора
Обладая некоторыми специальными навыками, вполне возможно изготовить вертикальный ветрогенератор своими руками из подручных материалов. В результате получается простая и недорогая конструкция, пригодная для собственных нужд. Самое главное – правильно изготовить все элементы.
Турбина. Ее основой служит соединяющий элемент для ротора и лопастей генератора. Рекомендуется использовать схему расположения лопастей в виде двух встречных равносторонних треугольников. Чтобы не допустить ошибок, лучше всего заранее сделать картонный шаблон. Вся конструкция состоит из двух опор – верхней и нижней. Снизу размечаются места креплений уголков, соединяющих опору с лопастями.
Ротор. Состоит из двух оснований с отверстиями, сориентированными между собой. На бумажных шаблонах выполняется схема расположения магнитов с соблюдением полярности. Полярность на самих магнитах отмечается маркером. После этого каждый из них приклеивается на свое место эпоксидной смолой. Данная операция проделывается с обоими основаниями.
Статор. Состоит из 9 катушек, разделенных на три группы. Его изготовление считается наиболее сложным и трудоемким процессом. Готовое изделие может не подойти для конкретного ветрогенератора с собственными техническими характеристиками. В каждой катушке содержится определенное число витков медного провода, наматываемых с помощью самодельного станка. Витки должны наматываться одинаково, в одном направлении, с соблюдением начала и конца катушек. Чтобы предотвратить их разматывание, используется эпоксидная смола и изолента.
Подключение и сборка конструкции
Соединение катушек между собой осуществляется по определенной схеме – три группы по 3 катушки в каждой. Подобная схема необходима для получения трехфазного переменного тока. Выведенные концы припаиваются или соединяются зажимами.
Соединение может быть выполнено звездой или треугольником. В первом случае между собой в одной точке соединяются выводы X, Y и Z. Во втором случае выводы соединяются таким образом: X-B, C-Z и Z-A. Для изменения конфигурации подключения в дальнейшем, все проводники следует нарастить и вывести наружу.
Все катушки нужно заранее равномерно разложить на листе бумаги относительно расположения магнитов ротора. Далее они закрепляются скотчем на своих местах и фиксируются эпоксидной смолой. В результате, статор примет плоскую форму и разместится между роторами. Он не несет нагрузки и не будет вращаться. Все соединения нужно прозвонить мультиметром. Остается лишь просверлить в статоре крепления для кронштейна, и далее собрать всю конструкцию.
