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.
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.
Общее устройство и принцип работы
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.