Какой максимальный кпд у барабанных ветродвигателей. Ветрогенераторы: классификация и типы, конструкция и схема работы

Неуклонное истощение природных ресурсов приводит к тому, что в последнее время человечество занято поиском альтернативных источников энергии. На сегодняшний день известно достаточно большое количество видов альтернативной энергетики, одним из которых является использование силы ветра. Энергия ветра применялась людьми с древности, например, в работе ветряных мельниц. Самый первый ветрогенератор (ветряная турбина), который служил для производства электричества, был построен в Дании в 1890 г. Такие устройства стали применяться в тех случаях, когда требовалось обеспечить электроэнергией какой-либо труднодоступный район.

Принцип действия ветрогенератора:

Ветер вращает колесо с лопастями, которое передает крутящий момент на вал генератора через редуктор.
Инвертор выполняет задачу преобразования полученного постоянного электрического тока в переменный.
Аккумулятор предусмотрен для подачи в сеть напряжения при отсутствии ветра.

Мощность ВЭУ находится в прямой зависимости от диаметра ветроколеса, высоты мачты и силы ветра. В настоящее время производятся ветрогенераторы, диаметр лопастей которых от 0,75 до 60 м и более. Самая маленькая из всех современных ВЭУ – G-60. Диаметр ротора, имеющего пять лопастей, всего 0,75 м, при скорости ветра 3-10 м/с она может вырабатывать мощность 60 Вт, вес ее составляет 9 кг. Такая установка с успехом применяется для освещения, зарядки батарей и работы средств связи.

Все ветряные генераторы могут быть классифицированы по нескольким принципам:

Оси вращения.
Количеству лопастей.
Материалу, из которого выполнены лопасти.
Шагу винта.

Классификация по оси вращения:

Горизонтальные.
Вертикальные.

Схема работы

Наибольшую популярность получили горизонтальные ветрогенераторы, ось вращения турбины которых расположена параллельно земле. Этот тип получил название «ветряной мельницы», лопасти которой вращаются против ветра. Конструкция горизонтальных ветрогенераторов предусматривает автоматический поворот головной части (в поисках ветра), а также поворот лопастей, для использования ветра небольшой силы.

Вертикальные ветрогенераторы гораздо менее эффективны. Лопасти такой турбины вращаются параллельно поверхности земли при любом направлении и силе ветра. Так как при любом направлении ветра половина лопастей ветроколеса всегда вращается против него, ветряк теряет половину своей мощности, что значительно снижает энергоэффективность установки. Однако ВЭУ такого типа проще в установке и обслуживании, поскольку ее редуктор и генератор размещаются на земле. Недостатками вертикального генератора являются: дорогостоящий монтаж, значительные эксплуатационные затраты, а также то, что для установки такой ВЭУ требуется немало места.

Ветрогенераторы горизонтального типа больше подходят для производства электроэнергии в промышленных масштабах, их используют в случае создания системы ветряных электростанций. Вертикальные часто применяют для потребностей небольших частных хозяйств.

Классификация по количеству лопастей:

Двухлопастные.
Трехлопастные.
Многолопастные (50 и более лопастей).

По количеству лопастей все установки делятся на двух- и трех- и многолопастные (50 и более лопастей). Для выработки необходимого количества электроэнергии требуется не факт вращения, а выход на необходимое количество оборотов.

Каждая лопасть (дополнительная) увеличивает общее сопротивление ветрового колеса, что делает выход на рабочие обороты генератора более сложным. Таким образом, многолопастные установки действительно начинают вращаться при меньших скоростях ветра, однако они применяются в том случае, когда имеет значение сам факт вращения, как, например, при перекачке воды. Для выработки электроэнергии ветрогенераторы с большим количеством лопастей практически не применяются. К тому же на них не рекомендуется установка редуктора, потому что это усложняет конструкцию, а также делает ее менее надежной.

Классификация по материалам лопастей:

Ветрогенераторы с жесткими лопастями.
Парусные ветрогенераторы.

Следует отметить, что парусные лопасти значительно проще в изготовлении, а потому менее затратны, нежели жесткие металлические или стеклопластиковые. Однако подобная экономия может обернуться непредвиденными расходами. Если диаметр ветроколеса составляет 3 м, то при оборотах генератора 400-600 об/мин кончик лопасти достигает скорости 500 км/ч. С учетом того обстоятельства, что в воздухе содержится песок и пыль, этот факт является серьезным испытанием даже для жестких лопастей, которые в условиях стабильной эксплуатации требуют ежегодной замены антикоррозийной пленки, нанесенной на концы лопастей. Если не обновлять антикоррозионную пленку, то жесткая лопасть постепенно начнет терять свои рабочие характеристики.

Лопасти парусного типа требуют замены не раз в год, а непосредственно после возникновения первого серьезного ветра. Поэтому автономное электроснабжение, требующее значительной надежности компонентов системы, не рассматривает применение лопастей парусного типа.

Классификация по шагу винта:

Фиксированный шаг винта.
Изменяемый шаг винта.

Безусловно, изменяемый шаг винта увеличивает диапазон эффективных рабочих скоростей ветрогенератора. Однако внедрение данного механизма ведет к усложнению лопастной конструкции, к увеличению веса ветрового колеса, а также снижает общую надежность ВЭУ. Следствием этого является необходимость усиления конструкции, что приводит к значительному удорожанию системы не только при приобретении, но и при эксплуатации.

Современные ветрогенераторы представляют собой высокотехнологичные изделия, мощность которых составляет от 100 до 6 МВт. ВЭУ инновационных конструкций позволяют экономически эффективно использовать энергию самого слабого ветра – от 2 м/с. При помощи ветрогенераторов сегодня можно с успехом решать задачи по электроснабжению островных или локальных объектов любой мощности.

Ветрогенераторы используют мощь и силу ветра для производства электрической энергии. Современная жизнь человека немыслима без

электричества, даже в отдаленных от электроснабжения районах. Ветряные производители экологически чистой энергии света выполняют роль альтернативного источника.

И приобретают с каждым годом все большую популярность. Чем больше ассортимент товара, тем больше возникает вопросов, какой тип ветрогенератора предпочесть. И по производительности и по деньгам.

Основные виды ветрогенераторов

Модели ветрогенераторов бывают разной конструкции, различаются по мощности. По геометрии вращения оси основного ротора их делят на:

Вертикальный тип — турбина расположена вертикально по отношению к плоскости земли. Начинает работать при небольшом ветре.
Горизонтальный тип — ось ротора вращается параллельно земной поверхности. Имеет большую мощность преобразования энергии ветра в переменный и постоянный ток.

Разберем эти типы более подробно, так как в каждом из них есть разработки и усовершенствования.

Разновидности вертикальных генераторов (карусельный тип)

Вертикальные преобразователи силы ветра в энергию часто используются для бытовых нужд. Эти виды ветрогенераторов просты в обслуживании. Основные узлы, которые требуют внимания, находятся в нижней части установок и свободны для доступа.

1. Генераторы с ротором Савоуниса

Состоят из двух цилиндров. Постоянное осевое вращение и поток ветра не находятся в зависимости друг от друга. Даже при резких порывах он крутится с заданной изначально скоростью.

Отсутствие влияния ветра на скорость вращения, бесспорно, − его хорошее преимущество. Плохо то, что он использует силу стихии не на всю ее мощь, а только на треть. Устройство лопастей в виде полуцилиндров позволяют работать лишь в четверть оборота.

2. Генераторы с ротором Дарье

Имеют две или три лопасти. Легко монтируются. Конструкция простая и понятная. Начинают работать от запуска вручную.

Минус – турбины не отличаются мощной работой. Сильная вибрация становится причиной сильного шума. Этому способствует большое количество лопастей.

3. Геликоидный ротор

Вращение ветрогенератора происходит равномерно благодаря закрученным лопастям. Подшипники не подвержены быстрому износу, что значительно продляет срок эксплуатации.

Монтаж установки требует времени и сопряжен с трудностями сборки. Сложная технология изготовления отразилась на высокой цене.

4. Многолопастный ротор

Вертикально – осевая конструкция с большим количеством лопастей делает его чувствительным даже к очень слабому ветру. Эффективность таких ветрогенераторов очень высокая.

Это мощный преобразователь. Энергия ветра используется максимально. Стоит он дорого. Недостаток – высокий звуковой фон. Может давать большой объем электротока.

5. Ортогональный ротор

Начинает вырабатывать энергию при скорости ветра в 0,7 м/сек. Состоит из вертикальной оси и лопастей. Не производит много шума, отличается красивым необычным дизайном. Срок службы несколько лет.

Лопасти с большим весом делает его громоздким, что усложняет монтажные работы.

Положительные стороны вертикальных ветрогенераторов:

Использование генераторов возможно даже при слабом ветре.
Не настраиваются на ветровые потоки, так как не зависят от его направления.
Устанавливаются на короткой мачте, что позволяет производить обслуживание систем на земле.
Шум в пределах 30 дБ.
Разнообразный, приятный внешний вид.

Основной изъян – используют силу и энергию ветра не полностью из-за невысокой вращательной скорости ротора.

Горизонтальные ветрогенераторы (крыльчатые)

Разные модификации горизонтальных установок имеют от одной до трех лопастей и более. Поэтому коэффициент полезного действия намного выше, чем у вертикальных.

Недостатки ветрогенераторов − в необходимости ориентировать их на направление ветра. Постоянное перемещение снижает скорость вращения, что понижает его производительность.

Однолопастные и двухлопастные. Отличаются высокими двигательными оборотами. Масса и габариты установки небольшие, что облегчает установку.
Трехлопастные. Пользуются спросом на рынке. Могут вырабатывать энергию до 7 мВт.
Многолопастные установки имеют до 50 лопастей. Отличаются большой инерцией. Преимущества крутящего момента используют в работе водяных насосов.

На современном рынке появляются ветрогенераторы с отличными от классических конструкциями, например, встречаются гибридные.

1. Ветрогенератор, устроенный по типу парусника

Тарелкообразная конструкция под напором воздуха приводит в движение поршни, которые активируют гидросистему. Как результат, происходит трансформация физической энергии в электрическую.

Во время работы установка не шумит. Высокие показатели мощности. Легко управляемая.

2. Летающий ветрогенератор-крыло

Используется без мачты, генератора, ротора и лопастей. В сравнении с классическими конструкциями, которые функционируют на небольшой высоте при непостоянной силе ветра, а сооружение высоких мачт дело трудоемкое и дорогое, “крыло” таких проблем не имеет.

Его запускают на высоту 550 метров. Выработка электрической энергии составляет 1 мВт в год. Производителем “крыла” является компания Makani Power.

Применение ветрогенераторов

Ветрогенераторы применяются в промышленности и в быту.

Ветроустановки промышленные используются для нужд производства или обеспечения электроэнергией небольших поселков в условиях отсутствия или дефицита электрического снабжения. Устанавливаются на открытой пустынной местности в большом количестве.

Ветряки, преимущественно простые, предназначены для домашнего использования на дачных участках. В зимнее холодное время для экономии электричества сооружаются на территории жилых домов. Простой ветрогенератор дает энергию в соответствии с количеством ветреных дней.

КПД ветрогенераторов

Для вертикального и горизонтального ветрогенераторов коэффициент полезного действия примерно одинаков. Для вертикальных он составляет 20-30%, для горизонтальных 25-35%.

КПД зависит от типа ветрогенератора и скорости ветра

Некоторые производители увеличивают КПД вертикальных ветряков до 15%, заменяя подшипники на постоянные неодимовые магниты. Но такое незначительное повышение эффективности всего на 3-5% ведет к значительному удорожанию конструкций.

Не отличаются оба типа и по сроку эксплуатации. В среднем продолжительность выработки энергии рассчитана на 15 — 25 лет службы. Изнашиваются быстрее всего опорно-подшипниковый узел и лопасти. Срок службы которых зависит от качества обслуживания.

Стоимость ветрогенераторов

Цены на ветрогенераторы достаточно высокие. Это громоздкие конструкции, которые производятся из дорогостоящего материала. Имеют в комплекте аккумуляторы, контроллер, инвертор и мачту.

Комплект может состоять из: 1 — самого ветрогенератора, 2 — Мачты, 3 — Фундамента, 4 — Комплекта аккумуляторных батарей, 5 — Инвертора, 6 — Контроллера, а также проводов, коннекторов, стеллажа, дизель-генератора и прочих расходных материалов необходимых для монтажа

Технические характеристики ветрогенераторов также влияют на стоимость.

Самый простой − это генератор с малой мощностью до 300 ватт. Производит энергию при силе ветра в 10-12 м /сек. Комплект самого простого ветряка только с контроллером стоит от 15 000 рублей. В комплектации с инвертором, аккумулятором и мачтой цена доходит до 50 000 рублей.
Генераторы с заявленной мощностью 1 кВт. При слабом ветре в среднем производят энергии от 30-100 кВт в месяц. Для большого дома с высоким потреблением электроэнергии рекомендуется использовать в дополнение дизельный и бензиновый агрегаты. Они также будут заряжать аккумуляторы в дни полного безветрия. Стоит такой ветрогенератор от 150 000 рублей. Доходит и до 300-400 тысяч рублей с более полной комплектацией.
Электрический расход в большом доме с приусадебным хозяйством потребует ветряк мощностью 3-5 кВт. Достаточное количество аккумуляторов, более мощный инвертор, контроллер, высокая мачта. Один комплект стоит от 300 000 рублей до миллиона.

Если дом еще и отапливался за счет ветра, то установку надо выбирать мощностью 10 кВт. И позаботиться о дополнительных источниках, таких как солнечные батареи. Возможно, понадобится и бензогенератор. Все зависит от того, сколько энергии придется держать в запасе на случай безветренных и пасмурных дней.

Производители ветрогенераторов

В связи с возрастающим спросом на экологически чистый способ выработки электроэнергии, на рынке появляются предложения от ведущих производителей ветрогенераторов. Вы всегда сможете подобрать оптимальный вариант.

Дания “Vestas” c долей рынка – 12,7%
Китай “Snovel” – 9, 0%
Китай “ Goldwind” – 8,7%
Испания “Gamesa” – 8,0%
Германия “Enercon” – 7,8%
Индия “Suzlon” – 7,6%
Китай “Guodian United Power” − 7,4%
Германия “Siemens” − 6,3%
Китай “Ming Yang” − 3,6%

Наладили производство ветрогенераторов и отечественные производители: в московской области − ООО «Ветро Свет» , ООО “СКБ Искра”, ООО “Сапсан-Энергия”, ЗАО “Агрегат-Привод”, в Петербурге – ЗАО “Ветроэнергетическая компания”.

Правило подбора

Выбор ветрогенератора – дело несложное, если подойти к нему ответственно. Лучше заранее.

Рассчитать количество энергии, необходимой для обеспечения вашего дома.
Выяснить среднегодовую скорость ветра, учесть в какое время ветряк будет бездействовать, а в какое по силам дать достаточный объем. Мощность надо брать с запасом. Просчитать число аккумуляторов для хранения энергии на случай безветрия.
Учесть климатические особенности места проживания. В центральной полосе России большую часть зимы стоят сильные морозы. Установка ветрогенераторов там себя не оправдывает.
Дождь и снег уменьшают выработку энергии. Это минусы.
Обратить внимание на количество лопастей. Чем их меньше, тем больше КПД.
Выяснить интенсивность шума при работе установки.
Проводить сравнение параметров ветрогенераторов. Внимательно знакомиться с их техническими и сравнительными характеристиками.
Подбирать ветрогенератор помогут отзывы людей, кто уже пользуется системами.
Делать обзор производителей при выборе генератора.

Ветер и солнце – естественные, экологически чистые и безотходные источники энергии. В век, когда потенциал природных ресурсов истощается, производство ветрогенераторов набирает скорость.

Карта ветров России для подбора ветрогенератора

Ветряки становятся все более популярными и среди простых людей. Для этого созданы все условия. Разнообразие ветряных агрегатов и наличие тематической информации в помощь при выборе.

Типы ветродвигателей

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис. 13. Они делятся на две группы:

1. ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5);

2. ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Крыльчатые

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастейкрыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных. В то же время, у карусельных - намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Карусельные

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов - повышающий редуктор не эффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные

Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска. В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. 13. (6)). Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14-16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров. У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми - взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем можно просуммировать выходную мощность вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов

Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7--10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветряной фермы может занимать год и более.Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы:

· Неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть.

· Обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости, используемые в генераторе, не должны замерзать. Может замёрзнуть оборудование, замеряющее скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра, и ротор останется неподвижным.

· Удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы.

· Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП.

· Нестабильность работы генератора. Из-за того что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП.

· Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветряных электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения

устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат - колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.
Историческая справка. Хотя приземные ветры дуют не всегда, меняют свое направление и сила их непостоянна, ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Из-за сомнительной надежности древних письменных сообщений о ветродвигателях не вполне ясно, когда и где такие машины появились впервые. Но, судя по некоторым записям, они существовали уже до 7 в. н.э. Известно, что в Персии их применяли в 10 в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце 12 в. В течение 16 в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала 20 в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во второй половине 20 в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, т.е. такие, ветроколеса которых могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра.
Современные типы ветродвигателей. В настоящее время применяются три основных типа ветродвигателей - барабанный, крыльчатый (винтового типа) и роторный (с S-образным профилем репеллера).
Барабанный и крыльчатый. Хотя ветроколесо барабанного типа имеет наименьший коэффициент использования энергии ветра по сравнению с другими современными репеллерами, применяется оно наиболее широко. На многих фермах с его помощью качают воду, если по какой-либо причине нет сетевого электричества. Типичная форма такого колеса с лопастями из листового металла приведена на рис. 1. Ветроколеса барабанного и крыльчатого типа вращаются на горизонтальном валу, так что их необходимо поворачивать на ветер, чтобы получить наилучшие эксплуатационные характеристики. Для этого им придается руль направления - лопасть, расположенная в вертикальной плоскости, чем и обеспечивается разворот ветроколеса на ветер. Диаметр колеса крупнейшего в мире ветродвигателя крыльчатого типа составляет 53 м, максимальная ширина его лопасти равна 4,9 м. Ветроколесо напрямую соединено с электрическим генератором мощностью 1000 кВт, которая развивается при скорости ветра не менее 48 км/ч. Его лопасти регулируются таким образом, что скорость вращения ветроколеса остается постоянной и равной 30 об/мин в диапазоне скоростей ветра от 24 до 112 км/ч. Благодаря тому, что в местности, где располагают такие ветродвигатели, ветры дуют довольно часто, ветроэнергетическая установка обычно вырабатывает ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ50% максимальной мощности и питает общественную электросеть. Крыльчатые ветродвигатели широко применяются в отдаленных сельских районах для обеспечения электроэнергией ферм, в том числе для зарядки аккумуляторов систем радиосвязи. Их также используют в бортовых энергетических установках самолетов и управляемых ракет.
S-образный ротор. Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис. 2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика, который его изучал (1852). В 1920-1930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно.
Коэффициент использования энергии ветра. Мощность, получаемая от ветра, обычно мала - менее 4 кВт развивает агрегат устаревшего типа голландской ветряной мельницы при скорости ветра 32 км/ч. Мощность потока ветра, которую можно использовать, образуется из кинетической энергии масс воздуха, проносящихся в единицу времени перпендикулярно площади заданного размера. В ветродвигателе эта площадь определяется наветренной поверхностью репеллера. При учете высоты над уровнем моря, давления воздуха на ней и его температуры располагаемая мощность N (в кВт) на единицу площади определяется уравнением N = 0,0000446 V3 (м/с). Коэффициент использования энергии ветра определяется обычно как отношение мощности, развиваемой на валу ветродвигателя, к располагаемой мощности ветрового потока, воздействующего на наветренную поверхность ветроколеса. Максимальным этот коэффициент становится при определенном соотношении между скоростью внешнего края лопасти ветроколеса w и скорости ветра u; значение этого соотношения w/u зависит от типа ветродвигателя. Коэффициент использования энергии ветра зависит от вида ветроколеса и составляет от 5-10% (голландская мельница с плоскими крыльями, w/u = 2,5) до 35-40% (профилированный крыльчатый репеллер, 5 Р€ w/u Р€ 10).
ЛИТЕРАТУРА
Ветроэнергетика. М., 1982 Ярас Л. и др. Энергия ветра. М., 1982

Россия в отношении ветроэнергетических ресурсов занимает двоякое положение. С одной стороны, благодаря огромной общей площади и обилию равнинных местностей ветра в целом много, и он большей частью ровный. С другой – наши ветры преимущественно низкопотенциальные, медленные, см. рис. С третьей, в мало обжитых местностях ветры буйные. Исходя из этого, задача завести на хозяйстве ветрогенератор вполне актуальна. Но, чтобы решить – покупать достаточно дорогое устройство, или сделать его своими руками, нужно как следует подумать, какой тип (а их очень много) для какой цели выбрать.

Основные понятия

КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
Максимально допустимая скорость ветра (МДС) – его скорость, при которой выработка энергии прекращается: автоматика или отключает генератор, или ставит ротор во флюгер, или складывает его и прячет, или ротор сам останавливается, или ВСУ просто разрушается.
Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
Отрицательная стартовая скорость (ОСС) – это значит, что ВСУ (или ВЭУ – ветроэнергетическая установка, или ВЭА, ветроэнергетический агрегат) для запуска при любой скорости ветра требует обязательной раскрутки от постороннего источника энергии.
Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
Тихоходный ветряк – в нем линейная скорость частей ротора в потоке существенно не превосходит скорость ветра или ниже ее. Динамический напор потока непосредственно преобразуется в тягу лопасти.
Быстроходный ветряк – линейная скорость лопастей существенно (до 20 и более раз) выше скорости ветра, и ротор образует свою собственную циркуляцию воздуха. Цикл преобразования энергии потока в тягу сложный.

Примечания:

Тихоходные ВСУ, как правило, имеют КИЭВ ниже, чем быстроходные, но имеют стартовый момент, достаточный для раскрутки генератора без отключения нагрузки и нулевую ССВ, т.е. абсолютно самозапускающиеся и применимы при самых слабых ветрах.

Тихоходность и быстроходность – понятия относительные. Бытовой ветряк на 300 об/мин может быть тихоходным, а мощные ВСУ типа EuroWind, из которых набирают поля ветроэлектростанций, ВЭС (см. рис.) и роторы которых делают порядка 10 об/мин – быстроходные, т.к. при таком их диаметре линейная скорость лопастей и их аэродинамика на большей части размаха – вполне «самолетные», см. далее.

Какой нужен генератор?

Электрический генератор для ветряка бытового назначения должен вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне скоростей вращения и обладать способностью самозапуска без автоматики и внешних источников питания. В случае использования ВСУ с ОСС (ветряки с раскруткой), обладающих, как правило, высокими КИЭВ и КПД, он должен быть и обратимым, т.е. уметь работать и как двигатель. При мощностях до 5 кВт этому условию удовлетворяют электрические машины с постоянными магнитами на основе ниобия (супермагнитами); на стальных или ферритовых магнитах можно рассчитывать не более чем на 0,5-0,7 кВт.

Примечание: асинхронные генераторы переменного тока или коллекторные с ненамагниченным статором не годятся совершенно. При уменьшении силы ветра они «погаснут» задолго до того, как его скорость упадет до МРС, и потом сами не запустятся.

Отличное «сердце» ВСУ мощностью от 0,3 до 1-2 кВт получается из автогенератора переменного тока со встроенным выпрямителем; таких сейчас большинство. Во-первых, они держат выходное напряжение 11,6-14,7 В в довольно широком диапазоне скоростей без внешних электронных стабилизаторов. Во-вторых, кремниевые вентили открываются, когда напряжение на обмотке достигнет примерно 1,4 В, а до этого генератор «не видит» нагрузки. Для этого генератор нужно уже довольно прилично раскрутить.

В большинстве случаев автогенератор можно непосредственно, без зубчатой или ременной передачи, соединить с валом быстроходного ВД, подобрав обороты выбором количества лопастей, см. ниже. «Быстроходки» имеют малый или нулевой стартовый момент, но ротор и без отключения нагрузки успеет достаточно раскрутиться, прежде чем вентили откроются и генератор даст ток.

Выбор по ветру

Прежде чем решать, какой сделать ветрогенератор, определимся с местной аэрологией. В серо-зеленоватых (безветренных) областях ветровой карты хоть какой-то толк будет лишь от парусного ветродвигателя (и них далее поговорим). Если необходимо постоянное энергоснабжение, то придется добавить бустер (выпрямитель со стабилизатором напряжения), зарядное устройство, мощную аккумуляторную батарею, инвертор 12/24/36/48 В постоянки в 220/380 В 50 Гц переменного тока. Обойдется такое хозяйство никак не менее $20.000, и снять долговременную мощность более 3-4 кВт вряд ли получится. В общем, при непреклонном стремлении к альтернативной энергетике лучше поискать другой ее источник.

В желто-зеленых , слабоветренных местах, при потребности в электричестве до 2-3 кВт самому можно взяться за тихоходный вертикальный ветрогенератор . Их разработано несть числа, и есть конструкции, по КИЭВ и КПД почти не уступающие «лопастникам» промышленного изготовления.

Если же ВЭУ для дома предполагается купить, то лучше ориентироваться на ветряк с парусным ротором. Споров и них много, и в теории пока еще не все ясно, но работают. В РФ «парусники» выпускают в Таганроге на мощность 1-100 кВт.

В красных , ветреных, регионах выбор зависит от потребной мощности. В диапазоне 0,5-1,5 кВт оправданы самодельные «вертикалки»; 1,5-5 кВт – покупные «парусники». «Вертикалка» тоже может быть покупной, но обойдется дороже ВСУ горизонтальной схемы. И, наконец, если требуется ветряк мощностью 5 кВт и более, то выбирать нужно между горизонтальными покупными «лопастниками» или «парусниками».

Примечание: многие производители, особенно второго эшелона, предлагают комплекты деталей, из которых можно собрать ветрогенератор мощностью до 10 кВт самостоятельно. Обойдется такой набор на 20-50% дешевле готового с установкой. Но прежде покупки нужно внимательно изучить аэрологию предполагаемого места установки, а затем по спецификациям подобрать подходящие тип и модель.

О безопасности

Детали ветродвигателя бытового назначения в работе могут иметь линейную скорость, превосходящую 120 и даже 150 м/с, а кусочек любого твердого материала весом в 20 г, летящий со скоростью 100 м/с, при «удачном» попадании убивает здорового мужика наповал. Стальная, или из жесткого пластика, пластина толщиной 2 мм, движущаяся со скоростью 20 м/с, рассекает его же напополам.

Кроме того, большинство ветряков мощностью более 100 Вт довольно сильно шумят. Многие порождают колебания давления воздуха сверхнизкой (менее 16 Гц) частоты – инфразвуки. Инфразвуки неслышимы, но губительны для здоровья, а распространяются очень далеко.

Примечание: в конце 80-х в США был скандал – пришлось закрыть крупнейшую на тот момент в стране ВЭС. Индейцы из резервации в 200 км от поля ее ВСУ доказали в суде, что резко участившиеся у них после ввода ВЭС в эксплуатацию расстройства здоровья обусловлены ее инфразвуками.

В силу указанных выше причин установка ВСУ допускается на расстоянии не менее 5 их высот от ближайших жилых строений. Во дворах частных домовладений можно устанавливать ветряки промышленного изготовления, соответствующим образом сертифицированные. На крышах ставить ВСУ вообще нельзя – при их работе, даже у маломощных, возникают знакопеременные механические нагрузки, способные вызвать резонанс строительной конструкции и ее разрушение.

Примечание: высотой ВСУ считается наивысшая точка ометаемого диска (для лопастных роторов) или геомерической фигуры (для вертикальных ВСУ с ротором на древке). Если мачта ВСУ или ось ротора выступают вверх еще выше, высота считается по их топу – верхушке.

Ветер, аэродинамика, КИЭВ

Самодельный ветрогенератор подчиняется тем же законам природы, что и заводской, рассчитанный на компьютере. И самодельщику основы его работы нужно понимать очень хорошо – в его распоряжении чаще всего нет дорогих суперсовременных материалов и технологического оборудования. Аэродинамика же ВСУ ох как непроста…

Ветер и КИЭВ

Для расчета серийных заводских ВСУ используется т. наз. плоская механистическая модель ветра. В ее основе следующие предположения:

Скорость и направление ветра постоянны в пределах эффективной поверхности ротора.

Воздух – сплошная среда.

Эффективная поверхность ротора равна ометаемой площади.

Энергия воздушного потока – чисто кинетическая.

При таких условиях максимальную энергию единицы объема воздуха вычисляют по школьной формуле, полагая плотность воздуха при нормальных условиях 1,29 кг*куб. м. При скорости ветра 10 м/с один куб воздуха несет в себе 65 Дж, и с одного квадрата эффективной поверхности ротора можно, при 100% КПД всей ВСУ, снять 650 Вт. Это весьма упрощенный подход – все знают, что ветер идеально ровным не бывает. Но на это приходится идти, чтобы обеспечить повторяемость изделий – обычное в технике дело.

Плоскую модель игнорировать не следует, она дает четкий минимум доступной энергии ветра. Но воздух, во-первых, сжимаем, во-вторых, очень текуч (динамическая вязкость всего 17,2 мкПа*с). Это значит, поток может обтекать ометаемую площадь, уменьшая эффективную поверхность и КИЭВ, что чаще всего и наблюдается. Но в принципе возможна и обратная ситуация: ветер стекается к ротору и площадь эффективной поверхности тогда окажется больше ометаемой, а КИЭВ – больше 1 относительно его же для плоского ветра.

Приведем два примера. Первый – прогулочная, довольно тяжеловесная, яхта может идти не только против ветра, но и быстрее его. Ветер имеется в виду внешний; вымпельный ветер все равно должен быть быстрее, иначе как он судно потянет?

Второй – классика авиационной истории. На испытаниях МИГ-19 оказалось, что перехватчик, который был на тонну тяжелее фронтового истребителя, по скорости разгоняется быстрее. С теми же движками в том же планере.

Теоретики не знали, что и думать, и всерьез засомневались в законе сохранения энергии. В конце концов оказалось – дело в выступающем из воздухозаборника конусе обтекателя РЛС. От его носка к обечайке возникало уплотнение воздуха, как бы сгребавшее его со сторон к компрессорам двигателей. С тех пор ударные волны прочно вошли в теорию как полезные, и фантастические летные данные современных самолетов в немалой степени обусловлены их умелым использованием.

Аэродинамика

Развитие аэродинамики принято делить на две эпохи – до Н. Г. Жуковского и после. Его доклад «О присоединенных вихрях» от 15 ноября 1905 г. стал началом новой эры в авиации.

До Жуковского летали на поставленных плашмя парусах: полагалось, что частицы набегающего потока отдают весь свой импульс передней кромке крыла. Это позволяло сразу избавиться от векторной величины – момента количества движения – порождавшей зубодробительную и чаще всего неаналитическую математику, перейти к куда более удобным скалярным чисто энергетическим соотношениям, и получить в итоге расчетное поле давления на несущую плоскость, более-менее похожее на настоящее.

Такой механистический подход позволил создать аппараты, способные худо-бедно подняться в воздух и совершить перелет из одного места в другое, не обязательно грохнувшись на землю где-то по пути. Но стремление увеличить скорость, грузоподъемность и другие летные качества все больше выявляло несовершенство первоначальной аэродинамической теории.

Идея Жуковского была такова: вдоль верхней и нижней поверхностей крыла воздух проходит разный путь. Из условия непрерывности среды (пузыри вакуума сами по себе в воздухе не образуются) следует, что скорости верхнего и нижнего потоков, сходящих с задней кромки, должны отличаться. Вследствие пусть малой, но конечной вязкости воздуха там из-за разности скоростей должен образоваться вихрь.

Вихрь вращается, а закон сохранения количества движения, столь же непреложный, как и закон сохранения энергии, справедлив и для векторных величин, т.е. должен учитывать и направление движения. Поэтому тут же, на задней кромке, должен сформироваться противоположно вращающийся вихрь с таким же вращательным моментом. За счет чего? За счет энергии, вырабатываемой двигателем.

Для практики авиации это означало революцию: выбрав соответствующий профиль крыла, можно было присоединенный вихрь пустить вокруг крыла в виде циркуляции Г, увеличивающей его подъемную силу. Т.е., затратив часть, а для больших скоростей и нагрузок на крыло – большую часть, мощности мотора, можно создать вокруг аппарата воздушный поток, позволяющий добиться лучших летных качеств.

Это делало авиацию авиацией, а не частью воздухоплавания: теперь летательный аппарат мог сам создавать себе нужную для полета среду и не быть более игрушкой воздушных потоков. Нужен только двигатель помощнее, и еще и еще мощнее…

Снова КИЭВ

Но у ветряка мотора нет. Он, наоборот, должен отбирать энергию у ветра и давать ее потребителям. И здесь выходит – ноги вытащил, хвост увяз. Пустили слишком мало энергии ветра на собственную циркуляцию ротора – она будет слабой, тяга лопастей – малой, а КИЭВ и мощность – низкими. Отдадим на циркуляцию много – ротор при слабом ветре будет на холостом ходу крутиться как бешеный, но потребителям опять достается мало: чуть дали нагрузку, ротор затормозился, ветер сдул циркуляцию, и ротор стал.

Закон сохранения энергии «золотую середину» дает как раз посерединке: 50% энергии даем в нагрузку, а на остальные 50% подкручиваем поток до оптимума. Практика подтверждает предположения: если КПД хорошего тянущего пропеллера составляет 75-80%, то КИЭВ так же тщательно рассчитанного и продутого в аэродинамической трубе лопастного ротора доходит до 38-40%, т.е. до половины от того, чего можно добиться при избытке энергии.

Современность

Ныне аэродинамика, вооруженная современной математикой и компьютерами, все более уходит от неизбежно что-то да упрощающих моделей к точному описанию поведения реального тела в реальном потоке. И тут, кроме генеральной линии – мощность, мощность, и еще раз мощность! – обнаруживаются пути побочные, но многообещающие как раз при ограниченном количестве поступающей в систему энергии.

Известный авиатор-альтернативщик Пол Маккриди еще в 80-х создал самолет, с двумя моторчиками от бензопилы мощностью в 16 л.с. показавший 360 км/ч. Причем шасси его было трехопорным неубирающимся, а колеса – без обтекателей. Ни один из аппаратов Маккриди не вышел на линию и не встал на боевое дежурство, но два – один с поршневыми моторами и пропеллерами, а другой реактивный – впервые в истории облетели вокруг земного шара без посадки на одной заправке.

Парусов, породивших изначальное крыло, развитие теории тоже коснулось весьма существенно. «Живая» аэродинамика позволила яхтам при ветре в 8 узл. встать на подводные крылья (см. рис.); чтобы разогнать такую громадину до нужной скорости гребным винтом, требуется двигатель не менее 100 л.с. Гоночные катамараны при таком же ветре ходят со скоростью около 30 узл. (55 км/ч).

Есть и находки совершенно нетривиальные. Любители самого редкого и экстемального спорта – бейсджампинга – надев апециальный костюм-крыло, вингсьют, летают без мотора, маневрируя, на скорости более 200 км/ч (рис. справа), а затем плавно приземляются в заранее выбранном месте. В какой сказке люди летают сами по себе?

Разрешились и многие загадки природы; в частности – полет жука. По классической аэродинамике, он летать не способен. Точно так же, как и родоначальник «стелсов» F-117 с его крылом ромбовидного профиля тоже не способен подняться в воздух. А МИГ-29 и Су-27, которые некоторое время могут лететь хвостом вперед, и вовсе ни в какие представления не укладываются.

И почему тогда, занимаясь ветродвигателями, не забавой и не орудием уничтожения себе подобных, а источником жизненно важного ресурса, нужно плясать непременно от теории слабых потоков с ее моделью плоского ветра? Неужели не найдется возможности продвинуться дальше?

Чего ожидать от классики?

Однако от классики отказываться ни в коем случае не следует. Она дает основу, не оперевшись на которую нельзя подняться выше. Точно так же, как теория множеств не отменяет таблицу умножения, а от квантовой хромодинамики яблоки с деревьев вверх не улетят.

Итак, на что можно рассчитывать при классическом подходе? Посмотрим на рисунок. Слева – типы роторов; они изображены условно. 1 – вертикальный карусельный, 2 – вертикальный ортогональный (ветряная турбина); 2-5 – лопастные роторы с разным количеством лопастей с оптимизированными профилями.

Справа по горизонтальной оси отложена относительная скорость ротора, т.е., отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. По вертикальной вверх – КИЭВ. А вниз – опять же относительный крутящий момент. Единичным (100%) крутящим моментом считается такой, который создает насильно заторможенный в потоке ротор со 100% КИЭВ, т.е. когда вся энергия потока преобразуется во вращающее усилие.

Такой подход позволяет делать далеко идущие выводы. Скажем, количество лопастей нужно выбирать не только и не столько по желательной скорости вращения: 3- и 4-лопастники сразу много теряют по КИЭВ и вращательному моменту по сравнению с хорошо работающими примерно в том же диапазоне скорстей 2- и 6-лопастниками. А внешне похожие карусель и ортогонал обладают принципиально разными свойствами.

В целом же предпочтение следует отдавать лопастным роторам, кроме случаев, когда требуются предельная дешевизна, простота, необслуживаемый самозапуск без автоматики и невозможен подъем на мачту.

Примечание: о парусных роторах поговорим особо – они, похоже, в классику не укладываются.

Вертикалки

ВСУ с вертикальной осью вращения имеют неоспоримое для быта преимущество: их узлы, требующие обслуживания, сосредоточены внизу и не нужен подъем наверх. Там остается, и то не всегда, упорно-опорный самоустанавливающийся подшипник, но он прочен и долговечен. Поэтому, проектируя простой ветрогенератор, отбор вариантов нужно начинать с вертикалок. Основные их типы представлены на рис.

ВС

На первой позиции – самый простейший, чаще всего называемый ротором Савониуса. На самом деле его изобрели в 1924 г. в СССР Я. А. и А. А. Воронины, а финский промышленник Сигурд Савониус бессовестно присвоил себе изобретение, проигнорировав советское авторское свидетельство, и начал серийный выпуск. Но внедрение в судьбе изобретения значит очень много, поэтому мы, чтобы не ворошить прошлое и не тревожить прах усопших, назовем этот ветряк ротором Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС.

ВС для самодельщика всем хорош, кроме «паровозного» КИЭВ в 10-18%. Однако в СССР над ним работали много, и наработки есть. Ниже мы рассмотрим усовершенствованную конструкцию, не намного более сложную, но по КИЭВ дающую фору лопастникам.

Примечание: двухлопастный ВС не крутится, а дергается рывками; 4-лопастный лишь немного плавнее, но много теряет в КИЭВ. Для улучшения 4-«корытные» чаще всего разносят на два этажа – пара лопастей внизу, а другая пара, повернутая на 90 градусов по горизонтали, над ними. КИЭВ сохраняется, и боковые нагрузки на механику слабеют, но изгибные несколько возрастают, и при ветре более 25 м/с у такой ВСУ на древке, т.е. без растянутого вантами подшипника над ротором, «срывает башню».

Дарье

Следующий – ротор Дарье; КИЭВ – до 20%. Он еще проще: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. Теория ротора Дарье еще недостаточно разработана. Ясно только, что начинает он раскручиваться за счет разности аэродинамического сопротивления горба и кармана ленты, а затем становится вроде как быстроходным, образуя собственную циркуляцию.

Вращательный момент мал, а в стартовых положениях ротора параллельно и перпендикулярно ветру вообще отсутствует, поэтому самораскрутка возможна только при нечетном количестве лопастей (крыльев?) В любом случае на время раскрутки нагрузку от генератора нужно отключать.

Есть у ротора Дарье еще два нехороших качества. Во-первых, при вращении вектор тяги лопасти описывает полный оборот относительно ее аэродинамического фокуса, и не плавно, а рывками. Поэтому ротор Дарье быстро разбивает свою механику даже при ровном ветре.

Во-вторых, Дарье не то что шумит, а вопит и визжит, вплоть до того, что лента рвется. Происходит это вследствие ее вибрации. И чем больше лопастей, тем сильнее рев. Так что Дарье если и делают, то двухлопастными, из дорогих высокопрочных звукопоглощающих материалов (карбона, майлара), а для раскрутки посередине мачты-древка приспосабливают небольшой ВС.

Ортогонал

На поз. 3 – ортогональный вертикальный ротор с профилированными лопастями. Ортогональный потому, что крылья торчат вертикально. Переход от ВС к ортогоналу иллюстрирует рис. слева.

Угол установки лопастей относительно касательной к окружности, касающейся аэродинамических фокусов крыльев, может быть как положительным (на рис.), так и отрицательным, сообразно силе ветра. Иногда лопасти делают поворотными и ставят на них флюгерки, автоматически держащие «альфу», но такие конструкции часто ломаются.

Центральное тело (голубое на рис.) позволяет довести КИЭВ почти до 50% В трехлопастном ортогонале оно должно в разрезе иметь форму треугольника со слегка выпуклыми сторонами и скругленными углами, а при большем количестве лопастей достаточно простого цилиндра. Но теория для ортогонала оптимальное количество лопастей дает однозначно: их должно быть ровно 3.

Ортогонал относится к быстроходным ветрякам с ОСС, т.е. обязательно требует раскрутки при вводе в эксплуатацию и после штиля. По ортогональной схеме выпускаются серийные необслуживаемые ВСУ мощностью до 20 кВт.

Геликоид

Геликоидный ротор, или ротор Горлова (поз. 4) – разновидность ортогонала, обеспечивающая равномерное вращение; ортогонал с прямыми крыльями «рвет» лишь немного слабее двухлопастного ВС. Изгиб лопастей по геликоиде позволяет избежать потерь КИЭВ из-за их кривизны. Хотя часть потока кривая лопасть и отбрасывает, не используя, но зато и загребает часть в зону наибольшей линейной скорости, компенсируя потери. Геликоиды используют реже прочих ветряков, т.к. они вследствие сложности изготовления оказываются дороже равных по качеству собратьев.

Бочка-загребушка

На 5 поз. – ротор типа ВС, окруженный направляющим аппаратом; его схема представлена на рис. справа. В промышленном исполнении встречается редко, т.к. дорогостоящий отвод земли не компенсирует прироста мощности, а материалоемкость и сложность производства велики. Но самодельщик, боящийся работы – уже не мастер, а потребитель, и, если нужно не более 0,5-1,5 кВт, то для него «бочка-загребушка» лакомый кусок:

Ротор такого типа абсолютно безопасен, бесшумен, не создает вибраций и может быть установлен где угодно, хоть на детской площадке.

Согнуть «корыта» из оцинковки и сварить каркас из труб – работа ерундовая.

Вращение – абсолютно равномерное, детали механики можно взять самые дешевые или из хлама.

Не боится ураганов – слишком сильный ветер не может протолкнуться в «бочку»; вокруг нее возникает обтекаемый вихревой кокон (мы с этим эффектом еще столкнемся).

А самое главное – поскольку поверхность «загребушки» в несколько раз больше таковой ротора внутри, КИЭВ может быть и сверхединичным, а вращательным момент уже при 3 м/с у «бочки» трехметрового диаметра такой, что генератору на 1 кВт с предельной нагрузкой, как говорится, лучше и не дергаться.

Видео: ветрогенератор Ленца

В 60-х в СССР Е. С. Бирюков запатентовал карусельную ВСУ с КИЭВ 46%. Немного позже В. Блинов добился от конструкции на том же принципе КИЭВ 58%, но данных о ее испытаниях нет. А натурные испытания ВСУ Бирюкова были проведены сотрудниками журнала «Изобретатель и рационализатор». Двухэтажный ротор диаметром 0,75 м и высотой 2 м при свежем ветре раскручивал на полную мощность асинхронный генератор 1,2 кВт и выдерживал без поломки 30 м/с. Чертежи ВСУ Бирюкова приведены на рис.

ротор из кровельной оцинковки;

самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;

ванты – 5 мм стальной трос;

ось-древко – стальная труба с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;

рычаги аэродинамического регулятора оборотов;

лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или листовой пластик;

тяги регулятора оборотов;

груз регулятора оборотов, его вес определяет частоту вращения;

ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;

подпятник – упорно-опорный подшипник;

ведомый шкив – штатный шкив генератора;

генератор.

Бирюков на свою ВСУ получил сразу несколько авторских свидетельств. Во-первых, обратите внимание на разрез ротора. При разгоне он работает подобно ВС, создавая большой стартовый момент. По мере раскрутки во внешних карманах лопастей создается вихревая подушка. С точки зрения ветра, лопасти становятся профилированными, и ротор превращается в быстроходный ортогонал, причем виртуальный профиль меняется соответственно силе ветра.

Во-вторых, профилированный канал между лопастями в рабочем диапазоне скоростей работает как центральное тело. Если же ветер усиливается, то в нем также создается вихревая подушка, выходящая за пределы ротора. Возникает такой же вихревой кокон, как вокруг ВСУ с направляющим аппаратом. Энергия на его создание берется от ветра, и тому на поломку ветряка ее уже не хватает.

В-третьих, регулятор оборотов предназначен прежде всего для турбины. Он держит ее обороты оптимальными с точки зрения КИЭВ. А оптимум частоты вращения генератора обеспечивается выбором передаточного отношения механики.

Примечание: после публикаций в ИР за 1965 г. ВСУ Бирюкова канула в небытие. Ответа от инстанций автор так и не дождался. Судьба многих советских изобретений. Говорят, какой-то японец стал миллиардером, регулярно читая советские популярно-технические журналы и патентуя у себя все, заслуживающее внимания.

Лопастники

Как у сказано, по классике горизонтальный ветрогенератор с лопастным ротором – наилучший. Но, во-первых, ему нужен стабильный хотя бы средней силы ветер. Во-вторых, конструкция для самодельщика таит в себе немало подводных камней, из-за чего нередко плод долгих упорных трудов в лучшем случае освещает туалет, прихожую или крыльцо, а то и оказывается способен только раскрутить самого себя.

По схемам на рис. рассмотрим подробнее; позиции:

Фиг. А:

лопасти ротора;

генератор;

станина генератора;

защитный флюгер (ураганная лопата);

токосъемник;

шасси;

поворотный узел;

рабочий флюгер;

мачта;

хомут под ванты.

Фиг. Б, вид сверху:

защитный флюгер;

рабочий флюгер;

регулятор натяжения пружины защитного флюгера.

Фиг. Г, токосъемник:

коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;

подпружиненные меднографитовые щетки.

Примечание: ураганная защита для горизонтального лопастника диаметром более 1 м совершенно необходима, т.к. создать вокруг себя вихревой кокон он не способен. При меньших размерах можно добиться выносливости ротора до 30 м/с с лопастями из пропилена.

Итак, где нас ждут «спотыки»?

Лопасти

Рассчитывать добиться мощности на валу генератора более 150-200 Вт на лопастях любого размаха, вырезанных из толстостенной пластиковой трубы, как часто советуют – надежды беспросветного дилетанта. Лопасть из трубы (если только она не настолько толстая, что используется просто как заготовка) будет иметь сегментный профиль, т.е. его верхняя, или обе поверхности будут дугами окружности.

Сегментные профили пригодны для несжимаемой среды, скажем, для подводных крыльев или лопастей гребного винта. Для газов же нужна лопасть переменного профиля и шага, для примера см. рис.; размах – 2 м. Это будет сложное и трудоемкое изделие, требующее кропотливого расчета во всеоружии теории, продувок в трубе и натурных испытаний.

Генератор

При насадке ротора прямо на его вал штатный подшипник скоро разобьется – одинаковой нагрузки на все лопасти в ветряках не бывает. Нужен промежуточный вал со специальным опорным подшипником и механическая передача от него на генератор. Для больших ветряков опорный подшипник берут самоустанавливающийся двухрядный; в лучших моделях – трехъярусный, Фиг. Д на рис. выше. Такой позволяет валу ротора не только слегка изгибаться, но и немного смещаться из стороны в сторону или вверх-вниз.

Примечание: на разработку опорного подшипника для ВСУ типа EuroWind ушло около 30 лет.

Аварийный флюгер

Принцип его работы показывает Фиг. В. Ветер, усиливаясь, давит на лопату, пружина растягивается, ротор перекашивается, обороты его падают и в конце концов он становится параллельно потоку. Вроде бы все хорошо, но – гладко было на бумаге…

Попробуйте в ветреный день удержать за ручку параллельно ветру крышку от выварки или большой кастрюли. Только осторожно – вертлявая железяка может садануть по физиономbии так, что расквасит нос, рассечет губу, а то и выбьет глаз.

Плоский ветер бывает только в теоретических выкладках и, с достаточной для практики точностью, в аэродинамических трубах. Реально же ураган ветряки с ураганной лопатой корежит больше, чем вовсе беззащитные. Лучше все-таки менять исковерканные лопасти, чем делать заново все. В промышленных установках – другое дело. Там шаг лопастей, по каждой в отдельности, отслеживает и регулирует автоматика под управлением бортового компьютера. И делаются они из сверхпрочных композитов, а не из водопроводных труб.

Токосъемник

Это – регулярно обслуживаемый узел. Любой энергетик знает, что коллектор со щетками нужно чистить, смазывать, регулировать. А мачта – из водопроводной трубы. Не залезешь, раз в месяц-два придется весь ветряк валить на землю и потом опять поднимать. Сколько он протянет от такой «профилактики»?

Видео: лопастной ветрогенератор + солнечная панель для электроснабжения дачи

Мини и микро

Но с уменьшением размеров лопастника трудности падают по квадрату диаметра колеса. Изготовление горизонтальной лопастной ВСУ своими силами на мощность до 100 Вт уже возможно. Оптимальным будет 6-лопастный. При большем количестве лопастей диаметр ротора, рассчитанного на ту же мощность, будет меньше, но их окажется трудно прочно закрепить на ступице. Роторы о менее чем 6 лопастях можно не иметь в виду: 2-лопастнику на 100 Вт нужен ротор диаметром 6,34 м, а 4-лопастнику той же мощности – 4,5 м. Для 6-лопастного зависимость мощность – диаметр выражается следующим образом:

10 Вт – 1,16 м.

20 Вт – 1,64 м.

30 Вт – 2 м.

40 Вт – 2,32 м.

50 Вт – 2,6 м.

60 Вт – 2,84 м.

70 Вт – 3,08 м.

80 Вт – 3,28 м.

90 Вт – 3,48 м.

100 Вт – 3,68 м.

300 Вт – 6,34 м.

Оптимальным будет рассчитывать на мощность 10-20 Вт. Во-первых, лопасть из пластика размахом более 0,8 м без дополнительных мер защиты не выдержит ветер более 20 м/с. Во-вторых, при размахе лопасти до тех же 0,8 м линейная скорость ее концов не превысит скорость ветра более чем втрое, и требования к профилировке с круткой снижаются на порядки; здесь уже вполне удовлетворительно будет работать «корытце» с сегментным профилем из трубы, поз. Б на рис. А 10-20 Вт обеспечат питание планшетки, подзарядку смартфона или засветят лампочку-экономку.

Далее, выбираем генератор. Отлично подойдет китайский моторчик – ступица колеса для электровелосипедов, поз. 1 на рис. Его мощность как мотора – 200-300 Вт, но в режиме генератора он даст примерно до 100 Вт. Но подойдет ли он нам по оборотам?

Показатель быстроходности z для 6 лопастей равен 3. Формула для расчета скорости вращения под нагрузкой – N = v/l*z*60, где N – частота вращения, 1/мин, v – скорость ветра, а l – длина окружности ротора. При размахе лопасти 0,8 м и ветре 5 м/с получаем 72 об/мин; при 20 м/с – 288 об/мин. Примерно с такой же скоростью вращается и велосипедное колесо, так что свои 10-20 Вт от генератора, способного дать 100, мы уж снимем. Можно ротор сажать прямо на его вал.

Но тут возникает следующая проблема: мы, потратив немало труда и денег, хотя бы на моторчик, получили… игрушку! Что такое 10-20, ну, 50 Вт? А лопастный ветряк, способный запитать хотя бы телевизор, дома не сделаешь. Нельзя ли купить готовый мини-ветрогенератор, и не обойдется ли он дешевле? Еще как можно, и еще как дешевле, см. поз. 4 и 5. Кроме того, он будет еще и мобильным. Поставил на пенек – и пользуйся.

Второй вариант – если где-то валяется шаговый двигатель от старого 5- или 8-дюймового дисковода, или от привода бумаги или каретки негодного струйного или матричного принтера. Он может работать как генератор, и приделать к нему карусельный ротор из консервных банок (поз. 6) проще, чем собирать конструкцию наподобие показанной на поз. 3.

В целом по «лопастникам» вывод однозначен: самодельные – скорее для того, чтобы помастерить всласть, но не для реальной долговременной энергоотдачи.

Видео: простейший ветрогенератор для освещения дачи

Парусники

Парусный ветрогенератор известен давно, но мягкие полотнища его лопастей (см. рис.) начали делать с появлением высокопрочных износостойких синтетических тканей и пленок. Многолопастные ветряки с жесткими парусами широко разошлись по миру как привод маломощных автоматических водокачек, но их техданные ниже даже чем у каруселей.

Однако мягкий парус как крыло ветряка, похоже, оказался не так-то прост. Дело не в ветроустойчивости (производители не ограничивают максимально допустимую скорость ветра): яхсменам-парусникам и так известно, что ветру разорвать полотнище бермудского паруса практически невозможно. Скорее шкот вырвет, или мачту сломает, или вся посудина сделает «поворот оверкиль». Дело в энергетике.

К сожалению, точных данных испытаний не удается найти. По отзывам пользователей удалось составить «синтетические» зависимости для установки ВЭУ-4.380/220.50 таганрогского производства с диаметром ветроколеса 5 м, массой ветроголовки 160 кг и частотой вращения до 40 1/мин; они представлены на рис.

Разумеется, ручательств за 100% достоверность быть не может, но и так видно, что плоско-механистической моделью тут и не пахнет. Никак не может 5-метровое колесо на плоском ветре в 3 м/с дать около 1 кВт, при 7 м/с выйти на плато по мощности и далее держать ее до жестокого шторма. Производители, кстати, заявляют, что номинальные 4 кВт можно получить и при 3 м/с, но при установке их силами по результатам исследований местной аэрологии.

Количественной теории также не обнаруживается; пояснения разработчиков маловразумительны. Однако, поскольку таганрогские ВЭУ народ покупает, и они работают, остается предположить, что заявленные коническая циркуляция и пропульсивный эффект – не фикция. Во всяком случае, возможны.

Тогда, выходит, ПЕРЕД ротором, по закону сохранения импульса, должен возникнуть тоже конический вихрь, но расширяющийся и медленный. И такая воронка будет сгонять ветер к ротору, его эффективная поверхность получится больше ометаемой, а КИЭВ – сверхединичным.

Пролить свет на этот вопрос могли бы натурные измерения поля давления перед ротором, хотя бы бытовым анероидом. Если оно окажется выше, чем с боков в стороне, то, действительно, парусные ВСУ работают, как жук летает.

Самодельный генератор

Из сказанного выше ясно, что самодельщикам лучше браться или за вертикалки, или за парусники. Но те и другие очень медленные, а передача на быстроходный генератор – лишняя работа, лишние затраты и потери. Можно ли сделать эффективный тихоходный электрогенератор самому?

Да, можно, на магнитах из ниобиевого сплава, т. наз. супермагнитах. Процесс изготовления основных деталей показан на рис. Катушки – каждая из 55 витков медного 1 мм провода в термостойкой высокопрочной эмалевой изоляции, ПЭММ, ПЭТВ и т.п. Высота обмоток – 9 мм.

Обратите внимание на пазы под шпонки в половинах ротора. Они должны быть расположены так, чтобы магниты (они приклеиваются к магнитопроводу эпоксидкой или акрилом) после сборки сошлись разноименными полюсами. «Блины» (магнитопроводы) должны быть изготовлены из магнитомягкого ферромагнетика; подойдет обычная конструкционная сталь. Толщина «блинов» – не менее 6 мм.

Вообще-то лучше купить магниты с осевым отверстием и притянуть их винтами; супермагниты притягиваются со страшной силой. По этой же причине на вал между «блинами» надевается цилиндрическая проставка высотой 12 мм.

Обмотки, составляющие секции статора, соединяются по схемам, также приведенным на рис. Спаянные концы не должны быть натянуты, но должны образовывать петли, иначе эпоксидка, которой будет залит статор, застывая, может порвать провода.

Заливают статор в изложнице до толщины 10 мм. Центрировать и балансировать не нужно, статор не вращается. Зазор между ротором и статором – по 1 мм с каждой стороны. Статор в корпусе генератора нужно надежно зафиксировать не только от смещения по оси, но и от проворачивания; сильное магнитное поле при токе в нагрузке будет тянуть его за собой.

Видео: генератор для ветряка своими руками

Вывод

И что же мы имеем напоследок? Интерес к «лопастникам» объясняется скорее их эффектным внешним видом, чем действительными эксплуатационными качествами в самодельном исполнении и на малых мощностях. Самодельная карусельная ВСУ даст «дежурную» мощность для зарядки автоаккумулятора или энергоснабжения небольшого дома.

А вот с парусными ВСУ стоит поэкспериментировать мастерам с творческой жилкой, особенно в мини-исполнении, с колесом 1-2 м диаметром. Если предположения разработчиков верны, то с такого можно будет снять, посредством описанного выше китайского движка-генератора, все его 200-300 Вт.
Андрей сказал(а):

Спасибо за вашу бесплатную консультацию…А цены “от фирм”не реально дороги,и я думаю,что мастеровые люди из глубинки смогут сделать генераторы подобные вашему.А аккамуляторы Li-po можно выписать из Китая,инверторы в Челябинске делают очень хорошие (с плавным синусом).А паруса,лопасти или роторы – это очередной повод для полёта мысли наших рукастых Русских мужиков.

Иван сказал(а):

вопрос:
Для ветряков с вертикальной осью(позиция 1) и варианта “Ленца” возможно добавить дополнительную деталь – крыльчатку,выставляющуюся по ветру, и закрывающую от него же бесполезную сторону(идущую в сторону ветра). То есть ветер будет не лопасть тормозить, а этот “экран”. Постановка по ветру “хвостом”, находящимся за самим ветряком ниже и выше лопостей(гребней). Читал статью и родилась идея.

Нажимая кнопку «Добавить комментарий», я соглашаюсь с сайта.