Принцип работы ветрогенератора

Какие ветрогенераторы самые эффективные

ГоризонтальныеВертикальные
Такой вид оборудования получил наибольшую популярность, в нем ось вращения турбины располагается параллельно земле. Подобные ветрогенераторы часто называют ветряными мельницами, в них обороты лопастей осуществляются против потока ветра. Конструкция оборудования включает в себя систему для автоматического прокручивания головной части. Она требуется для поиска ветрового потока. Также необходимо устройство для поворота лопастей, чтобы для выработки электроэнергии использовать даже небольшую силу.

Применение такого оборудования более целесообразно на промышленных предприятиях, чем в быту. На практике они чаще используются для создания систем ветроэлектростанций.

Устройства такого типа на практике менее эффективны. Вращение лопастей турбины осуществляется параллельно поверхности земли независимо от силы ветра и его вектора. Направление потока также не играют роли, при любом воздействии вращательные элементы прокручиваются против него. В результате этого ветровой генератор теряет часть мощности, что приводит к снижению энергоэффективности оборудования в целом. Но в плане установки и обслуживания агрегаты, в которых лопасти расположены вертикально, более подходят для домашнего использования.

Это связано с тем, что редукторный узел и генератор монтируются на земле. К минусам такого оборудования следует отнести дорогостоящую установку и серьезные эксплуатационные затраты. Для монтажа генератора потребуется достаточно места. Поэтому использование вертикальных устройств более целесообразно в небольших частных хозяйствах.

ДвухлопастныеТрехлопастныеМноголопастные
Данный тип агрегатов характеризуется наличием двух элементов вращения. Этот вариант практически неэффективен сегодня, но достаточно распространен за счет своей надежности.Этот вид оборудования является самым распространенным. Трехлопастные агрегаты используются не только в сельских хозяйствах и промышленности, но и в частных домовладениях. Этот тип оборудования получил распространение благодаря надежности и эффективности.Последние могут иметь от 50 и более элементов вращения. Чтобы обеспечить выработку нужного объема электроэнергии, надо не само прокручивание лопастей, а вывод на необходимое число оборотов. Наличие каждой дополнительного элемента вращения обеспечивает увеличение параметра общего сопротивления ветрового колеса. В результате этого выход оборудования на необходимое количество оборотов будет проблематичным.

Карусельные устройства, оборудованные множеством лопастей, начинают вращение при небольшой силе ветра. Но их применение более актуально, если играет роль непосредственно сам факт прокручивания, к примеру, когда требуется перекачка воды. Чтобы эффективно обеспечить выработку большого количества энергии, многолопастные агрегаты не используются. Для их функционирования требуется установка редукторного устройства. Это не только усложняет всю конструкцию оборудования в целом, но и делает ее менее надежной по сравнению с двух- и трехлопастными.

С жесткими лопастямиПарусные агрегаты
Стоимость таких агрегатов более высокая за счет дороговизны производства деталей вращения. Но по сравнению с парусным оборудованием, генераторы с жесткими лопастями более надежны и характеризуются высоким ресурсом эксплуатации. Поскольку в воздухе содержится пыль и песок, на элементы вращения воздействует высокая нагрузка. При работе оборудования в стабильных условиях, ему требуется ежегодная замена антикоррозийной пленки, которая наносится на концы лопастей. Без этого элемент вращения со временем начинает терять свои рабочие свойства.Такой тип лопастей более прост в плане производства и менее затратный, по сравнению с металлом либо стеклопластиком. Но экономия при изготовлении может привести к серьезным расходам в будущем. При диаметре ветрового колеса в три метра скорость движения конца лопасти может составить до 500 км/ч, когда обороты оборудования составляют около 600 в минуту. Это — серьезная нагрузка даже для жестких деталей. Практика показывает, что элементы вращения на парусном оборудовании приходится менять часто, особенно если сила ветра высокая.

В соответствии с разновидностью роторного механизма все агрегаты можно разделить на несколько видов:

  • ортогональные устройства Дарье;
  • агрегаты с роторным узлом Савониуса;
  • устройства с вертикально-осевой конструкцией агрегата;
  • оборудование с геликоидным типом роторного механизма.

Как сделать своими руками

Умея работать с различным ручным инструментом и приняв решение построить ветровой генератор своими силами, лопасти такого устройства, также можно изготовить самостоятельно. В этом случае выбор материала, используемого для изготовления, зависит от имеющегося в наличии, и это могут быть следующие варианты:

Из ПВХ трубы

В этом случае используются трубы, используемые для сетей канализации или водопровода, большого диаметра и обладающие высокой прочностью, что обусловлено их применением в сетях с избыточным давлением.

Расчет формы лопасти произвести самостоятельно довольно таки сложно, поэтому оптимальный вариант, это найти шаблон требуемого размера. Для этого можно воспользоваться специализированной литературой, журналами или интернет ресурсами, в которых приводится большое количество разнообразных по конфигурации и геометрическим размерам изделий.

По шаблону, на поверхности трубы, наносятся размеры, после чего, при помощи режущего инструмента, выполняется выпиливание лопастей, как на ниже приведенном рисунке.

Боковые грани зачищаются, удаляются заусеницы и неровности. После изготовления требуемого количества, лопасти соединяются в единый блок и помещаются на вал ветрового генератора.

Из стеклопластика

При использовании стеклопластика (стекловолокна), вначале из дерева изготавливается шаблон, по которому в дальнейшем, и изготавливаются элементы лопастей. Как правило, в этом случае, они делаются полыми, при необходимости возможна установка усиливающих лонжеронов и заполнении пустот различными компонентами.

При создании шаблона, поверхность лопасти условно делится по горизонтальной оси, после чего получается шаблон нижней и шаблон верхней частей. По изготовленному основанию (шаблону), который можно назвать матрицей, изготавливаются отдельные элементы лопасти. Для этого по матрице, с использованием эпоксидной смолы и отвердителя, наносятся несколько слоев стекловолокна, которое должно затвердеть. После застывания, внутрь поверхности изготавливаемого изделия, устанавливаются лонжероны и уплотнитель (в хвостовую часть). Уплотнитель укладывается в случае необходимости, что должно быть подтверждено соответствующим расчетом или обоснованием, приведенном в технической литературе, где был взят шаблон.

Изготовленные части соединяются между собой при помощи клея, в комлевой части, монтируется хвостовик, с помощью которого лопасть крепится к валу ветрового генератора.

При выполнении работ потребуется следующий инструмент:

  • Ножовки различного типа, в зависимости от используемого материала;
  • Ножницы по металлу или ручной электрический инструмент (лобзик, «болгарка» и т.д.);
  • Маркеры и чертилки, используемые для разметки изготавливаемых деталей;
  • Абразивные материалы: наждачная бумага, шлифовальные круги для углошлифовальной машинки, напильники – используемые для обработки поверхностей.

Достоинства турбинной ветроустановки

Ветрогенератор турбинной конструкции имеет существенные преимущества над ветряками иных конструкций.

  1. Высокая чувствительность к ветру. Минимальная скорость ветра для приведения лопастей в движение от 2 м/с; ветрякам иного типа нужна скорость ветра от 4 м/с.
  2. Генератор способен работать при ураганных скоростях ветра (до 60 м/с). Большинство других ветряков работает до 25-30 м/с.
  3. Коэффициент полезного действия ветряного турбогенератора почти вдвое превышает КПД ветряка, имеющего незащищенные лопасти. За счет сопельной конструкции обтекателя, турбинный ветряк значительно мощнее агрегатов иных конструкций.
  4. Турбоустановка безопасна для птиц и летучих мышей. Ветряки с открытыми лопастями часто становятся причиной гибели летающих животных, которые не способны определить границы опасной зоны. Ветроустановку турбинной конструкции летучие мыши и птицы идентифицируют как единое препятствие и успешно ее огибают.
  5. Ветряки большинства конструкций производят много шума, при определенных скоростях ветра генерируют инфразвук, поэтому их нельзя ставить вблизи жилых домов, ферм, лесных хозяйств. Турбинные установки не продуцируют инфразвук, губительный для людей и животных. Их можно устанавливать рядом с жилым домом. Турбинные ветряки не провоцируют искусственную миграцию животных.
  6. Меньшая, по сравнению с лопастными, стоимость производства. Изготовление свободных лопастей – сложный, дорогостоящий процесс. Их отсутствие заметно удешевляет и упрощает производство установки.
  7. Легкость и быстрота монтажа. Комплектующие турбогенератора производят на заводе; там же осуществляется сборка основных блоков. Установка включает лишь компоновку, соединение блоков, крепление ее к опоре. Монтаж происходит при помощи стандартных подъемников.
  8. Легкость обслуживания. Сервисное обслуживание турбинных ветряков значительно проще и дешевле, чем лопастных. При правильной эксплуатации установки, периодическом грамотном сервисном обслуживании, срок эксплуатации достигает 50 лет.
  9. Ветросиловая установка турбинного типа, в отличие от классических ветряков, не мешает летчикам и диспетчерам летных служб, не обнаруживается радарами ПВО, не создает угрозы национальной безопасности.

Лопасти

  1. Крыльчатого вида.
  2. Парусного типа.

Парусные – плоские, это менее продуктивная схема. Они не учитывают аэродинамические силы, а вращаются только под напором ветряного потока.

Только 10 % энергии ветра будет преобразована в электрическую.

У крыльчатого типа наружные и внутренние поверхности различаются по площади

Также важно расположить лопасти под углом 6-10 ° к ветру.

Какой материал использовать на лопасти

На старинных мельницах изготавливался тонкий деревянный каркас из жердей с перемычками, на который натягивались полотняные «крылья». Когда ткань ветшала, её заменяли. Как вариант, можно использовать плотные материалы, такие, как брезент.

Но есть и альтернативы, как можно сделать лопасти для ветрогенератора своими руками:

Для небольшого пропеллера можно сделать пластиковые лопасти, разрезав на части трубу ПВХ.
«Паруса» вырезают из фанеры.
Крупный агрегат можно снабдить лопастями из деревянных досок (не важно, что каждая лопасть будет тяжёлой, главное, чтобы они уравновешивали друг друга).
Можно использовать лёгкий металл, например дюралюминий.

Если ветер в местности порывистый, предпочтительнее делать увесистые лопасти, тогда система будет работать более стабильно.

Диаметр используемой трубы должен ровняться пятой части её длины. Отрезок разрезается вдоль на 4 части, в основании вырезается квадрат 5х5 (это будет место крепления), а затем делается косой срез, заужающий лопасть от основания к концу. Рваный край обрабатывается наждаком.

Делаем ветряк своими руками

1. Лопасти для ветряка

Ветряное колесо представляет собой самый значимый элемент конструкции устройства. Он осуществляет преобразование силы ветра в механическую энергию. Таким образом, от его строения зависит подбор всех остальных элементов.

Наиболее распространенных и эффективные типы лопастей  — парусное и крыльчатое. Для изготовления первого варианта необходимо зафиксировать на оси лист материала, разместив под углом к ветряному потоку. Однако при вращательных движениях такая лопасть будет обладать значительным аэродинамическим противодействием. К тому же оно будет увеличиваться с возрастанием атакующего угла, что снижает эффективность их функционирования.

С более высокой продуктивностью работает второй тип лопастей – крыльчатые. По своим очертаниям они походят на крыло самолета, а издержки силы трения сведены к минимальным значениям. Такой тип ветряного движка обладает высоким коэффициентом использования энергии ветра при низких затратах материалов.

Лопасти можно изготовить из пластмассы или пластиковой трубы, поскольку она будет более продуктивна по сравнению с древесиной. Наиболее эффективной является структура ветряного колеса с диаметром в два метра и шестью лопастями.

2. Генератор для ветряка

Наиболее приемлемым вариантом для ветрогенерирующего оборудования является преобразующий асинхронный генерирующий механизм с переменным током. Его основными преимуществами являются невысокая стоимость, легкость приобретения и широта распространения моделей, возможность переоборудования и замечательное функционирование на низких оборотах.

Он может быть трансформирован в генератор с постоянными магнитами. Исследования показали, что такое устройство может эксплуатироваться на маленьких скоростях, но при этом быстро теряет эффективность на ее высоких значениях.

3. Крепление для ветряка

Для фиксации лопастей к обшивке генератора необходимо применить головку ветродвигателя, представляющую собой стальной диск с толщиной до 10 мм. К нему привариваются шесть металлических полосок с отверстиями для закрепления к ним лопастей. Сам диск прикрепляется к генерирующему механизму с использованием болтиков с контргайками.

Так как генерирующее устройство способно выдерживать максимальные нагрузки, в том числе и от гироскопических сил, его нужно крепко закрепить. На устройстве генератор устанавливается с одной стороны, для этого вал нужно соединить с корпусом, который выглядит как стальной элемент с резьбовыми отверстиями для накручивания на ось генератора такого же диаметра.

Для производства опорной рамы ветрогенерирующего оборудования, на которой будут размещаться все остальные элементы, необходимо применить металлическую пластину с толщиной до 10 мм или кусок балки таких же размеров.

4. Поворотный узел ветрогенератора

Поворотный механизм обеспечивает вращательные движения ветряка вокруг вертикальной оси. Таким образом, он дает возможность поворачиваться устройству по направлению ветра. Для его изготовления лучше воспользоваться роликоподшипниками, которые более эффективно воспринимают осевые нагрузки.

5. Приемник тока

Токоприемник функционирует для обеспечения снижения вероятности перекручивания и обрыва проводов, идущих от генератора на ветряке. Он содержит в своей конструкции втулку, произведенную из изоляционной материи, контактов и щеточек. Для создания защищенности от погодных явлений контактные узлы приемника тока должны быть закрытыми.

О безопасности

Вопрос безопасности использования ветрогенератора непрост. Лопасти ветряка при высоких скоростях и больших размерах способны причинить серьезные травмы, вплоть до летального исхода. Кроме того, высокие мачты опасны при возникновении сильного ветра, поскольку могут опрокинуться на жилые дома, людей, оказавшихся поблизости, причинить вред имуществу или постройкам.

При этом, большинство противников ветроэнергетики находят проблемы не там, где они есть. Существует масса утверждений о вреде устройств:

  • наличие шума
  • вибрация
  • мерцающая тень, способствующая нервно-психическим расстройствам
  • магнитный фон
  • помехи радио- и телевизионным приемникам
  • непереносимость установок животными, опасность для птиц

Большинство из этих утверждений — следствие надуманных противниками автономных источников питания аргументов. Они имеют место, но величина проблем настолько не соответствует действительности, что эти проблемы попросту не заслуживают времени на обсуждение. Если ветрогенераторы и представляют опасность, то лишь для представителей ресурсоснабжающих компаний, не желающих терять клиентов.

Тем не менее, мощные промышленные установки, использующиеся в составе крупных электростанций, способны создавать неудобства для жителей, что доказано в американском суде. Ветряки продуцировали инфразвук, вызывавший расстройства здоровья у индейцев, живших в резервации на расстоянии 200 км. Однако, учитывая размеры и мощность частного ветряка, говорить о вреде от него незачем.

Идеи сооружения головы чучела своими рукам в фотографиях

Голова является одним из основных элементов фигуры садовника, которую он сам сделал. Классическим вариантом является сумка, полная соломы. Для изготовления наполненных голов они берут руками полиэтиленовый пакет, заполняют его легким материалом (соломой, синтезатором, пенопластовыми заготовками), эластичными колготками или футболкой сверху.

Менее распространена голова из пятилитровой пластиковой бутылки. Бак переворачивается вверх ногами, помещается на головной убор и лицо вытягивается.

Оригинальным фаршированным животным, которое вы делаете собственными руками, будет цветочный горшок с лицом, а не головой.

Потрясающе подарит чучело человеку тыкву с вырезанными глазами и ртом.

Кстати, можно использовать старую кукольную голову или устаревшую кукольную голову для фаршированной куклы.

Красивое чучело, сделанное собственными руками, — это хороший подход к созданию фигуры с душой, и воображение расскажет вам, как создать неповторимый и оригинальный образ.

Основные элементы конструкции

Несмотря на большое разнообразие ветрогенераторов и способов их изготовления, все они состоят из одинаковых конструктивных элементов.

Ветровое колесо

Лопасти считаются одним из важнейших элементов ветровой установки. Их конструкция влияет на работу других узлов генератора. Для изготовления лопастей применяются различные материалы.

Перед изготовлением нужно выполнить расчеты длины лопасти. Если для изготовления берется труба, то ее диаметр должен быть не менее 20 см, при запланированной длине лопасти в 1 метр. Далее труба разрезается на 4 части с помощью лобзика. Одна часть используется для изготовления шаблона, по которому вырезаются остальные лопасти. После этого они собираются на общем диске, и вся конструкция закрепляется на валу генератора. Собранное ветровое колесо необходимо отбалансировать. Балансировка должна выполняться в помещении, закрытом от ветра. Если операция проведена правильно, колесо не будет самопроизвольно вращаться. В случае самопроизвольного вращения лопастей, они подтачиваются до тех пор, пока вся конструкция не придет в равновесие. В самом конце проверяется точность вращения лопастей. Они должны вращаться в одной плоскости, без каких-либо перекосов. Допустимая погрешность составляет 2 мм.

Мачта

Следующим элементом конструкции ветрогенератора является мачта. Чаще всего она изготавливается из старой водопроводной трубы, диаметр которой должен быть не 15 см, а длина – до 7 метров. Если в радиусе 30 метров от запланированного места установки имеются какие-либо сооружения или постройки, в этом случае высота мачты увеличивается.

Для того чтобы вся установка работала максимально эффективно, колесо с лопастями поднимается выше окружающих препятствий не менее чем на 1 метр. После установки основание мачты и колышки для крепления растяжек заливаются бетоном. В качестве растяжек рекомендуется использовать оцинкованный трос, диаметром 6 мм.

Генератор

Для ветровой установки можно использовать любой автомобильный генератор, желательно с более высокой мощностью. Они все обладают идентичной конструкцией и требуют переделки. Подобная переделка автомобильного генератора для ветряка предполагает перемотку проводника статора, а также изготовление ротора с использованием неодимовых магнитов. Чтобы их надежно зафиксировать, требуется высверлить отверстия в полюсах ротора. Установка магнитов выполняется с чередованием полюсов. Сам ротор оборачивается бумагой, а все пустоты, образующиеся между магнитами, заливаются эпоксидной смолой.

В процессе наклейки магнитов должна соблюдаться их полярность. Поэтому ротор подключается к источнику питания. Включенный ротор создает магнитное поле и каждый магнит приклеивается на свое место той стороной, которая притягивается.

Для подключения ротора можно использовать любой блок питания, напряжением 12 вольт и силой тока от 1 до 3 ампер. Подключение осуществляется таким образом, что съемное кольцо, расположенное ближе к клыкам, является минусом, а положительная сторона располагается ближе к концу ротора. Магниты, установленные в промежутки ротора или клыки, вызывают самовозбуждение генератора, и это считается их основной функцией.

В самом начале вращения ротора, магниты начинают возбуждать ток в генераторе, который также поступает на катушку, приводя к увеличению магнитных полей клыков. В результате, генератор выдает ток с еще большей величиной. Получается своеобразный круговорот тока, когда происходит возбуждение генератора и дальнейшее питание собственного ротора, на который установлены электромагнитные полюса. Собранный генератор необходимо опробовать и произвести измерения полученных выходных данных. Если агрегат при 300 оборотах выдает примерно 30 вольт, то это считается нормальным результатом.

Для горизонтального ветрогенератора

Прежде чем мы начнём своими руками что-то делать, нужно немного поработать мозгами и определиться с мощностью станции, на которую будет работать ветряк. Это основополагающий показатель, от которого будет зависеть количество лопастей и их длина. В таблице, которая находится ниже показано, как диаметр винта зависит от количества крыльев и требуемой мощности.

Мощность, ВтДиаметр ветроколеса при числе лопастей, м
234567
1021,641,421,1610,72
202,822,3221,641,421
303,442,821,4421,721,22
4043,282,842,3221,42
504,483,683,182,61,241,58
604,943,482,842,441,74
705,34,343,763,082,641,88
805,664,6443,282,822
9064,924,263,4832,12
1006,345,24,53,683,162,24
30010,948,987,766,345,463,88
5001411,489,948,1675

Выбор материала

Будем  считать, что трубы из ПВХ являются самым подходящим материалом из того, что может быть под руками. Но не каждая труба подойдёт. Если напор ветра будет очень сильным, он может выгнуть лопасти ветряка в обратную сторону и обломать их о мачту, на которой тот закреплён. Поэтому трубы следует выбирать толстостенные, подойдут канализационные или газовые.

Изготавливать будем универсальную лопасть. Сделать её несколько сложнее, чем обычные лопасти крыльчатого профиля. При этом её полезный коэффициент гораздо больше, чем у обычных лопастей. Это хорошо видно, если сравнить предыдущую таблицу с рабочей таблицей этой лопасти.

Внешний диаметр трубы, мм110
Масса погонного метра трубы, кг1,05
Диаметр винта, м1,2
Быстроходность3,5
Количество лопастей3
Номинальная скорость ветра, м/с7
Степень торможения0,33
Жуковский/Сабинин 0/11
Коэффициент коррекции Су0,9
Скорость руления, рад/сек0,5
Стартовая скорость ветра, м/с5
Масса лопасти, кг0,08
Обороты, об/мин389,94
Мощность, вт68,06
Осевая сила на винт, н12,32
компенсирующий прогиб, м0,057
КИЭВ0,2924
Компенсирующий угол конусности, градусов6,72
Центробежная сила лопасти, н42
Изгибающий а/д момент в корне лопасти, н*м1,76
Гироскопический момент в корне лопасти, н*м0,40
Гироскопическая сила в корне лопасти, н1,02
Стартовый момент, н*м0,082
Момент инерции винта Кг*м*м0,0328311

Видим, что из труб небольших диаметров 110-160 мм такие лопасти имеет очень хороший КИЭВ 0,3 при быстроходности от 3,5 до 5,5. На колёсах, где винт диаметром более трёх метров, КИЭВ вырастает до 0,4 и выше. Увеличивается и быстроходность.

Расчеты

Рассчитать параметры такой лопасти для ветряка можно самостоятельно. В основе всех расчётов лежит диаметр трубы. Первое, что мы делаем, делим окружность трубы на 5. То есть окружность 110/5 получаем 22 мм. Чертим на трубе линию от одного конца до другого. Это отправной пункт, на который будут наноситься размеры будущей лопасти для ветряка. Наносим размеры:

  1. Нулевая отметка, точка А. Умножаем 22 мм на 2, получаем 44 мм. Это ширина лопасти ветрогенератора от её корня к фронту.
  2. Точка Б будет лежать на расстоянии 15% от 0. Здесь 22 мм умножаются на 4, что равняется 88 мм ширины лопасти для ветряка от её корня до фронта.
  3. Точка В. На этой отметке 22 мм увеличиваются в 2,5 раза, что даёт нам ширину лопасти ветрогенератора в 55 мм, на расстоянии 50%.
  4. Четвёртая точка Г, противоположная 0, так как является концом лопасти для ветряка, но с такой же в шириной 44 мм.

Схематично это должно выглядеть так, как показано на фото.

Очень важно сохранить размер и углы лопасти для ветряка, согласно заданным параметрам, во время вырезания и шлифовки краёв. Затем по всей её длине, отступив от корня 22 мм, надо будет прочертить ещё одну линию

По ней будут сверлиться отверстия для крепления рабочего крыла на винт.

Сложного ничего нет. Шаблон такой лопасти хорошо применяется к различным диаметрам труб. Её можно делать длиннее или короче, в зависимости от трубы. Чем больше нужен КИЭВ, тем длиннее должны быть лопасти. Соответственно диаметр трубы тоже должен быть больше. Но предварительно, лучше, конечно, произвести расчёты в зависимости от мощности электрогенератора.

https://youtube.com/watch?v=I9MLnopzJQM

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий