Вертикальный ветрогенератор виды ветряков с вертикальной осью вращения делаем своими руками по чертежам российского и другого производства

Основные понятия

1. КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
2. КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
3. Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
4. 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.
5. Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
6. 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.
7. Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
8. Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
9. Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
10. Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
11. 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.
12. 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.

Преимущества и принцип работы ветряков

Современный вертикальный генератор, способный преобразовать порывы ветра в энергетический ресурс, имеет целый комплекс интересных преимуществ. Для корректной работы он не нуждается в дополнительных устройствах, определяющих направление ветра.

Прибор вертикального типа функционирует на низкой высоте. Для его обслуживания не нужны различные приспособления, обеспечивающие безопасное проведение высотных ремонтных и обслуживающих работ.

Минимум движущихся деталей делает ветряную установку более надежной и эксплуатационно устойчивой. Оптимальный профиль лопастей и оригинальной формы ротор обеспечивают агрегату высокий уровень КПД независимо от того, в каком направлении дует ветер в каждый отдельный момент.

Генератор работает абсолютно бесшумно, не мешает хозяевам и соседям, не создает вредных выбросов в атмосферу и надежно служит в течение многих лет, аккуратно поставляя энергию в жилые помещения.

Вертикальный генератор ветрового типа работает по принципу магнитной левитации. В процессе вращения турбин образуются импульсная и подъемная силы, а также сила фактического торможения. Первые две заставляют крутиться лопасти агрегата. Это действие активирует ротор и он создает магнитное поле, вырабатывающее электричество.

Прибор функционирует полностью самостоятельно и не требует вмешательства хозяев в процесс.

Российские производители ветрогенераторов

Между ветроулавливающими устройствами вертикального типа есть некоторая конструкционная разница. Она не делает агрегаты лучше или хуже, а просто позволяет подобрать самый удобный вариант для выполнения конкретных задач в определенной местности.

Конструкционно ортогональный ветряной генератор состоит из прочной оси вертикального вращения и нескольких параллельных лопастей, удаленных от центровой основы на определенное расстояние.

Прибор не нуждается в дополнительных направляющих механизмах и нормально работает, независимо от направления ветра. Вертикально расположенный главный вал дает возможность размещать приводное оборудование на уровне земли, что существенно облегчает эксплуатацию, ремонт и техническое обслуживание.

К минусам ортогональных приборов относятся слишком массивная лопастная система и низкая эффективность по сравнению с КПД горизонтально-осевых модулей.

Ветряной генератор, оснащенный ротором Дарье, имеет вертикальную ось вращения и 2-3 плоские полосы-лопасти без характерного аэродинамического профиля, закрепленные у основания и на верхушке оси вращения. Агрегат в своей работе не ориентируется на силу или направление ветра, имеет высокую скорость вращения и допускает расположение приводных устройств на земле, что облегчает и ускоряет процесс планового обслуживания и возможного ремонта.

Опорные и вращающиеся узлы прибора с ротором Дарье уязвимы к повышенным динамическим нагрузкам, а эффективность лопастной системы по многим параметрам уступает осевым горизонтальным установкам.

Вертикальный ветряной прибор с ротором Савониуса имеет полуцилиндрическую лопастную систему и от аналогичных установок отличается высоким пусковым крутящим моментом и способностью эффективно работать при низкоскоростных ветрах.

В упрек вертикальному комплексу с ротором Савониуса ставят повышенную материалоемкость и более низкий КПД по сравнению с ветрогенераторами горизонтальноосевого типа. Именно поэтому выпуск высокомощного оборудования такого класса считают не целесообразным.

Этот вид прибора – усовершенствованная версия классического ортогонального ветрогенератора. Роторный комплекс здесь состоит из лопастей, расположенных в два ряда. Внешний лопастной ярус остается статичным и работает как направляющий аппарат. Он улавливает ветряной поток, захватывает его, сжимает и таким способом заметно увеличивает фактическую скорость ветра.

Внутренний ряд лопастей представляет собой подвижную структуру, на которую под определенным углом попадает воздухопоток от первой роторной установки.

Специалисты называют этот тип прибора максимально эффективным в своем классе и подчеркивают, что специфическая конструкция позволяет ему работать даже при максимально низких скоростях ветра.

Геликоидная ветряная установка или генератор Горлова – еще одна модификация традиционной ортогональной роторной системы. Лопасти модели закручены по дуге. Эта конструкционная особенность дает возможность быстро улавливать поток воздуха и плавно вращаться без рывков. Такой принцип работы существенно снижает динамическую нагрузку на основание и подвижные узлы, тем самым увеличивая срок их службы.

Закрученные роторные лопасти для геликоидного ветряка делают по очень прогрессивной, но сложной технологии. Из-за этого агрегаты имеют достаточно высокую стоимость и не пользуются широкой популярностью у частных потребителей.

Главное отличие вертикально-осевого генератора – это вертикально расположенные лопасти, по профилю напоминающие авиационное крыло, чья ось четко параллельна вертикальному валу. Конструкция чем-то напоминает ротор Дарье, но в производственных условиях изготовляется значительно быстрее и проще.

Ветряки с ротором вертикально-осевого типа отличаются надежностью и долговечностью, легко выдерживают значительные эксплуатационные нагрузки и не стоят слишком больших денег. Эти качества делают их актуальными для использования не только в промышленных, но и в бытовых целях.

Правильный выбор места для установки ветрогенератора – очень важный и ответственный этап. Лучше всего разместить прибор на открытой максимально высокой точке и тщательно проследить, чтобы он не оказался ниже уровня прилегающих жилых и хозяйственных построек. Иначе здания станут препятствием для потока воздуха и КПД агрегата существенно снизится.

Если участок выходит к реке или озеру, ветряк размещают на берегу, где ветры дуют особенно часто. Прекрасно подходят для расположения генератора возвышенности, имеющиеся на территории, или большие пустые пространства, на которых нет искусственных или естественных преград для воздухопотока.

Когда жилая недвижимость (дом, коттедж, квартира и пр.) находится в черте города или располагается за городом, но в местах плотной застройки, ветряной энергетический комплекс ставят на кровле. Для размещения генератора на крыше многоквартирного дома берут письменное согласие соседей и получают официальное разрешение из соответствующих инстанций.

В частном доме, имеющем большой приусадебный участок, выбрать подходящее место гораздо проще. Главное, учесть, чтобы конструкция находилась на расстоянии 15-25 метров от жилых помещений. Тогда звуковые эффекты от вращающихся лопастей никого не побеспокоят.

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.

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.

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.

Детали самодельного генератора на супермагнитах

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.

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.

Вжелто-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».

Собственноручное изготовление ветряка

Создать ветрогенератор с вертикальной осью вращения в домашних условиях своими руками не слишком сложно. Достаточно приобрести обязательные составляющие детали, собрать их в правильном порядке и установить модуль на выбранное место. Как только появится минимальный ветерок, изделие заработает и начнет давать владельцам необходимую энергию.

Для изготовление ветряного вертикального генератора своими руками нужны такие комплектующие, как:

• ротор – подвижная часть агрегата:
• лопасти – детали, улавливающие ветряной поток;
• осевая мачта – для крепления ротора и лопастей (может иметь форму длинного шеста, пирамиды или треноги);
• статор – предназначается для размещения катушки с прочной медной проволокой;
• аккумулятор – вместительная емкость для накопления полученного ресурса;
• инвертор – устройство для преобразования постоянного тока в переменный;
• контроллер – прибор, тормозящий генератор, в момент развития агрегатом фактической мощности, превышающей базовые показатели.

Для изготовления лопастей подойдет легкий качественный листовой пластик с хорошим показателем упругости. Другие виды материалов слишком подвержены различным повреждениям и деформации и просто не справятся со столь высокой динамической нагрузкой.

Маленькие лопасти можно сделать из ПВХ средней плотности, а для больших, широких деталей потребуется максимально прочный материал, способный выдержать сильный ветер, дующий со скоростью 15 м/с и выше в течение длительного времени.

Для создания лопастей вертикального ветрогенератора из трубы ПВХ высокой прочности вырезают 4 одинаковых детали. Два полукруглых фрагмента выкраивают из жести и крепят с каждой стороны трубы. Радиус вращения лопастных частей в этом случае составит 690 мм, а высота каждой лопасти будет около 700 мм.

Для сборки роторной системы берут неодимовые магниты (6 шт), ферритовые диски диаметром 230 мм (2 шт) и клей. На первом диске размещают магниты, чередуя по полярности и соблюдая между ними угол в 60 градусов при диаметре расположения 165 мм. По такой же схеме делают второй диск, а потом заливают магниты клеем.

Для статора готовят 9 катушек и наматывают на каждую из них по 60 витков медного провода диаметром в 1 мм. Последующая спайка происходит в таком порядке:

• начало 1 катушки с концом 4;
• начало 4 с концом 7 катушки.

Вторую фазу собирают по этому же принципу, но начинают работу со 2 катушки, а третью – с 3 катушкой. Из листа фанеры делают специальную форму, дно выстилают отрезом стекловолокна и поверх размещают спаянные из катушек фазы. Заливают конструкцию клеем и оставляют на 1-2 суток, чтобы все детали схватились и заняли нужные места. Потом приступают к соединению отдельных частей в единую рабочую систему.

Для соединения всех элементов генератора в верхнем роторе проделывают 4 отверстия для шпилек. На кронштейн магнитами вверх кладут нижний ротор. Дальше размещают статор, предварительно проделав в нем отверстия для крепления к кронштейну. В алюминиевую пластину упирают шпильки и затем накрывают вторым ротором, располагая его магнитами вниз.

Шпильки с помощью гаечного ключа поочередно вращают, чтобы верхний ротор опускался на нижний равномерно и без рывков. Когда он займет положенное место, шпильки выкручивают и убирают алюминиевые пластины. В конце всю конструкцию фиксируют гайками и затягивают их четко, но не слишком жестко, чтобы не сорвать резьбу.

Для мачты берут прочную металлическую трубу длиной 4-5 метров и прикручивают к ней уже собранный своими руками генератор. Затем присоединяют каркас с пластиковыми лопастями к генератору и устанавливают мачтовую конструкцию на подготовленную заранее площадку с трехточечным армированным фундаментом. Дополнительно положение системы фиксируют при помощи растяжки.

Электрическую сеть к ветряку подключают в определенной последовательности. Контроллер принимает ресурс от генератора и преобразует переменный ток в постоянный, необходимый для заряда батареи. Аккумулятор накапливает выделенную энергию, а инвертор превращает постоянный ток в переменный, который питает основную массу бытовых приборов и домашних обслуживающих систем.

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.

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.

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.

Парусная яхта на подводных крыльях

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?

Бейсджампер в видгсьюте

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.

Сравнение эффективности ВСУ разных типов

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.

Обслуживание вертикального прибора

Чтобы ветряной вертикальный генератор работал качественно, четко и максимально эффективно, все движущиеся части конструкции обязательно смазывают. Такую процедуру проводят не реже 2 раз за весь календарный год.

Параллельно во время обслуживания подкручивают разболтавшиеся в результате эксплуатации гайки, укрепляют электрические соединения, проверяют механические узлы на наличие коррозийных проявлений, подтягивают ослабшие растяжечные тросы и внимательно осматривают лопасти на предмет разрыва или повреждения.

Покраску деталей производят по мере надобности и 1 раз в год совершают полное обследование всей конструкции на предмет выявления неисправностей. Такой уход обеспечивает корректную работу ветряной установки и продлевает ее эксплуатационный период.

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.

Вертикальные ветрогенераторы

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.

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.

Карусельный и ортогональный роторы

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

Вертикальный ротор с направляющим аппаратом

• 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.

Оценка целесообразности установки

Прежде чем приступать к изготовлению ветряного генератора вертикального типа, изучают метеоситуацию в своем регионе и стараются определить, сможет ли агрегат обеспечить необходимое количество ресурса. Специалисты рекомендуют сначала обозначить такие параметры, как:

• усредненное количество ветреных дней в году (когда порыв превышает 3 м/с);
• объем электроэнергии, потребляемый за сутки домовладением;
• наличие на собственном участке подходящего места для ветряного оборудования.

Первый показатель узнают из данных, полученных на ближайшей метеостанции или найденных в интернете на соответствующих порталах. Дополнительно сверяются с печатными географическими изданиями и составляют полную картину о ситуации с ветром в своем регионе.

Статистику берут не за один год, а за 15-20 лет, только тогда средние цифры будут максимально корректными и покажут, сможет ли генератор полностью удовлетворить потребность домовладения в электроэнергии или его сил хватит только на питание отдельных бытовых нужд.

Если в распоряжении владельца большой участок земли, расположенный на склоне, у берега реки или на открытом пространстве, с установкой не будет проблем.

Когда же дом находится в глубине населенного пункта, а двор отличается компактными габаритами и вплотную прилегает к соседским постройкам, установить вертикальную модель ветряка своими руками будет непросто. Конструкцию придется поднимать на 3-5 метров над землей и дополнительно укреплять, чтобы при сильном порыве она не упала.

Учесть всю эту информацию нужно на этапе планирования, чтобы стало понятно, сможет ли ветряной генератор взять на себя полное энергообеспечение или его роль останется в рамках вспомогательного источника энергии.

ВСУ Бирюкова

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.

Позиции:

1. ротор из кровельной оцинковки;
2. самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;
3. ванты – 5 мм стальной трос;
4. ось-древко – стальная труба с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;
5. рычаги аэродинамического регулятора оборотов;
6. лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или листовой пластик;
7. тяги регулятора оборотов;
8. груз регулятора оборотов, его вес определяет частоту вращения;
9. ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;
10. подпятник – упорно-опорный подшипник;
11. ведомый шкив – штатный шкив генератора;
12. 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.

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.

Сделать же каркас (рангоут) для парусного ротора несложно. Кроме того, парусные ВСУ безопасны, а звуков от них, инфра- и слышимых, не обнаруживается. И высоко понимать ротор не нужно, достаточно одного диаметра колеса.

Такой современный и практичный источник альтернативной энергии, как вертикальные ветряки, своими руками собрать совсем не сложно. При надлежащем опыте хозяйственных работ можно самостоятельно изготовить каждую деталь, а потом соединить все компоненты в единую, целостную конструкцию.

Если усложнять задачу не хочется, вполне уместно приобрести уже готовые компоненты и в домашних условиях, без спешки и суеты, смонтировать надежный ветряной агрегат, способный обеспечить бесперебойные поставки электричества в жилое помещение.

Когда же в своих силах нет стопроцентной уверенности, лучше поручить работу профессионалам. Они сделают все очень быстро и в полном соответствии с базовыми эксплуатационными требованиями.

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:

1. лопасти ротора;
2. генератор;
3. станина генератора;
4. защитный флюгер (ураганная лопата);
5. токосъемник;
6. шасси;
7. поворотный узел;
8. рабочий флюгер;
9. мачта;
10. хомут под ванты.

1. защитный флюгер;
2. рабочий флюгер;
3. регулятор натяжения пружины защитного флюгера.

1. коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;
2. подпружиненные меднографитовые щетки.

Итак, где нас ждут «спотыки»?

Лопасти

Профилировка и крутка лопасти ВСУ

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;

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.

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»?