Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения российского производства

Один из способов получения энергии – это использование силы ветра. Установив ветряной преобразователь, можно превратить кинетическое движение воздушных масс в механическое вращение ротора, с которого, в свою очередь, перенаправить крутящий момент, например, на электрический генератор. Таким образом, будет выработана электроэнергия от возобновляемого природного источника, — ветра.

Устройства, преобразующие движение воздушных потоков в электрическую энергию, называют ветряными генераторами (ветрогенератор, ветряк).

Основное деление осуществляется по конструктивной особенности:

• ветрогенератор с горизонтальной осью вращения основного ротора;
• механизм с вертикальной осью вращения.

В этой статье будут рассмотрены устройства с вертикальной осью вращения основного ротора.

Общее устройство вертикальной конструкции состоит из нескольких узлов:

1. Колесо с лопастями. — основной ротор, воспринимающий силу воздушного потока. Назначение – преобразование кинематической энергии ветра в механическую, путём создания крутящего момента на валу.
2. Редуктор. — синхронизирует вращательное движение и создаёт определённую скорость вращения вала генератора.
3. Генератор. — устройство, вырабатывающее электрический ток посредством преобразования крутящего момента в магнитное поле и создания в проводке разности напряжений.
4. Аккумуляторная батарея. — накапливает и выдаёт постоянный ток величиной около 12 Вольт.
5. Инвертор. — устройство, предназначенное для преобразования постоянного тока в переменный со значением 220 Вольт.

На самом деле, электрическая часть более сложная, и включает блок управления, стабилизации, соединения с несколькими потребителями.

Движущийся с определённой скоростью воздушный поток встречает на своём пути препятствие в виде лопасти ветрогенератора. Ударяясь о поверхность, ветер создаёт на ней давление, под воздействием которого, ротор начинает вращаться и передаёт через редуктор на генератор крутящий момент. Последний начинает вырабатывать электрический ток.

Далее, электроэнергия поступает на контроллер, преобразовывается в постоянный ток и отправляется на подзарядку аккумуляторных батарей. Они, в свою очередь, транслируют поток электричества к потребителю через инвертор. Это устройство, потребляя ток постоянных величин, выдаёт переменное напряжение в 220 Вольт.

1. Малые начальные значения скорости ветра для начала движения ротора ветрогенератора. Для отдельных моделей эти показатели начинаются с 0,3м/сек. Но следует учитывать, что реальная отдача от ветряка начнётся при движении воздушного потока со скоростью не менее 3–5м/сек. Номинальная мощность генератора будет при скоростных показателях, находящихся в диапазоне 10–18 м/сек.
2. Не зависит от направления движения воздушного потока, — конструкция вертикального ветряка способна улавливать ветер под любыми углами атаки ветра.
3. Вертикальный ветрогенератор обладает низким звуковым фоном, — значения, в отличие от горизонтальных конструкций, редко превышают порог в 18–20Дб. Кроме этого, отсутствуют частоты близкие к нижнему порогу, — так называемый инфразвук, который негативно сказывается на здоровье человека. Отсюда следует, что монтаж установок возможен непосредственно рядом с жильём людей.
4. Выработка электромагнитного излучения минимальна и не ощущается окружающими. Конструкция не создаёт опасных и разрушительных вибраций.
5. Вертикальный ветрогенератор не опасен для птиц, в силу того, что он воспринимается ими как единое препятствие, которое надо обогнуть. Для горизонтального устройства, — опасность для пернатых представляют движущиеся лопасти, которые птицы не ассоциируют с препятствием и поэтому сталкиваются с ними.
6. Ветряк на вертикальной оси, благодаря своей конструкции, не требует принудительных механизмов для запуска, — движение ротора начинается при достижении воздушным потоком минимальных значений давления.
7. Работает при любых климатических условиях, может противостоять сильным порывам ветра, вплоть до ураганных значений.
8. Устройство просто в эксплуатации, — несложная система управления и малые текущие расходы, необходимые для поддержания рабочего состояния, делают этот тип ветряка привлекательным для частного использования.

1. Коэффициент эффективного преобразования ветрового потока у вертикальной конструкции в 2–2,5 раза ниже по сравнению с горизонтальным устройством.
2. Вертикальный ветрогенератор обладает большей материалоёмкостью, нежели конструкции, выполненные по другим схемам.
3. С определённого значения мощности, некоторые конструкции сильно увеличиваются в размерах, что негативно сказывается на планировке полезной площади участка.

Многочисленные конструкции с вертикальной осью вращения объединяются в основные группы:

• ветрогенератор с ротором Дарье, — ортогональное устройство;
• генератор на роторе Савониуса;
• вертикально-осевая конструкция ротора;
• геликоидный ротор;
• многолопастная конструкция с направляющими элементами.

Внешне, такой ветрогенератор выполнен с двумя или тремя лопастями, изогнутыми в форме овала.

• самостоятельная ориентация на направление воздушного потока;
• основной вал привода располагается вблизи уровня земли, что создаёт удобство в его обслуживании;
• простая кинематическая схема конструкции.

• отсутствует возможность в самостоятельной раскрутке;
• высокая нагрузка на опорные узлы, вызванная динамическим воздействием от воздушных потоков;
• необходимость строго придерживаться заданного профиля лопасти по всей её длине;
• достаточно шумен в работе.

Представляет собой конструкцию, в которой лопасти ротора выполнены в виде цилиндрических поверхностей.

• способность запускаться при малых значениях ветра, — движение начинается при значениях от 3м/сек;
• быстрый набор высоких показателей крутящего момента;
• высокая надёжность конструкции;
• недорог в производстве.

• малая эффективность преобразования воздушного потока, отсюда, выпуск устройств с мощностью не превышающей 4–6кВт.

Ротор Савониуса зачастую применяют в комбинированных устройствах, — для разгона ветрогенератора, выполненного по схеме ротора Дарье.

Отличительная особенность такого ветрогенератора – это то, что вертикально расположенные лопасти имеют профиль авиационного крыла, ось которого параллельна вертикальному валу.

Внешне близок в ротору Дарье, но более прост в изготовлении. Быстро набирает рабочую скорость, при этом существенно меньше издаёт звуковых волн. Конструкция отличается надёжностью при эксплуатации.

Этот тип устройства продолжает развитие вертикально-осевого ротора. Лопасти последнего выполнены в форме геликоидной кривой, что придаёт конструкции более равномерное вращение и снижает нагрузки на опорную часть.

Изгиб лопастей ротора по диагонали способствует быстрому набору скорости. Эффективность использования ветрового потока близка к горизонтальным устройствам. В то же время, это вызывает повышенный шум при работе и производству звуковых волн, расположенных в коротковолновой части звукового спектра.

Геликоидный ротор дорог в производстве из-за сложной конфигурации профиля лопастей.

В основе лежит вертикально-осевая конструкция, дополненная внешним кольцом неподвижных лопастей. Такая схема способствует увеличению полезной площади захвата воздушного потока, его сжатию и ускорению, что приводит к повышению эффективности ветрогенератора в целом. Кроме этого, конструкция чувствительна к слабым воздействиям ветра.

Но эта схема приводит к повышению материалоёмкости устройства, что увеличивает его стоимость. В процессе эксплуатации конструкцию сопровождает увеличенный звуковой фон.

А. Ортогональный
С. Геликоидный ротор или Ротор Горлова
D. Многолопастной ротор
E. Ротор Дарье

Перед выбором ветрогенератора следует провести анализ о целесообразности его применения. Что необходимо знать:

• общее средневзвешенное количество дней с силой ветра более 3м/с;
• примерную потребность в электроэнергии;
• возможность установки ветрогенератора на собственном участке.

Получить данные о ветровой обстановке в месте, где предполагается установка ветрогенератора, можно в метеостанции или воспользоваться данными, приведёнными в интернете или печатных изданиях по географии.

Провести климатические замеры представляется непродуктивным занятием в силу ряда причин:

• необходимо приобрести достаточно дорогое специальное оборудование, в том числе прибор анемометр, фиксирующий скорость ветра;
• наблюдения потребуется снимать в течение минимум одного года;
• желательно организовать несколько точек фиксации воздушного потока, расположенных по высоте на 1, 3–5 и, например, 8–10 метров.

Снятие показателей по высоте объясняется несколькими факторами:

• помехами, вызванными зелёными насаждениями на участке, хозяйственными постройками и забором;
• расположением участка в глубине населённого пункта или дачного товарищества;
• нахождением дома в глубине лесного массива;
• на движение воздушных масс сильно скажется долина, зажатая среди холмов, — это заметно снизит скорость ветра в приземном слое; в то же время, склон холма или крупный водоём способствуют ускорению передвижения воздушных потоков.

Исходя из вышеприведённых сведений, следует:

1. Ветрогенератор – как вспомогательный источник электроэнергии, например, для питания теплового насоса при геотермальном отоплении или подъёма воды из скважины и других бытовых нужд. Использование устройства в таком качестве возможно при нахождении дома в глубине населённого пункта, что вызывает ограничения по установке, — при необходимости в мощной конструкции, её необходимо приподнимать над уровнем земли на высоту не менее 3–5 метров, а это потребует дополнительных точек крепления и занятия части земельного участка.
2. В случае наличия достаточного свободного пространства, расположения дома на открытом месте, на склоне возвышенности или у крупного водоёма, ветер можно рассматривать как основной источник энергии. Вкупе с солнечными батареями и запасным мотогенератором, ветряной двигатель вполне можно рассматривать в качестве альтернативного источника энергии. Кроме этого, энергия ветра, пожалуй, единственный доступный, достаточно дешёвый возобновляемый источник энергии для удалённых от стационарной электросети, мест.

Для задумывающихся или решивших о приобретении ветрогенератора, приводим ряд простых методов и наблюдений, с помощью которых приблизительно можно определить скорость ветрового потока:

Признаки движения воздушных масс

Один из народных методов определения скорости ветра (применим для слабых значений):

• берётся сухая бумага, например, газетная, площадью около 1 см?;
• с высоты около 1 метра отправляется в свободный полёт;
• фиксируется расстояние, на котором бумажка коснётся земли, и время её полёта;
• скорость ветра рассчитывается по формуле V = S/t,

S – путь, пройденный бумажкой, в метрах;

t – время свободного полёта в секундах.

Этот метод даёт примерные результаты, но даст общее представление о скоростных величинах. С целью повышения точности данных измерений, опыты целесообразно проводить три-четыре раза подряд.

Для определения количества необходимой энергии необходимо сложить все максимальные мощности электроприборов в доме и на участке, — это и будет пиковая нагрузка. Такое случается очень редко, но рассчитывать необходимо из максимума, — «сэкономленные» ватты электроэнергии пойдут как своеобразный коэффициент надёжности.

В то же время, особенность работы ветроустановки заключается в том, что электроэнергия забирается от аккумуляторных батарей, а генератор их подзаряжает. Поэтому, например, в ночное время, в период минимального расхода тока, энергия ветра полностью идёт на восполнение ёмкости батареи.

Отсюда следует, — при выборе силовой установки целесообразно учитывать эти факторы и помнить о том, что с ростом мощности ветроустановки растёт и её цена.

Самые существенные препятствия для установки ветрогенератора на своём участке – это взаимосвязь цены, мощности и занимаемой площади на установку.

Например, для вертикально-осевого генератора с тремя лопастями изменения цены, мощности и диаметра составят (данные усреднённые):

• 1 кВт, высота мачты 4м, диаметр турбины около 2 метров, высота лопасти 2 метра, цена 140000 рублей;
• 2 кВт, мачта 4 метра, турбина 2,6 м, лопасть 4 м, цена 180000 руб.;
• 5 кВт, мачта 6 м, турбина 3,6 м, лопасть 6 м, цена более 360000 руб.

Из приведённого примера видно, что цена увеличивается почти в три раза, а расход полезной площади, с учётом растяжек, крепящих мачту, увеличивается до 10 метров.

Поэтому, для владельцев относительно небольших участков, — до 6 соток, расположенным в коллективных товариществах, представляется возможным приобретение агрегатов мощностью до двух киловатт, монтируемых на мачтах до 4-х метров высотой или установка на крыше здания.

Хорошим дополнением будет сочетание в общей системе энергоснабжения использование солнечных батарей.

При отсутствии в ограничении свободных земельных участков под силовую установку, решение о монтаже ветряка упирается только в финансовый вопрос. Целесообразность в использовании силы ветра определяется суммой затрат на всё оборудование и наличием стационарной электросети.

При сопоставимых расходах на прокладывание линии электропередач до собственного дома, вопрос, несомненно, стоит решить в пользу ветрогенератора, к тому же источник энергии, — ветер, абсолютно бесплатен.

В случае периодических отключениях электричества, необходимо просчитать экономическую часть, то есть определить общую сумму затрат, которая пошла на покупку и монтаж ветроустановки и сравнить её, например, для варианта с использованием мотогенератора.

Вполне возможно, что периодическое применение такого вида оборудования вместе с расходами на топливо и обслуживание, будет более выгодным, нежели использование силы ветра.

Собственно монтаж ветрогенератора, обвязку электрической части, пуско-наладочные работы лучше доверить специализированным фирмам.

На рынке России представлена зарубежная и отечественная продукция, которая по многим показателям не уступает, а порой и превосходит импортные аналоги, — по части цены, точно.

Приведём несколько серьёзных местных производителей, у которых можно приобрести не только промышленные изделия, но и заказать доработку их под свои нужды:

EDS-Group, является одним из ведущих российских производителей ветрогенераторов, в том числе с вертикальной осью вращения. Находится в г.Омск.

• cерия вертикально-осевых конструкций Sokol Air Vertical мощностью 0,5–15 кВт и стоимостью 130000–1020000 рублей;
• cерия вертикально-осевых конструкций Falcon Euro мощностью до 120 кВт и стоимостью 135000–1050000 рублей.

Питерский производитель альтернативных источников энергии. Производит ветряные электростанции ОСА, выполненные по вертикально-осевой схеме с прямыми лопастями. Мощность установок составляет 300–3000 Вт. Стоимость конструкций 100000–350000 рублей (цена дилеров). Кроме этого, появилась новинка, ветротурбина РосТок. Её отличие – лопасти выполнены по спиралевидной форме.

Московский производитель ветрогенераторов с мощностью 0,4–250 кВт. Стоимость для потребителей устанавливается индивидуально, по договору.

Российский производитель ветрогенераторов, выполненных по горизонтальной схеме, — приводится для сравнения. Мощность установок 1–10 кВт, цена 68000–600000 рублей.

Первые две компании будут наиболее интересны для индивидуальных застройщиков, интересующихся схемами вертикальных ветрогенераторов. Тем, кто силён в механике и электрике, представляется великолепная возможность сконструировать и самостоятельно сделать ветрогенератор своими руками.

• Как можно тщательней проанализируйте ветровую обстановку в районе расположения своего существующего или будущего дома. Среднегодовые данные должны быть не менее 3м/сек.
• Изучите предлагаемые конструкции ветрогенераторов. Учтите возможности выработки электроэнергии при слабых ветрах, а также площадь части участка, которую придётся вывести под монтаж ветроустановки.
• Проведите экономический анализ затрат на весь комплект оборудования, входящий в ветровую электростанцию, и его монтаж, с одной стороны. С другой, — стоимость прокладки стационарной электросети до участка. При этом учтите, — стоимость ветровой энергии будет обходиться бесплатно!
• Наиболее практичная конструкция, на наш взгляд, — это ветро-осевой генератор с дополнением солнечными панелями и дизельным мотор-генератором.