Вітрогенератори з вертикальною віссю обертання українського виробництва

Один із способів одержання енергії – це використання сили вітру. Встановивши вітряний перетворювач, можна перетворити кінетичний рух повітряних мас на механічне обертання ротора, з якого, у свою чергу, перенаправити крутний момент, наприклад, електричний генератор. Таким чином, буде вироблено електроенергію від поновлюваного природного джерела — вітру.

Пристрої, що перетворюють рух повітряних потоків на електричну енергію, називають вітряними генераторами (вітрогенератор, вітряк).

Основний поділ здійснюється за конструктивною особливістю:

• вітрогенератор із горизонтальною віссю обертання основного ротора;
• механізм з вертикальною віссю обертання.

У цій статті будуть розглянуті пристрої з вертикальною віссю обертання основного ротора.

Вертикальні вітряки

Загальний пристрій вертикальної конструкції складається з кількох вузлів:

1. Колесо з лопатями, - основний ротор, що сприймає силу повітряного потоку. Призначення – перетворення кінематичної енергії вітру на механічну, шляхом створення крутного моменту на валу.
2. Редуктор, - синхронізує обертальний рух і створює певну швидкість обертання валу генератора.
3. Генератор, - пристрій, що виробляє електричний струм за допомогою перетворення крутного моменту в магнітне поле і створення проводки різниці напруг.
4. Акумуляторна батарея, - накопичує та видає постійний струм величиною близько 12 Вольт.
5. Інвертор, — пристрій, призначений для перетворення постійного струму на змінний зі значенням 220 Вольт.

Принцип роботи

Той, що рухається зПевною швидкістю повітряний потік зустрічає на своєму шляху перешкоду у вигляді лопаті вітрогенератора. Вдаряючись об поверхню, вітер створює на ній тиск, під впливом якого ротор починає обертатися і передає через редуктор на крутний момент генератор. Останній починає виробляти електричний струм.

Далі електроенергія надходить на контролер, перетворюється на постійний струм і відправляється на підзарядку акумуляторних батарей. Вони, своєю чергою, транслюють потік електрики до споживача через інвертор. Цей пристрій, споживаючи струм постійних величин, видає змінну напругу 220 Вольт.

Переваги і недоліки

Позитивні якості:

1. Малі початкові значення швидкості вітру початку руху ротора вітрогенератора. Для окремих моделей ці показники починаються із 0,3м/сек. Але слід враховувати, що реальна віддача від вітряка почнеться під час руху повітряного потоку зі швидкістю щонайменше 3–5м/сек. Номінальна потужність генератора буде за швидкісних показників, що знаходяться в діапазоні 10–18 м/сек.
2. Не залежить від напрямку руху повітряного потоку, конструкція вертикального вітряка здатна вловлювати вітер під будь-якими кутами атаки вітру.
3. Вертикальний вітрогенератор має низький звуковий фон — значення, на відміну від горизонтальних конструкцій, рідко перевищують поріг в 18–20Дб. Крім цього, відсутні частоти, близькі до нижнього порога, — так званий інфразвук, який негативно позначається на здоров'ї людини. Звідси випливає, що монтаж установок можливий безпосередньо поруч із житлом людей.
4. Вироблення електромагнітного випромінювання мінімальна і не відчувається оточуючими. Конструкція не створює небезпечних та руйнівних вібрацій.
5. Вертикальнийвітрогенератор небезпечний для птахів, тому що він сприймається ними як єдина перешкода, яку треба обігнути. Для горизонтального пристрою, - небезпека для пернатих представляють лопаті, що рухаються, які птиці не асоціюють з перешкодою і тому стикаються з ними.
6. Вітряк на вертикальній осі, завдяки своїй конструкції, не вимагає примусових механізмів для запуску, рух ротора починається при досягненні повітряним потоком мінімальних значень тиску.
7. Працює за будь-яких кліматичних умов, може протистояти сильним поривам вітру, аж до ураганних значень.
8. Пристрій просто в експлуатації - нескладна система управління і малі поточні витрати, необхідні для підтримки робочого стану, роблять цей тип вітряка привабливим для приватного використання.

Недоліки:

1. Коефіцієнт ефективного перетворення вітрового потоку у вертикальної конструкції в 2-2,5 рази нижче порівняно з горизонтальним пристроєм.
2. Вертикальний вітрогенератор має більшу матеріаломісткість, ніж конструкції, виконані за іншими схемами.
3. З певного значення потужності деякі конструкції сильно збільшуються в розмірах, що негативно позначається на плануванні корисної площі ділянки.

Види вітрогенераторів з вертикальною віссю обертання

Численні конструкції з вертикальною віссю обертання об'єднуються в основні групи:

• вітрогенератор з ротором Дар'ї, - ортогональний пристрій;
• генератор на роторі Савоніуса;
• вертикально-осьова конструкція ротора;
• гелікоїдний ротор;
• багатолопатева конструкція з напрямними елементами.

Ротор Дарньє

Зовні,такий вітрогенератор виконаний з двома або трьома лопатями, вигнутими у формі овалу.

Плюси:

• самостійна орієнтація на напрямок повітряного потоку;
• основний вал приводу розташовується поблизу рівня землі, що створює зручність у його обслуговуванні;
• Проста кінематична схема конструкції.

Мінус:

• відсутня можливість самостійної розкрутки;
• високе навантаження на опорні вузли, викликане динамічним впливом повітряних потоків;
• необхідність суворо дотримуватись заданого профілю лопаті по всій її довжині;
• досить галасливий у роботі.

Ротор Савоніуса

Є конструкцією, в якій лопаті ротора виконані у вигляді циліндричних поверхонь.

Позитивні якості:

• здатність запускатися при малих значеннях вітру - рух починається при значеннях від 3м/сек;
• швидкий набір високих показників моменту, що крутить;
• висока надійність конструкції;
• недорогий у виробництві.

Недоліки:

• мінімальна ефективність перетворення повітряного потоку, звідси, випуск пристроїв із потужністю не перевищує 4–6кВт.

Ротор Савоніуса найчастіше застосовують у комбінованих пристроях — для розгону вітрогенератора, виконаного за схемою ротора Дар'ї.

Вертикально-осьовий ротор

Відмінна риса такого вітрогенератора – це те, що вертикально розташовані лопаті мають профіль авіаційного крила, вісь якого паралельна вертикальному валу.

Зовні близько у ротору Дар'ї, але простіше у виготовленні. Швидко набирає робочу швидкість, при цьому значно менше видає звукових хвиль.Конструкція відрізняється надійністю під час експлуатації.

Гелікоїдний ротор

Цей тип пристрою продовжує розвиток вертикально-осьового ротора. Лопаті останнього виконані у формі кривої гелікоїдної, що надає конструкції більш рівномірне обертання і знижує навантаження на опорну частину.

Вигин лопатей ротора по діагоналі сприяє швидкому набору швидкості. Ефективність використання вітрового потоку близька до горизонтальних пристроїв. У той же час, це викликає підвищений шум при роботі та виробництві звукових хвиль, розташованих у короткохвильовій частині звукового спектру.

Гелікоїдний ротор доріг у виробництві через складну конфігурацію профілю лопатей.

Багатолопатевий ротор

В основі лежить вертикально-осьова конструкція, доповнена зовнішнім кільцем нерухомих лопатей. Така схема сприяє збільшенню корисної площі захоплення повітряного потоку, його стиску та прискорення, що призводить до підвищення ефективності вітрогенератора в цілому. Крім цього, конструкція чутлива до слабких дій вітру.

Вибір вітрогенератора з вертикальною віссю обертання

А. ОртогональнийС. Гелікоїдний ротор або Ротор ГорловаD. Багатолопатевий роторE. Ротор Дар'є

Перед вибором вітрогенератора слід провести аналіз доцільності його застосування. Що потрібно знати:

• загальна середньозважена кількість днів із силою вітру понад 3м/с;
• зразкову потребу в електроенергії;
• можливість встановлення вітрогенератора на власній ділянці.

Кліматичні умови

Отримати дані про вітрову обстановку в місці, де передбачається установка вітрогенератора, можна вметеостанції або скористатися даними, наведеними в інтернеті або друкованих виданнях з географії.

Провести кліматичні виміри є непродуктивним заняттям з низки причин:

• необхідно придбати досить дороге спеціальне обладнання, у тому числі прилад анемометр, що фіксує швидкість вітру;
• спостереження потрібно знімати протягом щонайменше одного року;
• бажано організувати кілька точок фіксації повітряного потоку, що розташовані за висотою на 1, 3–5 і, наприклад, 8–10 метрів.

Зняття показників за висотою пояснюється кількома факторами:

• перешкодами, викликаними зеленими насадженнями на ділянці, господарськими спорудами та парканом;
• розташуванням ділянки у глибині населеного пункту чи дачного товариства;
• знаходженням будинку у глибині лісового масиву;
• на рух повітряних мас сильно позначиться долина, затиснута серед пагорбів, це помітно знизить швидкість вітру в приземному шарі; в той же час, схил пагорба або велике водоймище сприяють прискоренню пересування повітряних потоків.

Виходячи з вищенаведених відомостей, слідує:

1. Вітрогенератор - як допоміжне джерело електроенергії, наприклад, для живлення теплового насоса при геотермальному опаленні або підйому води зі свердловини та інших побутових потреб. Використання пристрою в такій якості можливе при знаходженні будинку в глибині населеного пункту, що викликає обмеження по встановленню, — при необхідності в потужній конструкції, її необхідно піднімати над рівнем землі на висоту не менше 3–5 метрів, а це вимагатиме додаткових точок кріплення та заняття частини земельної ділянки
2. У разі наявності достатнього вільного простору,розташування будинку на відкритому місці, на схилі височини або біля великого водоймища, вітер можна розглядати як основне джерело енергії. Разом із сонячними батареями та запасним мотогенератором, вітряний двигун цілком можна розглядати як альтернативне джерело енергії. Крім цього, енергія вітру, мабуть, єдине доступне, досить дешеве відновлюване джерело енергії для віддалених від стаціонарної електромережі, місць.

Для тих, хто замислюється або вирішив про придбання вітрогенератора, наводимо ряд простих методів і спостережень, за допомогою яких приблизно можна визначити швидкість вітрового потоку:

---