Два вида, два соперника
Как уже было отмечено, в продаже пока существуют ветрогенераторы двух видов (по расположению вала вращения к поверхности земли) – горизонтальные и вертикальные. Поговорим вначале о вертикальных.
Ветросиловые установки (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.
Ротор Савониуса
В начале октября 1924 года русские изобретатели братья Я. А. и А. А. Воронины получили советский патент на поперечную роторную турбину, в следующем году финский промышленник Сигурд Савониус организовал массовое производство подобных турбин. За нам и осталась слава изобретателя этой новинки.
Ротор Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС, это, как минимум, два полуцилиндра на вертикальной оси вращения (см. фото). И какое бы направление ветра не было, как бы резко он не изменял свои порывы, такой ветряк будет спокойно вращаться вокруг своей оси, вырабатывая энергию. Это единственное и главное преимущество вертикального ветряка перед горизонтальным.
А главный его недостаток – низкое использование ветровой энергии. Объясняется это тем, что лопасти-полуцилиндры работают только в четверть оборота, а остальную часть окружности вращения они как бы тормозят своим движением скорость вращения. Расчёты показали, что при этом используется лишь третья часть ветровой энергии.
Вертикальные ветрогенераторы с ротором Дарье
В 1931 году французский конструктор Жорж Дарье (George Darrieus) предложил свой вариант ротора, который имеет от двух и более плоских лопастей. Он еще проще, чем ВС: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. Прост в изготовлении и монтаже, но с малой эффективностью — КИЭВ – до 20%.
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.
Геликоидный ротор
ветрогенератора с вертикальной осью вращениягеликоидным ротором
И, наконец, существуют ветрогенераторы с многолопастным ротором. Это один из самых эффективных типов из разряда вертикальных ветрогенераторов. (См. рисунок).
Общие рекомендации
Очевидно, что для выбора наиболее оптимального диаметра винта ветрогенератора необходимо знать среднюю скорость ветра на месте планируемой установки. Количество электроэнергии, произведенной ветряком возрастает в кубическом соотношении с повышением скорости ветра. Например, если скорость ветра увеличится в 2 раза, то кинетическая энергия, выработанная ротором, увеличится в 8 раз. Поэтому можно сделать вывод, что скорость ветра является самым важным фактором, влияющим на мощность установки в целом.
Для выбора места установки ветрогенерирующей электроустановки наиболее подойдут участки с минимальным количеством преград для ветра (без больших деревьев и построек) на расстоянии от жилого дома не менее 25-30 метров (не забывайте, что ветрогенераторы весьма громко гудят во время работы). Высота расположения центра ротора ветряка должна быть не менее чем на 3-5 метров выше ближайших построек. На линии ветреного прохода деревьев и построек быть не должно. Для расположения ветрогенератора наиболее подойдут вершины холмов или горные хребты с открытым ландшафтом.
В случае, если ваш загородный дом не планируется подключать к общей сети, то следует рассмотреть вариант комбинированных систем:
- ВЭС + Солнечные батареи
- ВЭС + Дизель
Комбинированные варианты помогут решить проблемы в регионах, где ветер переменчивый или зависит от времени года, а также данный вариант является актуальным для солнечных батарей.
Расчёт инвертора под домашний ветряк
Сразу следует оговориться: если конструкция домашней энергетической ветроустановки содержит один аккумулятор на 12 вольт, смысл ставить инвертор на такую систему полностью исключается.
В среднем потребляемая мощность бытового хозяйства составляет не менее 4 кВт на пиковых нагрузках. Отсюда вывод: количество аккумуляторных батарей для такой мощности должно составлять не менее 10 штук и желательно под напряжение 24 вольта. На такое количество АКБ уже есть смысл устанавливать инвертор.
Инвертор небольшой мощности (600 Вт), который может быть использован для домашней малой энергетической установки. Запитать от такой техники напряжением 220 вольт можно телевизор или небольшой холодильник. На лампы в люстре тока уже не хватит
Однако чтобы обеспечить полностью энергией 10 аккумуляторов с напряжением по 24 вольта на каждый и стабильно поддерживать их заряд, потребуется ветряк мощностью не менее 2-3 кВт. Очевидно, для бытовых простеньких конструкций такую мощность не потянуть. Тем не менее, рассчитать мощность инвертора можно следующим образом:
- Суммировать мощность всех потребителей.
- Определить время потребления.
- Определить пиковую нагрузку.
На конкретном примере это будет выглядеть так.
Пусть в качестве нагрузки есть бытовые электроприборы: лампы освещения – 3 шт. по 40 Вт, телевизионный приёмник – 120 Вт, компактный холодильник 200 Вт. Суммируем мощность: 3*40+120+200 и получаем на выходе 440 Вт.
Определим мощность потребителей для среднего периода времени в 4 часа: 440*4=1760 Вт. Исходя из полученного значения мощности по времени потребления, логичным видится подбор инвертора из числа таких приборов с выходной мощностью от 2 кВт. Опираясь на это значение, рассчитывается вольт-амперная характеристика требуемого прибора: 2000*0,6=1200 В/А.
Классическая схема воспроизводства и распределения энергии, полученной от ветряного генератора бытового типа. Однако чтобы обеспечить долговременной энергией такое количество приборов, нужна достаточно мощная установка
Реально нагрузка от домашнего хозяйства на семью в три человека, где имеется полноценное оснащение бытовой техникой, будет выше рассчитанной в примере. Обычно и по времени подключения нагрузки параметр превышает взятые 4 часа. Соответственно, инвертор ветряной энергосистемы потребуется более мощный.
Электроэнергия в России
Обеспеченность пользователей электроэнергией в России далеко не стопроцентная, хотя страна является энергоизбыточной и способна поставлять ресурс на экспорт. Причины такого положения в большой площади, создающей большие трудности в доставке электроэнергии. Отдаленные регионы, труднодоступные участки до сих пор не имеют централизованного снабжения энергией и вынуждены использовать дизельные и бензиновые генераторы, обходящиеся дорого и требующие постоянного обслуживания, ремонта, снабжения топливом и прочих действий.
Для жителей таких районов крайне необходимо использование альтернативных источников, менее требовательных к топливным ресурсам и позволяющим получить автономные устройства, производящие электроэнергию. Среди этих источников наиболее предпочтительными являются ветровые электростанции или установки, имеющие большие возможности.
Пример расчета лопастей из 160-й трубы для данного генератора
быстроходность
Самый лучший результат я получил из 160-й трубы при диаметре 2,2м и быстроходности Z3,4 — лопастей 6шт, но такой диаметр винта из трубы 160мм лучше не делать, слишком тонкие и хлипкие лопасти получатся. При 3м/с номинальные обороты винта составили 84об/м и мощность винта 25ватт, то-есть примерно подходит. Надо конечно с запасом на КПД генератора, но 160-я труба и так тонкая и скорее всего уже при 7м/с будет наблюдаться флаттер. Но для примера пойдет
Теперь если изменять скорость ветра в таблице, то видно что мощность винта и его обороты будут примерно совпадать с параметрами винта, что нам и требуется, так-как важно чтобы винт был не перегружен и не недогружен — иначе пойдет вразнос на большом ветре. >. Так при разном ветре я получил такие данные винта
Так при разном ветре я получил такие данные винта
Ниже на скриншоте данные винта при 3м/с, максимальная мощность винта (КИЭВ) при быстроходности Z3,4 Обороты и мощность при этом примерно совпадают с мощностью генератора при этих оборотах
Так при разном ветре я получил такие данные винта. Ниже на скриншоте данные винта при 3м/с, максимальная мощность винта (КИЭВ) при быстроходности Z3,4 Обороты и мощность при этом примерно совпадают с мощностью генератора при этих оборотах
Обороты генератора 100об/м- 2 Ампер 30 ватт >
Далее вводим скорость 5м/с, это как видно на скриншоте 141об/м винта и мощность на валу винта 124 ватта, тоже примерно совпадает с генератором. Обороты генератора 150об/м — 8 Ампер 120 ватт
При 7м/с винт начинает по мощности обходить генератор и естественно недогруженный набирает большие обороты, по этому быстроходность я поднял до Z4 , получилось тоже примерное совпадение по мощности и оборотам с генератором. Обороты генератора 200об/м -14 Ампер 270 ватт
При 10м/с винт стал гораздо мощнее генератора при номинальной быстроходности так-как мало-оборотистый и не может раскрутить генератор быстрее. Так при Z4 мощность винта 991ватт, а обороты всего 332об/м. Обороты генератора 300об/м — 26 Ампер 450 ватт. Но недогруженный генератор позволяет раскрутится винту до быстроходности Z5 и выше, при этом КИЭВ винта падает, а следовательно и мощность, но при этом возрастают обороты, по этому получилось так что винт раскрутит генератор немного больше, но сам при этом потеряет в мощности и где то наступит баланс. Данные при этом примерно совпадут с генератором, но винт явно по мощности обгоняет генератор, по-этому при этом ветре пора делать защиту уводом винта из под ветра.
Так мы подогнали винт из ПВХ трубы диаметром 160мм под генератор. Сразу скажу что именно шести-лопастной винт такой быстроходности оказался самым подходящим. А так можно считать винт любого диаметра и количества лопастей. Просто трех-лопастной винт диаметром 2,3м для этого генератора оказался слишком скоростным и он не набрал бы обороты для своего максимального КИЭВ, так-как генератор сразу бы его начал тормозить.
По этому увеличением количества лопастей я понизил обороты винта и сохранил его мощность. Так винт получился подходящим под генератор, но 160-я труба внесла свои ограничения, в частности и так диаметр слишком большой и на ветру от 7м/с винт с хлипкими и тонкими лопастями скорее всего получит флаттер, и будет рокотать как взлетающий вертолет. Да и этим винтом мы снимаем с генератора грубо говоря при ветре 10м/с всего ватт 600-700, а можно в два раза больше, если поднять быстроходность винта и немного увеличить его диаметр.
Ниже скриншот с вкладки «Геометрия лопасти». Это размеры для вырезания лопасти из трубы
Как работает простой ветрогенератор
Ветрогенератор – прибор, позволяющий преобразовывать энергию ветра в электричество.
Принцип работы его заключается в том, что ветер вращает лопасти, приводит в движение вал, по которому вращение поступает на генератор через редуктор, увеличивающий скорость.
Работа ветряной электростанции оценивается по КИЭВ – коэффициенту использования энергии ветра. Когда ветроколесо вращается быстро, оно взаимодействует с большим количеством ветра, а значит забирает у него большее количество энергии
Подразделяют две основные разновидности ветряных генераторов:
- ветрикальные;
- горизонтальные.
Вертикально ориентированные модели построены так, чтобы ось пропеллера была расположена перпендикулярно земле. Таким образом, любое перемещение воздушных масс, независимо от направления, приводит конструкцию в движение.
Такая универсальность является плюсом данного типа ветряков, но они проигрывают горизонтальным моделям по производительности и эффективности работы
Для контроля и улавливания изменений направления ветра устанавливают специальные приборы. КПД при таком расположении винта значительно выше, чем при вертикальной ориентации. В бытовом применении рациональней использовать ветрогенераторы этого типа.
Подбор аккумуляторной батареи для системы
На практике используются аккумуляторы разного типа и почти все вполне пригодны для использования в составе ветряной энергетической системы. Но конкретный выбор придётся делать в любом случае. В зависимости от параметров системы ветряка, подбор аккумулятора ведётся по напряжению, ёмкости, условиям заряда.
Традиционными комплектующими для домашних ветряков считаются классические кислотно-свинцовые аккумуляторы. Они показали неплохие результаты в практическом смысле. К тому же стоимость этого типа батарей более приемлема по сравнению с другими видами. Свинцово-кислотные АКБ особо неприхотливы к условиям заряда/разряда, но включать их в систему без контроллера недопустимо.
Блок аккумуляторов домашнего ветрогенератора. Не самый лучший вариант эксплуатации, учитывая хаос из проводов и требования к хранению. При таком состоянии накопителей энергии рассчитывать на их долгосрочное действие не приходится
При наличии в составе ветрогенераторной установи профессионально выполненного контроллера заряда, имеющего полноценную систему автоматики, рациональным видится применение аккумуляторов типа AGM или гелиевых. Оба вида накопителей энергии характеризуются большей эффективностью и долгим сроком службы, но предъявляют высокие требования к условиям заряда.
То же самое относится к так называемым панцирным АКБ гелиевого типа. Но выбор этих аккумуляторов для бытового ветряка значительно ограничивается ценой. Однако срок службы этих дорогостоящих батарей самый продолжительный по отношению ко всем другим видам. Эти аккумуляторы выделяются также более значительным циклом заряда/разряда, но при условии применения к ним качественного зарядного устройства.
Расчет скорости ветра
Существует несколько способов расчета скорости ветра. Один из наиболее распространенных методов — использование закона степенной зависимости. Согласно этому закону, скорость ветра изменяется с высотой по формуле:
V = V * (h / h)a
где:
- V — скорость ветра на заданной высоте
- V — скорость ветра на известной высоте h
- h — заданная высота
- a — показатель степени, зависящий от местности и условий
Практический пример: для расчета скорости ветра на высоте 10 метров, если известно, что скорость ветра на высоте 5 метров составляет 10 м/с, и показатель степени равен 0,2, можно воспользоваться формулой:
V = 10 * (10 / 5)0,2 = 10 * 20,2 ≈ 11,18 м/с
Таким образом, скорость ветра на высоте 10 метров составит примерно 11,18 м/с.
При расчете скорости ветра необходимо учитывать множество факторов, таких как местность, высота, климатические условия и другие. Точность расчета зависит от правильного выбора формулы и корректного определения показателя степени.
Формула расчета скорости ветра
Для расчета скорости ветра на основе данных с метеостанции используется формула Бейфорта, которая учитывает силу ветра по шкале Бейфорта и его классификацию:
V = 0.836 * B^1.5
где:
V — скорость ветра в метрах в секунду;
B — классификация силы ветра по шкале Бейфорта (от 0 до 12).
Например, если сила ветра на метеостанции составляет 8 по шкале Бейфорта, то скорость ветра можно рассчитать следующим образом:
V = 0.836 * 8^1.5 = 0.836 * 64 = 53.504 м/с.
Таким образом, скорость ветра на данной метеостанции составляет примерно 53.504 м/с.
Пример расчета скорости ветра
Для расчета скорости ветра необходимо знать несколько параметров, таких как высота над уровнем моря, средняя скорость ветра на этой высоте и коэффициент шероховатости поверхности. Рассмотрим пример расчета скорости ветра на высоте 10 метров над землей.
Пусть средняя скорость ветра на высоте 10 метров составляет 5 м/с, а коэффициент шероховатости поверхности равен 0,2. Для расчета скорости ветра на другой высоте используется формула:
V2 = V1 * (h2 / h1)^(1/7)
где V1 — средняя скорость ветра на высоте h1, V2 — скорость ветра на высоте h2.
Подставим значения в формулу:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| h1 | 10 м |
| h2 | 100 м |
| V1 | 5 м/с |
| V2 | ? |
Подставив значения в формулу, получим:
V2 = 5 * (100 / 10)^(1/7) ≈ 5 * 1,77828 ≈ 8,8914 м/с
Таким образом, скорость ветра на высоте 100 метров составляет примерно 8,8914 м/с.
Этот пример показывает, как производится расчет скорости ветра на заданной высоте с использованием известных параметров. Такие расчеты необходимы при проектировании и эксплуатации ветрогенераторов, а также в других областях, связанных с использованием энергии ветра.
Практические расчеты
Можно для понимания процессов округлить начальные величины, применив трехлопастной винт. Допустим V=10 м/с, площадь S=10м² (радиус винта 1,78 м), а плотность ρ принять 1,3кг/м3. Таким образом, N=1,3*10*1000/2=6500 (Вт). Умножаем на 30% (КИЭВ): 6500*30/100=1950 (Вт). При таком раскладе генерацию почти двух киловатт электроэнергии (без учета КПД электрогенератора) можно считать весьма обнадеживающей.
С учетом потерь на электрогенераторе, кабеле, заряде аккумулятора и инвертора можно стабильно рассчитывать на приблизительно 1 кВт электроэнергии на выходе домашней ветряной электростанции, если ветроэнергетическая установка имеет приведенные выше параметры.
Устройство ветрогенератора с трехлопастным винтом
Но, если взять скорость ветра преобладающую в большинстве регионов (4м/с) то полученный результат, с учетом КИЭВ будет: (1,3*10*4*4*4/2)*30/100=124,8 (Вт), и это без учета потерь на остальных компонентах домашней ветровой электростанции.
Такой мощности хватит лишь на стабильную беспрерывную работу ноутбука и зарядку мобильных телефонов. При снижении скорости ветра до 3м/с результат на выходе и вовсе будет мизерным: (1,3*10*3*3*3/2)*30/100=52,65 (Вт).
Если еще снизить скорость ветрового потока до двух метров в секунду, то выход мощности будет: (1,3*10*2*2*2/2)*30/100=15,6 (Вт). Но, практика показывает, что при скорости ветра 2м/с и ниже, трехлопастной винт даже не раскрутится. Поэтому при низких скоростях ветра используют тихоходные винты, увеличивая количество лопастей, или применяя роторы других конструкций (Дарье, Ленца, Савониуса), у которых меньше КИЭВ, но они более «восприимчивы» к слабым дуновениям воздуха.
Ветроэнергетические роторные установки различных конструкций
Конструкции ветрогенераторов
Существует ошибочное мнение, что с увеличением у винта количества лопастей растет мощность ветрогенератора, но это в корне не так – ведь вращающиеся лопасти создают вихрь, и чем больше их в ветряке, тем большее количество энергии ветра будет расходоваться на закручивание воздуха вокруг оси винта.
В идеале самым эффективным является однолопастной винт, создающий меньше всего завихрений, при этом обладающий большой быстроходностью и требующий значительных скоростей ветра.
Однолопастной винт ветрогенератора, создающий минимальные завихрения
Поэтому типичный ветряной генератор имеет три лопасти, как наилучший компромисс между тихоходностью и потерей энергии на завихрения.В приведенных выше расчетах использовался гипотетический лопастной винт с размахом (диаметром) 1,78*2=3,56 м.
Это довольно громоздкая конструкция, очень сложная для самостоятельного изготовления и установки. Народные умельцы делают лопастные винты меньшего диаметра из подручных материалов, изготавливая лопасти для ветрогенератора своими руками, например из канализационной ПХВ трубы.
Геометрия лопасти имеет сходство с крылом самолета, но у ветряка угол атаки для максимальной эффективности ветрогенератора должен изменяться по мерее отдаления от оси вращения. Следует детально изучить специальную литературу, а также посоветоваться с умельцами на различных форумах, прежде чем пытаться проектировать и изготовлять лопастные винты.
Поперечные разрезы лопасти винта ветрогенератора
Поэтому многие умельцы обращают внимание на другие конструкции, например, турбины с вертикальной осью, которые более тихоходные с меньшими требованиями к точности расчетов и требований безопасности. Изготовить такой роторный ветрогенератор своими руками можно в домашнем гараже из подручных материалов и большой бочки, как показано в видеоролике ниже:
Эксперименты показывают, что данный самодельный и несовершенный ротор Онипко имеет даже лучшие характеристики, чем заводской трехлопастной винт вентилятора такого же диаметра.
https://youtube.com/watch?v=F8X2p6NjKfk
https://youtube.com/watch?v=6eoCOh0E6Qc
Подбор генераторов для ветряков
Имея расчётное значение числа оборотов винта (W), полученное по вышеописанной методике, можно уже подбирать (изготавливать) соответствующий генератор. Например, при степени быстроходности Z=5, количестве лопастей равном 2 и частоте оборотов 330 об/мин. при скорости ветра 8 м/с., мощность генератора приблизительно должна составлять 300 Вт.
Генератор ветряной энергетической установки «в разрезе». Показательный экземпляр одной из возможных конструкций генератора домашней ветряной энергосистемы, собранной самостоятельно
Так выглядит электрический веломотор, на базе которого предлагается делать генератор для домашнего ветряка. Конструкция веломотора идеально подходит для внедрения практически без расчётов и доработок. Однако мощность их невелика
Характеристики электрического веломотора примерно следующие:
| Параметр | Значения |
| Напряжение, В | 24 |
| Мощность, Вт | 250-300 |
| Частота вращения, об/мин. | 200-250 |
| Крутящий момент, Нм | 25 |
Положительная особенность веломоторов в том, что их практически не нужно переделывать. Они конструктивно разрабатывались как электродвигатели с низкими оборотами и успешно могут применяться под ветрогенераторы.
Расчет мультипликатора
Выводы и полезное видео по теме
Желание сделать оборудование для домашнего применения своими руками иногда сильнее более простого решения – покупки недорогого устройства. Что из этого получилось, смотрите в видеоролике:
Оценивая перспективы изготовления электроники собственными силами независимо от её назначения, приходится столкнуться с мыслью, что век «самоделкиных» завершается.
Рынок перенасыщен готовыми электронными устройствами и модульными комплектующими практически под каждый бытовой продукт. Электронщикам-любителям теперь остаётся единственное дело – заниматься сборкой домашних конструкторов.
Есть, что дополнить, или возникли вопросы по теме сборки и использования контроллеров для ветрогенератора? Можете оставлять комментарии, задавать вопросы и добавлять фотографии своих самоделок – форма для связи находится в нижнем блоке.
