Ветровые генераторы: обзор, принцип работы, конструкция и устройство

Системы альтернативного энергообеспечения для дома становятся все более актуальными по мере развития средств электрического преобразования. Практически бесплатную энергию природных явлений сегодня можно конвертировать в полноценный ток, который может питать бытовые приборы. Наиболее популярной концепцией такого рода является солнечная энергетика, но и ветровые генераторы имеют массу преимуществ. Прежде всего, вырабатываемой таким образом энергии может хватить на обслуживание частного дома. Другой вопрос, как технически реализовать такую станцию.

Принцип работы ветрогенератора

Начать следует с того, что в результате неравномерного нагрева атмосферы Солнцем формируются перемещающиеся потоки воздуха – от зон повышенного давления к зонам с низким давлением. В процессе воздушных течений и возникает ветер, энергию которого можно использовать в разных целях. К слову, простейшим примером ветряка-генератора является мельница – хотя она не преобразует энергию, а сразу направляет ее в рабочее русло.

Для плодотворного использования современных ветряков требуется соответствующая скорость воздушных потоков. Например, ветер со скоростью порядка 5-6 м/с дает лишь минимальный энергетический эффект. Оптимальным же считается уровень в 15-20 м/с. Этого достаточно, чтобы снабжать ветровые генераторы для дома, но промышленные станции требуют в разы большего силового воздействия. Ветер воздействует на рабочие части генератора, в результате чего активизируется двигатель. Он, в свою очередь, транслирует энергию в блок преобразователя. Конечным приемником энергии выступает аккумулятор. Батарея накапливает энергетический потенциал, отдавая его потребителю уже в виде электричества.

Общее устройство станции

Традиционное устройство ветряка предполагает наличие генераторного блока, хвостовика с мачтой (элементы забора ветровой энергии), инвертора и аккумулятора. В состав более современных станций входит и контроллер – это блок управления ветряком, который регулирует параметры конструкции и батареи.

Что касается элементов забора усилия, то они обычно представлены лопастями, которые крепятся на роторе. В результате его вращения генерирующий двигатель формирует переменный ток. Далее через преобразователь система создает напряжение в аккумуляторе. Последний выступает связующим звеном между генератором ветряка и потребителями.

Надо отметить, что в большинстве своем ветровые генераторы являются автономными устройствами. То есть они не требуют стороннего энергоснабжения. Во всяком случае, аккумулятор питается непосредственно от энергии, получаемой от преобразователя. Однако в промышленных крупных установках предусматриваются системы аварийного энергоснабжения, которые обеспечивают энергией обслуживающую генератор инфраструктуру в случаях, когда местной вырабатываемой мощности оказывается недостаточно.

Виды конструкций

В современных конструкциях ветряков используют один из двух вариантов двигателей – с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Иначе их называют, соответственно, крыльчатыми и карусельными. Что касается горизонтального устройства, то оно внешне напоминает ту же мельницу, но с меньшим количеством лопастей. Это ветровые генераторы, в которых акцент делается на аэродинамические характеристики. По расчетам специалистов, эффективность работы ветряка зависит не от количества лопастей, а от их длины и качества ротора. Поэтому крыльчатые ветродвигатели часто оснащаются всего одной-двумя лопастями, длина которых может достигать 100 м – разумеется, в крупных промышленных установках.

Карусельные модели выгодны тем, что не зависят от направления ветра. В простейших конструкциях предусматривается всего одна лентообразная лопасть, которая спиралью проходит через столбчатый стержень. Поэтому вертикальный ветровой генератор даже при небольшой скорости потоков воздуха может генерировать минимальные объемы энергии. С другой стороны, при сильном ветре такие конструкции невыгодны по той причине, что из-за сил противодействия спиральная лента тормозит саму себя, ограничивая производительность.

Проблематика использования ветряков

При всей привлекательности ветродвигателей как бесплатного источника энергии, их эксплуатация сопрягается с целым рядом неэкономических проблем. Прежде всего это непостоянство. Очевидно, что пользователь никак не может влиять на силу ветра и ему остается лишь надеяться на изменение погодных условий. Именно по этой причине на крупных ветровых станциях подключают аварийное энергоснабжение – как раз на случай длительного отсутствия ветровых потоков достаточной силы.

Этим же аспектом обусловлено и внедрение в комплекс генераторов вспомогательной аппаратуры. Наличие батареи аккумулятора, инвертора и резервного генератора обязательно для того, чтобы мощность стабилизировалась и напряжение выравнивалось, так как ветер может вовсе отсутствовать, а может выдавать разную скорость движения.

И здесь уже возникает экономический аспект, поскольку широко укомплектованные ветровые генераторы в любом случае требуют расходов на техническое содержание. Тем не менее по мере оптимизации энергетического оборудования и эта проблема постепенно утрачивает главенствующее значение, оставляя возможности для развития отрасли.

Самодельные ветряки

Реализация собственного проекта ветродвигателя вполне возможна без подключения специалистов. Конечно, если речь идет о домашнем изготовлении, то проект с расчетами мощности и балансировки будет шаблонным. Начинать подобные предприятия рекомендуется с небольших ветряков, силовой потенциал которых составляет 10-20 Вт. Такие устройства требуют минимальных затрат, но зато дадут практический опыт и наглядное представление о том, каким образом вырабатывается энергия. Далее - по мере усложнения конструкции и увеличения ее размеров - можно получить эффективный ветровой генератор для дома. Своими руками такую конструкцию можно собрать из готовых технических компонентов, агрегатов и деталей, которые доступны на рынке. Ниже представлено несколько вариантов сборки домашнего ветрогенератора.

Модели на электродвигателе

Чаще всего бытовые ветрогенераторы выполняют из электродвигателей постоянного тока, работающих на низких оборотах. Желательно ориентироваться на конструкцию с постоянными магнитами, которая позволит обеспечивать напряжение на уровне 80–100 Вт.

Нередко для подобных целей применяются автомобильные генераторы, однако в такую конструкцию должен будет войти и мультипликатор. Связано это с тем, что автогенератор способен обеспечивать достаточное напряжение лишь в условиях повышенных оборотов – частотой до 2500 об/мин. На такую нагрузку просто не рассчитан домашний ветровой генератор. Своими руками потребуется реконструировать силовую установку, дополнив ее неодимовыми магнитами в роторной области. Могут потребоваться и точные токарные работы, но это уже зависит от типа конструкции ветряка.

Модели из ротора Савониуса

Это концепция вертикально-осевого генератора, который базируется на так называемом роторе Савониуса карусельного типа. Сразу надо сказать, что самодельный ветровой генератор этого типа будет способен обеспечивать мощность на уровне 20 Вт. Этого недостаточно для энергоснабжения дома, но на питание некоторых приборов хватит. В работе будут использоваться алюминиевые листы, трубы и аккумулятор. Из листов и труб сооружается карусельный каркас с внутренними лопастями. Может получиться 2-3 секции в зависимости от объема материала.

В качестве фиксирующих элементов применяют саморезы и заклепки с уголками. Если удастся сделать ветровой генератор своими руками на базе ротора Савониуса для энергоснабжения 12-вольтных приборов, то будет смысл увеличить размеры рабочей конструкции-приемника, и тогда можно говорить о существенной экономии на энергоснабжении всего дома.

Монтажные установочные работы

С конструктивной точки зрения ветряк состоит из трех базовых компонентов – двигателя, приемника ветрового усилия (лопастей) и аккумулятора с преобразователем. Разумеется, в конструкцию могут добавляться и другие части, но для монтажа стоит рассматривать эти узлы в качестве базовых. Как же выполняется установка ветровых генераторов из разных компонентов? Работа начинается с соединения вала двигателя с несущей трубой генератора. Труба станет стержнем всей конструкции. В ней следует изначально проделать несколько отверстий на обоих концах, что облегчит монтажные операции.

На следующем этапе монтируется мачта с ротором. Она должна быть или жестко приварена, или зафиксирована специальными скобами. Затем следует другой вопрос – как сделать ветровой генератор, чтобы он физически выдерживал сильные воздушные потоки? Эта способность в немалой степени будет зависеть от фундамента, в который интегрирована труба. Желательно устроить бетонную площадку с несколькими пластами укрепления.

Заключение

Пока еще энтузиасты, которые экспериментируют с подобными источниками энергии, в основном руководствуются любительским интересом. На практике ветровые генераторы лишь в единичных случаях оказываются финансово выгодным оснащением. Безусловно, сам принцип выработки энергии из ветра действует и дает выгоды. Но полноценное обеспечение дома за счет таких стаций пока реализуется в небольшом проценте случаев. Несмотря на это, технологическое развитие компонентов генератора внушает оптимизм в успешность развития этого сегмента энергетики.