Ротор ветрогенератора

Плюсы и минусы вертикальных ветрогенераторов, их виды и особенности

Использование энергии ветра для выработки электричества – одна из перспективных форм развития альтернативной энергетики. Вертикальный ветрогенератор является перспективным направлением развития отрасли, т.к. имеет ряд преимуществ по сравнению с горизонтальными аналогами.

Принцип работы

Вертикальный ветряк представляет собой цилиндр, устанавливаемый на основание. Благодаря своей форме, работает вне зависимости от направления ветра. Вне зависимости от вида вертикального ветрогенератора, он устроен таким образом, чтобы давление потока воздуха на одну из его сторон было выше, чем на другую.

Благодаря такой разнице в давлении происходит вращение оси генератора и выработка электричества. Из-за того, что сила ветра направлена на обе стороны ветрогенератора, показатель стартовой скорости ветра немного больше, чем у горизонтальных ветряков, но при должном качестве деталей, существует самораскрутка – т.е. значительное увеличение оборотов генератора даже при небольшом (от 3,5 м/с) ветре.

Какая конструкция лучше

Существует несколько принципиально разных конструкций вертикальных ветрогенераторов, каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками.

  1. Ветряк Савониуса — полукруглые лопасти

    Ротор Савониуса. Модель такого вертикального ветряка включает в себя две или более лопасти, выполненные в форме полукруга. При этом давление, оказываемое на «открытую» часть круга значительно превышает то, которое воздействует на противоположную сторону. Конструкция достаточно проста в изготовлении, поэтому пользуется наибольшей популярностью среди самодельных вертикальных ветрогенераторов. Недостатки:

    • Большая «парусность». Воздействие ветра кренит всю конструкцию, создавая напряжение в оси и выводя из строя подшипник, на котором вращается весь ротор.
    • Конструкция не способна начать вращаться самостоятельно при наличии двух или трех лопастей, поэтому два таких ротора необходимо закреплять на одной оси одну под другой под углом в 90°
  2. На ортогональный ротор устанавливают дополнительные статические экраны для увеличения производительности

    Ротор Дарье или ортогональный. Существует множество модификаций такого вертикального ветрогенератора, но принцип работы остается неизменным. Вращение происходит за счет крылообразной формы лопасти генератора. При воздействии потока воздуха создается подъемная сила, за счет которой и вращается ось. Недостатки:

    • Низкая, даже по меркам ветрогенераторов, эффективность.
    • Скорость ветра для полной раскрутки такого генератора должна быть не менее 4 м/с. При этом до набора полной скорости вращения такого ротора, нагрузку к ветряку подключать нельзя – остановится.
    • Шумность. Если в остальных моделях шум издают только подвижные части (подшипники), то вертикальный ветрогенератор такого типа шумит лопастями. Очень сильно.
    • Из-за вибрации быстро выводит из строя подшипники и все несущие элементы конструкции.
  3. Геликоидный ротор имеет сложную конструкцию

    Геликоидный ротор. Этот вертикальный ветрогенератор имеет замысловатую форму, но по — сути это ортогональный ветрогенератор с вертикальной осью, только лопасти у него закручены вдоль несущей оси, что значительно повышает срок службы всей конструкции, т.к. обеспечивает равномерную нагрузку на подшипник и мачту со всех сторон. Недостатки:

    • Сложность в изготовлении, отсюда высокая стоимость вертикального ветряка.
  4. Многолопастной ветряк

    Многолопастной вертикальный ветрогенератор. Если рассматривать только коммерческие образцы – этот тип ротора является наиболее производительным и дает наименьшую нагрузку на несущие детали. Внутри такого вертикального ветряка содержится дополнительный ряд статичных лопастей, которые направляют поток воздуха таким образом, чтобы максимально увеличить эффективность ротора. Недостатки:

    • Высокая стоимость устройства из-за большого количества деталей.

Плюсы вертикальной оси

Положительные качества всех вертикальных ветрогенераторов:

  1. Не направляются по ветру, работают при любой его направленности.
  2. В отличие от ветрогенераторов с горизонтальной осью, имеет только одну ось вращения, следовательно бо́льший срок службы.
  3. Возможна установка на небольшой высоте — от 1,5м, в зависимости от модели.
  4. Все важные подвижные элементы находятся в нижней части генератора, что позволяет удобно его обслуживать.

    Важно. При необходимости вал ротора увеличивается до необходимой длины для удобства доступа к статору, без существенной потери КПД.

  5. Возможность собрать действующий ветрогенератор своими руками из подручных материалов.
  6. Благодаря возможности создания жесткой конструкции с несколькими точками опоры, вертикальные ветрогенераторы работают при бо́льшей максимальной скорости ветра.
  7. Более высокая устойчивость к разрушающему воздействию ветра.
  8. В этих ветряках возможно создание собственной циркуляции воздуха, за счет чего образуется быстроходный эффект, когда линейная скорость лопастей в 20 и более раз превышает скорость ветра.

Минусы

  1. Громоздкость конструкции. Самые легкие вертикальные ветряки весят не менее 300 кг вместе со стойкой.
  2. Низкая эффективность по сравнению с горизонтальным.
  3. Шумность. Ветряк издает шум от лопастей во время работы.

Видео. Геликоидный ветрогенератор

В ролике наглядно показана работа геликоидного ветряка, установленного на специальной мачте

Power Bank с солнечной батареей — расчет на безграмотностьПринцип действия солнечных батарей.Виды садовых светильников и фонарей на солнечных батареях, как и где использовать. Окупаются ли солнечные батареи для частного дома

Расчет лопасти турбины Дарье


Турбины Дарье считаются самыми перспективными вертикальными ветрогенераторами благодарая их высокой быстроходности и КИЭВ. Для турбин Дарье применяют двояковыпулые симметричные лопасти, но наибольшую подъемную силу дают вогнуто-выпуклые крылья. У двояковыпуклых крыльев подъемная сила несколько меньше, чем у вогнуто-выпуклых, но зато меньше лобовое сопротивление. Крылья плосковыпуклым сечением занимают промежуточное место, т. е. подъемная сила и лобовое сопротивление у них меньше, чем у вогнуто-выпуклых, но больше, чем у двояковыпуклых. Наименьшее лобовое сопротивление имеют именно крылья симметричных двояковыпуклых профилей, поэтому они и применяются в ветрогенераторах Дарье (толстый профиль).
Максимальная толщина лопасти турбины Дарье зависит от хорды (высота профиля, перпендикулярная толщине) выбранного профиля и считается как процент, которые записаны в номере профиля (NACA 0021) от хорды (длины) профиля. Формула для расчета все лопасти такая:

Расчет лопасти турбины (ветрогенератора) Дарье
, где
с — длина хорды лопасти;
x — позиция по оси x для которой считаем значение y;
y — половина толщины лопасти в позиции x;
t — максимальная толщина лопасти, как доля от длинны хорды.
Величина t в формулы пишется как доля (0,21), но в жизни обычно указывается в процентах (21%). Эти две цифры и отображаются в коде профиля.

Ветротурбина Дарье (Darrieus rotor) — тип турбины низкого давления, вертикальная ось вращения которой перпендикулярна потоку жидкой или газовой среды. Предложена в 1931 году французским авиаконструктором Жоржем Дарье (George Darrieus). Ротор Дарье нашёл широкое применение в ветроэнергетике, она имеет две или три лопасти в виде плоской полосы.
Преимущества. Такая установка отличается низкой себестоимостью, но и эффективность у них не самая большая.
Недостатки. При равномерном набегающем потоке она не может запускаться самостоятельно. При вращении испытывает сильные рывки, поэтому требуется много траверс. Также нужно делать ее довольно прочными.
Ортогональный ветрогенератор (Н-ротор Дарье) — другой распространенный вариант установки, имеющей несколько лопастей направленных параллельно оси, удаленными от нее на расстояние, перпендикулярно земле. Он более эффективен, но очень шумный, к тому же требует немного больше усилий его поддержку. К недостаткам также относится низкий срок работы опорных узлов, из-за высоких динамических нагрузок со стороны ротора.
Геликоидный (спиральный) ветрогенератор Дарье. Геликоид (от греч.(греческий) hélix, родительный падеж hélikos — спираль и éidos — вид), один из видов винтовой поверхности. Ветровая станция с геликоидным механизмом имеет более равномерное вращения ротора благодаря закрутке лопастей, что снижает нагрузку на опорные узлы, что в свою очередь увеличивает срок службы. Но из-за сложной технологии производства, он имеет высокую стоимость.

Геликоидная турбина Горлова – это наиболее эффективное устройство для получения энергии на гидроэлектростанциях, приливных станциях и даже – в перспективе – на вертикальных ветрогенераторах ветряных ферм.

Патент на свое изобретение Александр Горлов, профессор Северо-Восточного университета Бостона, США, получил еще в далеком 1995 году, но продолжал усовершенствовать свое устройство. Разработки завершились совсем недавно. А в мае 2011 года Горлов получил престижную европейскую премию «Изобретатель года».

Турбина Горлова – это более совершенная модель ротора Дарье, изобретенного еще в 1931 году. С помощью геликоидной турбины можно получать до 35% кинетической энергии из воды. Минимальная скорость потока – полтора метра в секунду, а минимальный объем воды – один кубометр. А значит, небольшие устройства можно будет устанавливать даже на неглубоких и спокойных реках.

Геликоидная турбина Горлова работает так. Ее ось расположена перпендикулярно потоку воды или воздуха, а лопасти турбины – по спирали вдоль оси. Сами лопасти по форме напоминают крыло самолета – таким образом, ротор вращается только в одном направлении. Потоки воды или воздуха с максимальной эффективностью вращают лопасти, а за счет спиралевидной формы турбины скорость их вращения в два раза выше, чем скорость потока.

Турбина Горлова уже прошла все необходимые испытания. А теперь с ее помощью энергию будут добывать из Гольфстрима, крупнейшего океанического течения: проект гидроэлектростанции во Флоридском проливе США уже находится в разработке. Ожидаемая мощность электростанции – 136 мегаватт.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх