От конструкции устройства, преобразующего энергию ветра в кинетическую энергию вращающегося вала, зависит зависит конструкция всей ветроэлектростанции. В настоящее время имеется два наиболее распространенных типа ветродвигателя:

• ветровое колесо;

• пропеллер.

Ветровое колесо по конструкции намного сложнее пропеллера и представляет собой круглую пространственную решётку из лопастей, смотри рис. 1.

Рисунок 1

Лопасти ветрового колеса могут выполнятся из листовой стали, алюминиевого или дюралевого листа толщиной 1,5-2 мм.

Ветровое колесо тихоходное устройство. Так как все без исключения электрогенераторы работают эффективно при частоте вращения 1000 об\мин и выше, поэтому между ветровым колесом и генератором необходимо установить мультипликатор с передаточным отношением (1:15, 1:20).

Большим преимуществом ветроколеса является то, что оно работает практически бесшумно и способно вращаться при сравнительно малой скорости ветра. К недостаткам относится сложная конструкция, громоздкость и тихоходность.

Пропеллер- устройство типа винта самолета. Конструктивно пропеллер много проще и легче ветроколеса. Пропеллер вращается значительно быстрее и в определённых условиях позволяет обойтись без мультиплектора. см. рис. 2

Рисунок 2

Для ветроэлектростанций целесообразней использовать два пропеллера одновременно (см. рис. 3): один из них связывается с ротором электрогенератора и вращается в одну сторону, другой - со статором и вращается в противоположную сторону. Использование такой конструкции аналогично применению мультипликатора с передаточным отношением 1:2.

Рисунок 3

Выбор электрогенератора

Первым определяющим параметром является частота вращения, которая должна быть малой. Вторым определяющим параметром является мощность, третьим - надежность.

Если мощность ветроэлектростанции 50-100 Вт, то может быть использован генератор, применяемый на тракторах марки Г-31А, мощность 60Вт. Это синхронный шестиполюсный генератор с вращающимися магнитами и шестью неподвижными катушками см. рис. 4

Рисунок 4

Электрогенераторы такого типа хороши тем, что требуют минимального ухода: здесь нет ни угольных щеток, ни коллектора, которые время от времени нужно чистить.

Для более мощной ветроэлектростанции подойдет электрогенератор используемый на автобусах, например Г-2 мощность 720 Вт, напряжением 12 В и током отдачи 60 А. Такой генератор имеет небольшой диаметр (0,25 м) и при частоте вращения 500-600 об\мин уже может давать ток заряда. см. рис.5

Рисунок 5

Этот генератор снабжён двумя катушками внешнего возбуждения, что позволяет иметь мощность, меняющуюся в широких пределах. Ток возбуждения подводится к катушкам через три угольные щетки с тремя контактными кольцами и может изменяться от долей ампера до 1,5 А.

Поскольку в электромагнитных генераторах имеется остаточных магнетизм, то с помощью диодов можно использовать это явление для самовозбуждения генератора. самовозбуждающийся генератор позволяет ветродвигателю легко трогаться с места и быстро набирать обороты.

Выбор схемы включения электрогенератора

Схемы зарядки аккумулятора от генератора Г-2 показаны на рисунке 6.

Рисунок 6

При малой частоте вращения, напряжение вырабатываемое генератором, может быть недостаточно для зарядки аккумулятора Поэтому необходим повышающий трансформатор см, рис. 7.

Рисунок 7

Выбор привода

Широкое распространение получил гидропривод, включающий в себя и гидропередачи. Гидропередачи используют для передачи момента вращения от ветродвигателя на вал ротора электрогенератора. В гидропередачах энергия передается за счет движения жидкости, находящейся под большим давлением, смотри рисунок 8.

Рисунок 8

Наверху мачты монтируется гидронасос 1 объёмного действия (шестирёнчатый марки НШ-10У на давление 10 МПа, или аксиально-поршневой марки 210.12 на давление 16 МПа, или др.). Напорная линия 2 от него в виде стальной трубки диаметром 1/2" или гибкого шланга опускается в полость мачты, такой же шланг или трубка 3 опускается вниз из всасывающего отверстия насоса на глубину 0,5-0,7 м. Внизу на платформе приваренной к трубе мачты монтируется гидродвигатель 7с электрогенератором 8, валы которых сочлены обычными муфтами. Напорный патрубок 6 гидродвигателя присоединяется к напорному шлангу 2 гидронасоса, а сбросный патрубок 5 соединяется с внутренней полостью трубы мачты, которая заливается минеральным маслом 4. Если рабочий объём гидродвигателя меньше рабочего объёма насоса, то частота вращения гидродвигателя будет больше частоты вращения насоса, т.е. пропеллера.

Система работает так. Пропеллер вращает вал гидронасоса, насос по всасывающей трубе засасывает минеральное масло из полости трубы мачты и под давлением подает его по напорной трубе в напорное отверстие гидродвигателя. Из отводного отверстия гидродвигателя масло поступает снова во внутреннюю полость мачты. Гидродвигатель при этом вращается и приводит в движение электрогенератор. Из-за чувствительности к мелким частицам в систему ставят масло-фильтр. Частота вращения агрегатов регулируется клапаном напорного или сливного шланга. Перекрытый клапан "выключит" ветроагрегат в штормовую погоду. Гидронасосы и гидродвигатели подбирают из тракторных или авиационных.

Изготовление пропеллера

Пропеллер диаметром 1.5 м изготавливается следующим образом. Выбирается чистая еловая, осиновая или берёзовая доска толщиной 25 мм, шириной 110-120 мм и гладко выстругивается до толщины 20-23 мм. Находится центр доски и от него в обе стороны отмеряется по 60-70 мм, помечается рисками смотри рис.9. Это центральная часть доски - ступица. к ней четырьмя болтами крепится металлический фланец, который надевается на ось ротора генератора или мультиплектора. Обе половины доски от ступицы к концам стесываются так, чтобы получились усеченные четырёхугольные пирамиды поперечным сечением на концах 80x10мм (см. сечения 3-3, 4-4). далее лицевые поверхности пирамид стёсываются (половина их объёма удаляется), причем на одном конце стесывается одна сторона, на другом - другая. В результате вся лицевая сторона имеет вид пропеллера. На тыльной стороне по всей длине доски от ступицы до концов плавно закругляется прямой угол. поперечное сечение должно иметь форму поперечного сечения крыла самолёта ( см. сечения 1-1, 2-2). Пропеллер окрашивается масляной краской.

Рисунок 9

  Концы лопастей и его переднюю кромку лучше аккуратно оковать тонким алюминиевым листом во избежание преждевременного изнашивания.

  Быстроходность пропеллера зависит от толщины доски (толщины ступицы). Чем тоньше ступица ( в разумных пределах), тем быстроходней пропеллер.

  После установки, пропеллер необходимо сбалансировать.

Расчет ветросиловой установки

Мощность ветрового потока зависит от его плотности и скорости, а также площади поперечного сечения воздушной струи, проходящей через ветродвигатель.
 В случае ветроколеса - это активная площадь поперечного сечения:

F=p(D²- d²)/4
(ур.1)

где: D - внешний диаметр ветроколеса (расстояние между внешними концами двух противоположных лопаток);
d - внутренний диаметр ветроколеса (расстояние между внутренними концами двух противоположных лопаток).

  В случае пропеллерной установки площадью поперечного сечения считается площадь круга F, ограничиваемого пропеллером при его вращении, которая вычисляется по формуле: 

F=pD²/4
(ур.2)

где: D - расстояние между крайними точками лопастей пропеллера.

  Мощность воздушного потока можно подсчитать, используя уравнение кинетической энергии для тела массой m, движущегося со скоростью v, 

E=mv²/2
(ур.3)

  Если в это уравнение вместо массы m подставить массу воздушного потока, проходящего через поперечное сечение в одну секунду, получим мощность N воздушного потока,

N=m₀v/2
(ур.4)

  Единичная масса может быть выражена через плотность и расход потока, 

m₀=pQ=pFv
(ур.5)

где: p - плотность воздушного потока (1,3/м³ ); v - скорость воздушного потока.

  Подставляя уравнение 5 в уравнение 4 получим формулу

N=pFv²/2 

Выбор места установки ветродвигателя

Наилучшим местом установки ветроэлектростанции является  участок с наименьшей затеняемостью от ветра большими деревьями и постройками с минимальным расстоянием от их 25-30 м. Высота её должна превышать высоту ближайших строений на 3-5 м. По линии господствующего направления ветра деревьев быть не должно.