Сделаем ветряной генератор своими руками. Вертикальный ветрогенератор своими руками Генератор включает в себя

01.07.2023

Россия в отношении ветроэнергетических ресурсов занимает двоякое положение. С одной стороны, благодаря огромной общей площади и обилию равнинных местностей ветра в целом много, и он большей частью ровный. С другой – наши ветры преимущественно низкопотенциальные, медленные, см. рис. С третьей, в мало обжитых местностях ветры буйные. Исходя из этого, задача завести на хозяйстве ветрогенератор вполне актуальна. Но, чтобы решить – покупать достаточно дорогое устройство, или сделать его своими руками, нужно как следует подумать, какой тип (а их очень много) для какой цели выбрать.

Основные понятия

КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
Максимально допустимая скорость ветра (МДС) – его скорость, при которой выработка энергии прекращается: автоматика или отключает генератор, или ставит ротор во флюгер, или складывает его и прячет, или ротор сам останавливается, или ВСУ просто разрушается.
Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
Отрицательная стартовая скорость (ОСС) – это значит, что ВСУ (или ВЭУ – ветроэнергетическая установка, или ВЭА, ветроэнергетический агрегат) для запуска при любой скорости ветра требует обязательной раскрутки от постороннего источника энергии.
Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
Тихоходный ветряк – в нем линейная скорость частей ротора в потоке существенно не превосходит скорость ветра или ниже ее. Динамический напор потока непосредственно преобразуется в тягу лопасти.
Быстроходный ветряк – линейная скорость лопастей существенно (до 20 и более раз) выше скорости ветра, и ротор образует свою собственную циркуляцию воздуха. Цикл преобразования энергии потока в тягу сложный.

Примечания:

Тихоходные ВСУ, как правило, имеют КИЭВ ниже, чем быстроходные, но имеют стартовый момент, достаточный для раскрутки генератора без отключения нагрузки и нулевую ССВ, т.е. абсолютно самозапускающиеся и применимы при самых слабых ветрах.

Тихоходность и быстроходность – понятия относительные. Бытовой ветряк на 300 об/мин может быть тихоходным, а мощные ВСУ типа EuroWind, из которых набирают поля ветроэлектростанций, ВЭС (см. рис.) и роторы которых делают порядка 10 об/мин – быстроходные, т.к. при таком их диаметре линейная скорость лопастей и их аэродинамика на большей части размаха – вполне «самолетные», см. далее.

Какой нужен генератор?

Электрический генератор для ветряка бытового назначения должен вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне скоростей вращения и обладать способностью самозапуска без автоматики и внешних источников питания. В случае использования ВСУ с ОСС (ветряки с раскруткой), обладающих, как правило, высокими КИЭВ и КПД, он должен быть и обратимым, т.е. уметь работать и как двигатель. При мощностях до 5 кВт этому условию удовлетворяют электрические машины с постоянными магнитами на основе ниобия (супермагнитами); на стальных или ферритовых магнитах можно рассчитывать не более чем на 0,5-0,7 кВт.

Примечание: асинхронные генераторы переменного тока или коллекторные с ненамагниченным статором не годятся совершенно. При уменьшении силы ветра они «погаснут» задолго до того, как его скорость упадет до МРС, и потом сами не запустятся.

Отличное «сердце» ВСУ мощностью от 0,3 до 1-2 кВт получается из автогенератора переменного тока со встроенным выпрямителем; таких сейчас большинство. Во-первых, они держат выходное напряжение 11,6-14,7 В в довольно широком диапазоне скоростей без внешних электронных стабилизаторов. Во-вторых, кремниевые вентили открываются, когда напряжение на обмотке достигнет примерно 1,4 В, а до этого генератор «не видит» нагрузки. Для этого генератор нужно уже довольно прилично раскрутить.

В большинстве случаев автогенератор можно непосредственно, без зубчатой или ременной передачи, соединить с валом быстроходного ВД, подобрав обороты выбором количества лопастей, см. ниже. «Быстроходки» имеют малый или нулевой стартовый момент, но ротор и без отключения нагрузки успеет достаточно раскрутиться, прежде чем вентили откроются и генератор даст ток.

Выбор по ветру

Прежде чем решать, какой сделать ветрогенератор, определимся с местной аэрологией. В серо-зеленоватых (безветренных) областях ветровой карты хоть какой-то толк будет лишь от парусного ветродвигателя (и них далее поговорим). Если необходимо постоянное энергоснабжение, то придется добавить бустер (выпрямитель со стабилизатором напряжения), зарядное устройство, мощную аккумуляторную батарею, инвертор 12/24/36/48 В постоянки в 220/380 В 50 Гц переменного тока. Обойдется такое хозяйство никак не менее $20.000, и снять долговременную мощность более 3-4 кВт вряд ли получится. В общем, при непреклонном стремлении к альтернативной энергетике лучше поискать другой ее источник.

В желто-зеленых , слабоветренных местах, при потребности в электричестве до 2-3 кВт самому можно взяться за тихоходный вертикальный ветрогенератор . Их разработано несть числа, и есть конструкции, по КИЭВ и КПД почти не уступающие «лопастникам» промышленного изготовления.

Если же ВЭУ для дома предполагается купить, то лучше ориентироваться на ветряк с парусным ротором. Споров и них много, и в теории пока еще не все ясно, но работают. В РФ «парусники» выпускают в Таганроге на мощность 1-100 кВт.

В красных , ветреных, регионах выбор зависит от потребной мощности. В диапазоне 0,5-1,5 кВт оправданы самодельные «вертикалки»; 1,5-5 кВт – покупные «парусники». «Вертикалка» тоже может быть покупной, но обойдется дороже ВСУ горизонтальной схемы. И, наконец, если требуется ветряк мощностью 5 кВт и более, то выбирать нужно между горизонтальными покупными «лопастниками» или «парусниками».

Примечание: многие производители, особенно второго эшелона, предлагают комплекты деталей, из которых можно собрать ветрогенератор мощностью до 10 кВт самостоятельно. Обойдется такой набор на 20-50% дешевле готового с установкой. Но прежде покупки нужно внимательно изучить аэрологию предполагаемого места установки, а затем по спецификациям подобрать подходящие тип и модель.

О безопасности

Детали ветродвигателя бытового назначения в работе могут иметь линейную скорость, превосходящую 120 и даже 150 м/с, а кусочек любого твердого материала весом в 20 г, летящий со скоростью 100 м/с, при «удачном» попадании убивает здорового мужика наповал. Стальная, или из жесткого пластика, пластина толщиной 2 мм, движущаяся со скоростью 20 м/с, рассекает его же напополам.

Кроме того, большинство ветряков мощностью более 100 Вт довольно сильно шумят. Многие порождают колебания давления воздуха сверхнизкой (менее 16 Гц) частоты – инфразвуки. Инфразвуки неслышимы, но губительны для здоровья, а распространяются очень далеко.

Примечание: в конце 80-х в США был скандал – пришлось закрыть крупнейшую на тот момент в стране ВЭС. Индейцы из резервации в 200 км от поля ее ВСУ доказали в суде, что резко участившиеся у них после ввода ВЭС в эксплуатацию расстройства здоровья обусловлены ее инфразвуками.

В силу указанных выше причин установка ВСУ допускается на расстоянии не менее 5 их высот от ближайших жилых строений. Во дворах частных домовладений можно устанавливать ветряки промышленного изготовления, соответствующим образом сертифицированные. На крышах ставить ВСУ вообще нельзя – при их работе, даже у маломощных, возникают знакопеременные механические нагрузки, способные вызвать резонанс строительной конструкции и ее разрушение.

Примечание: высотой ВСУ считается наивысшая точка ометаемого диска (для лопастных роторов) или геомерической фигуры (для вертикальных ВСУ с ротором на древке). Если мачта ВСУ или ось ротора выступают вверх еще выше, высота считается по их топу – верхушке.

Ветер, аэродинамика, КИЭВ

Самодельный ветрогенератор подчиняется тем же законам природы, что и заводской, рассчитанный на компьютере. И самодельщику основы его работы нужно понимать очень хорошо – в его распоряжении чаще всего нет дорогих суперсовременных материалов и технологического оборудования. Аэродинамика же ВСУ ох как непроста…

Ветер и КИЭВ

Для расчета серийных заводских ВСУ используется т. наз. плоская механистическая модель ветра. В ее основе следующие предположения:

Скорость и направление ветра постоянны в пределах эффективной поверхности ротора.

Воздух – сплошная среда.

Эффективная поверхность ротора равна ометаемой площади.

Энергия воздушного потока – чисто кинетическая.

При таких условиях максимальную энергию единицы объема воздуха вычисляют по школьной формуле, полагая плотность воздуха при нормальных условиях 1,29 кг*куб. м. При скорости ветра 10 м/с один куб воздуха несет в себе 65 Дж, и с одного квадрата эффективной поверхности ротора можно, при 100% КПД всей ВСУ, снять 650 Вт. Это весьма упрощенный подход – все знают, что ветер идеально ровным не бывает. Но на это приходится идти, чтобы обеспечить повторяемость изделий – обычное в технике дело.

Плоскую модель игнорировать не следует, она дает четкий минимум доступной энергии ветра. Но воздух, во-первых, сжимаем, во-вторых, очень текуч (динамическая вязкость всего 17,2 мкПа*с). Это значит, поток может обтекать ометаемую площадь, уменьшая эффективную поверхность и КИЭВ, что чаще всего и наблюдается. Но в принципе возможна и обратная ситуация: ветер стекается к ротору и площадь эффективной поверхности тогда окажется больше ометаемой, а КИЭВ – больше 1 относительно его же для плоского ветра.

Приведем два примера. Первый – прогулочная, довольно тяжеловесная, яхта может идти не только против ветра, но и быстрее его. Ветер имеется в виду внешний; вымпельный ветер все равно должен быть быстрее, иначе как он судно потянет?

Второй – классика авиационной истории. На испытаниях МИГ-19 оказалось, что перехватчик, который был на тонну тяжелее фронтового истребителя, по скорости разгоняется быстрее. С теми же движками в том же планере.

Теоретики не знали, что и думать, и всерьез засомневались в законе сохранения энергии. В конце концов оказалось – дело в выступающем из воздухозаборника конусе обтекателя РЛС. От его носка к обечайке возникало уплотнение воздуха, как бы сгребавшее его со сторон к компрессорам двигателей. С тех пор ударные волны прочно вошли в теорию как полезные, и фантастические летные данные современных самолетов в немалой степени обусловлены их умелым использованием.

Аэродинамика

Развитие аэродинамики принято делить на две эпохи – до Н. Г. Жуковского и после. Его доклад «О присоединенных вихрях» от 15 ноября 1905 г. стал началом новой эры в авиации.

До Жуковского летали на поставленных плашмя парусах: полагалось, что частицы набегающего потока отдают весь свой импульс передней кромке крыла. Это позволяло сразу избавиться от векторной величины – момента количества движения – порождавшей зубодробительную и чаще всего неаналитическую математику, перейти к куда более удобным скалярным чисто энергетическим соотношениям, и получить в итоге расчетное поле давления на несущую плоскость, более-менее похожее на настоящее.

Такой механистический подход позволил создать аппараты, способные худо-бедно подняться в воздух и совершить перелет из одного места в другое, не обязательно грохнувшись на землю где-то по пути. Но стремление увеличить скорость, грузоподъемность и другие летные качества все больше выявляло несовершенство первоначальной аэродинамической теории.

Идея Жуковского была такова: вдоль верхней и нижней поверхностей крыла воздух проходит разный путь. Из условия непрерывности среды (пузыри вакуума сами по себе в воздухе не образуются) следует, что скорости верхнего и нижнего потоков, сходящих с задней кромки, должны отличаться. Вследствие пусть малой, но конечной вязкости воздуха там из-за разности скоростей должен образоваться вихрь.

Вихрь вращается, а закон сохранения количества движения, столь же непреложный, как и закон сохранения энергии, справедлив и для векторных величин, т.е. должен учитывать и направление движения. Поэтому тут же, на задней кромке, должен сформироваться противоположно вращающийся вихрь с таким же вращательным моментом. За счет чего? За счет энергии, вырабатываемой двигателем.

Для практики авиации это означало революцию: выбрав соответствующий профиль крыла, можно было присоединенный вихрь пустить вокруг крыла в виде циркуляции Г, увеличивающей его подъемную силу. Т.е., затратив часть, а для больших скоростей и нагрузок на крыло – большую часть, мощности мотора, можно создать вокруг аппарата воздушный поток, позволяющий добиться лучших летных качеств.

Это делало авиацию авиацией, а не частью воздухоплавания: теперь летательный аппарат мог сам создавать себе нужную для полета среду и не быть более игрушкой воздушных потоков. Нужен только двигатель помощнее, и еще и еще мощнее…

Снова КИЭВ

Но у ветряка мотора нет. Он, наоборот, должен отбирать энергию у ветра и давать ее потребителям. И здесь выходит – ноги вытащил, хвост увяз. Пустили слишком мало энергии ветра на собственную циркуляцию ротора – она будет слабой, тяга лопастей – малой, а КИЭВ и мощность – низкими. Отдадим на циркуляцию много – ротор при слабом ветре будет на холостом ходу крутиться как бешеный, но потребителям опять достается мало: чуть дали нагрузку, ротор затормозился, ветер сдул циркуляцию, и ротор стал.

Закон сохранения энергии «золотую середину» дает как раз посерединке: 50% энергии даем в нагрузку, а на остальные 50% подкручиваем поток до оптимума. Практика подтверждает предположения: если КПД хорошего тянущего пропеллера составляет 75-80%, то КИЭВ так же тщательно рассчитанного и продутого в аэродинамической трубе лопастного ротора доходит до 38-40%, т.е. до половины от того, чего можно добиться при избытке энергии.

Современность

Ныне аэродинамика, вооруженная современной математикой и компьютерами, все более уходит от неизбежно что-то да упрощающих моделей к точному описанию поведения реального тела в реальном потоке. И тут, кроме генеральной линии – мощность, мощность, и еще раз мощность! – обнаруживаются пути побочные, но многообещающие как раз при ограниченном количестве поступающей в систему энергии.

Известный авиатор-альтернативщик Пол Маккриди еще в 80-х создал самолет, с двумя моторчиками от бензопилы мощностью в 16 л.с. показавший 360 км/ч. Причем шасси его было трехопорным неубирающимся, а колеса – без обтекателей. Ни один из аппаратов Маккриди не вышел на линию и не встал на боевое дежурство, но два – один с поршневыми моторами и пропеллерами, а другой реактивный – впервые в истории облетели вокруг земного шара без посадки на одной заправке.

Парусов, породивших изначальное крыло, развитие теории тоже коснулось весьма существенно. «Живая» аэродинамика позволила яхтам при ветре в 8 узл. встать на подводные крылья (см. рис.); чтобы разогнать такую громадину до нужной скорости гребным винтом, требуется двигатель не менее 100 л.с. Гоночные катамараны при таком же ветре ходят со скоростью около 30 узл. (55 км/ч).

Есть и находки совершенно нетривиальные. Любители самого редкого и экстемального спорта – бейсджампинга – надев апециальный костюм-крыло, вингсьют, летают без мотора, маневрируя, на скорости более 200 км/ч (рис. справа), а затем плавно приземляются в заранее выбранном месте. В какой сказке люди летают сами по себе?

Разрешились и многие загадки природы; в частности – полет жука. По классической аэродинамике, он летать не способен. Точно так же, как и родоначальник «стелсов» F-117 с его крылом ромбовидного профиля тоже не способен подняться в воздух. А МИГ-29 и Су-27, которые некоторое время могут лететь хвостом вперед, и вовсе ни в какие представления не укладываются.

И почему тогда, занимаясь ветродвигателями, не забавой и не орудием уничтожения себе подобных, а источником жизненно важного ресурса, нужно плясать непременно от теории слабых потоков с ее моделью плоского ветра? Неужели не найдется возможности продвинуться дальше?

Чего ожидать от классики?

Однако от классики отказываться ни в коем случае не следует. Она дает основу, не оперевшись на которую нельзя подняться выше. Точно так же, как теория множеств не отменяет таблицу умножения, а от квантовой хромодинамики яблоки с деревьев вверх не улетят.

Итак, на что можно рассчитывать при классическом подходе? Посмотрим на рисунок. Слева – типы роторов; они изображены условно. 1 – вертикальный карусельный, 2 – вертикальный ортогональный (ветряная турбина); 2-5 – лопастные роторы с разным количеством лопастей с оптимизированными профилями.

Справа по горизонтальной оси отложена относительная скорость ротора, т.е., отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. По вертикальной вверх – КИЭВ. А вниз – опять же относительный крутящий момент. Единичным (100%) крутящим моментом считается такой, который создает насильно заторможенный в потоке ротор со 100% КИЭВ, т.е. когда вся энергия потока преобразуется во вращающее усилие.

Такой подход позволяет делать далеко идущие выводы. Скажем, количество лопастей нужно выбирать не только и не столько по желательной скорости вращения: 3- и 4-лопастники сразу много теряют по КИЭВ и вращательному моменту по сравнению с хорошо работающими примерно в том же диапазоне скорстей 2- и 6-лопастниками. А внешне похожие карусель и ортогонал обладают принципиально разными свойствами.

В целом же предпочтение следует отдавать лопастным роторам, кроме случаев, когда требуются предельная дешевизна, простота, необслуживаемый самозапуск без автоматики и невозможен подъем на мачту.

Примечание: о парусных роторах поговорим особо – они, похоже, в классику не укладываются.

Вертикалки

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. Основные их типы представлены на рис.

ВС

На первой позиции – самый простейший, чаще всего называемый ротором Савониуса. На самом деле его изобрели в 1924 г. в СССР Я. А. и А. А. Воронины, а финский промышленник Сигурд Савониус бессовестно присвоил себе изобретение, проигнорировав советское авторское свидетельство, и начал серийный выпуск. Но внедрение в судьбе изобретения значит очень много, поэтому мы, чтобы не ворошить прошлое и не тревожить прах усопших, назовем этот ветряк ротором Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС.

ВС для самодельщика всем хорош, кроме «паровозного» КИЭВ в 10-18%. Однако в СССР над ним работали много, и наработки есть. Ниже мы рассмотрим усовершенствованную конструкцию, не намного более сложную, но по КИЭВ дающую фору лопастникам.

Примечание: двухлопастный ВС не крутится, а дергается рывками; 4-лопастный лишь немного плавнее, но много теряет в КИЭВ. Для улучшения 4-«корытные» чаще всего разносят на два этажа – пара лопастей внизу, а другая пара, повернутая на 90 градусов по горизонтали, над ними. КИЭВ сохраняется, и боковые нагрузки на механику слабеют, но изгибные несколько возрастают, и при ветре более 25 м/с у такой ВСУ на древке, т.е. без растянутого вантами подшипника над ротором, «срывает башню».

Дарье

Следующий – ротор Дарье; КИЭВ – до 20%. Он еще проще: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. 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.

Ортогонал

На поз. 3 – ортогональный вертикальный ротор с профилированными лопастями. Ортогональный потому, что крылья торчат вертикально. Переход от ВС к ортогоналу иллюстрирует рис. слева.

Угол установки лопастей относительно касательной к окружности, касающейся аэродинамических фокусов крыльев, может быть как положительным (на рис.), так и отрицательным, сообразно силе ветра. Иногда лопасти делают поворотными и ставят на них флюгерки, автоматически держащие «альфу», но такие конструкции часто ломаются.

Центральное тело (голубое на рис.) позволяет довести КИЭВ почти до 50% В трехлопастном ортогонале оно должно в разрезе иметь форму треугольника со слегка выпуклыми сторонами и скругленными углами, а при большем количестве лопастей достаточно простого цилиндра. Но теория для ортогонала оптимальное количество лопастей дает однозначно: их должно быть ровно 3.

Ортогонал относится к быстроходным ветрякам с ОСС, т.е. обязательно требует раскрутки при вводе в эксплуатацию и после штиля. По ортогональной схеме выпускаются серийные необслуживаемые ВСУ мощностью до 20 кВт.

Геликоид

Геликоидный ротор, или ротор Горлова (поз. 4) – разновидность ортогонала, обеспечивающая равномерное вращение; ортогонал с прямыми крыльями «рвет» лишь немного слабее двухлопастного ВС. Изгиб лопастей по геликоиде позволяет избежать потерь КИЭВ из-за их кривизны. Хотя часть потока кривая лопасть и отбрасывает, не используя, но зато и загребает часть в зону наибольшей линейной скорости, компенсируя потери. Геликоиды используют реже прочих ветряков, т.к. они вследствие сложности изготовления оказываются дороже равных по качеству собратьев.

Бочка-загребушка

На 5 поз. – ротор типа ВС, окруженный направляющим аппаратом; его схема представлена на рис. справа. В промышленном исполнении встречается редко, т.к. дорогостоящий отвод земли не компенсирует прироста мощности, а материалоемкость и сложность производства велики. Но самодельщик, боящийся работы – уже не мастер, а потребитель, и, если нужно не более 0,5-1,5 кВт, то для него «бочка-загребушка» лакомый кусок:

Ротор такого типа абсолютно безопасен, бесшумен, не создает вибраций и может быть установлен где угодно, хоть на детской площадке.

Согнуть «корыта» из оцинковки и сварить каркас из труб – работа ерундовая.

Вращение – абсолютно равномерное, детали механики можно взять самые дешевые или из хлама.

Не боится ураганов – слишком сильный ветер не может протолкнуться в «бочку»; вокруг нее возникает обтекаемый вихревой кокон (мы с этим эффектом еще столкнемся).

А самое главное – поскольку поверхность «загребушки» в несколько раз больше таковой ротора внутри, КИЭВ может быть и сверхединичным, а вращательным момент уже при 3 м/с у «бочки» трехметрового диаметра такой, что генератору на 1 кВт с предельной нагрузкой, как говорится, лучше и не дергаться.

Видео: ветрогенератор Ленца

В 60-х в СССР Е. С. Бирюков запатентовал карусельную ВСУ с КИЭВ 46%. Немного позже В. Блинов добился от конструкции на том же принципе КИЭВ 58%, но данных о ее испытаниях нет. А натурные испытания ВСУ Бирюкова были проведены сотрудниками журнала «Изобретатель и рационализатор». Двухэтажный ротор диаметром 0,75 м и высотой 2 м при свежем ветре раскручивал на полную мощность асинхронный генератор 1,2 кВт и выдерживал без поломки 30 м/с. Чертежи ВСУ Бирюкова приведены на рис.

ротор из кровельной оцинковки;

самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;

ванты – 5 мм стальной трос;

ось-древко – стальная труба с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;

рычаги аэродинамического регулятора оборотов;

лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или листовой пластик;

тяги регулятора оборотов;

груз регулятора оборотов, его вес определяет частоту вращения;

ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;

подпятник – упорно-опорный подшипник;

ведомый шкив – штатный шкив генератора;

генератор.

Бирюков на свою ВСУ получил сразу несколько авторских свидетельств. Во-первых, обратите внимание на разрез ротора. При разгоне он работает подобно ВС, создавая большой стартовый момент. По мере раскрутки во внешних карманах лопастей создается вихревая подушка. С точки зрения ветра, лопасти становятся профилированными, и ротор превращается в быстроходный ортогонал, причем виртуальный профиль меняется соответственно силе ветра.

Во-вторых, профилированный канал между лопастями в рабочем диапазоне скоростей работает как центральное тело. Если же ветер усиливается, то в нем также создается вихревая подушка, выходящая за пределы ротора. Возникает такой же вихревой кокон, как вокруг ВСУ с направляющим аппаратом. Энергия на его создание берется от ветра, и тому на поломку ветряка ее уже не хватает.

В-третьих, регулятор оборотов предназначен прежде всего для турбины. Он держит ее обороты оптимальными с точки зрения КИЭВ. А оптимум частоты вращения генератора обеспечивается выбором передаточного отношения механики.

Примечание: после публикаций в ИР за 1965 г. ВСУ Бирюкова канула в небытие. Ответа от инстанций автор так и не дождался. Судьба многих советских изобретений. Говорят, какой-то японец стал миллиардером, регулярно читая советские популярно-технические журналы и патентуя у себя все, заслуживающее внимания.

Лопастники

Как у сказано, по классике горизонтальный ветрогенератор с лопастным ротором – наилучший. Но, во-первых, ему нужен стабильный хотя бы средней силы ветер. Во-вторых, конструкция для самодельщика таит в себе немало подводных камней, из-за чего нередко плод долгих упорных трудов в лучшем случае освещает туалет, прихожую или крыльцо, а то и оказывается способен только раскрутить самого себя.

По схемам на рис. рассмотрим подробнее; позиции:

Фиг. А:

лопасти ротора;

генератор;

станина генератора;

защитный флюгер (ураганная лопата);

токосъемник;

шасси;

поворотный узел;

рабочий флюгер;

мачта;

хомут под ванты.

Фиг. Б, вид сверху:

защитный флюгер;

рабочий флюгер;

регулятор натяжения пружины защитного флюгера.

Фиг. Г, токосъемник:

коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;

подпружиненные меднографитовые щетки.

Примечание: ураганная защита для горизонтального лопастника диаметром более 1 м совершенно необходима, т.к. создать вокруг себя вихревой кокон он не способен. При меньших размерах можно добиться выносливости ротора до 30 м/с с лопастями из пропилена.

Итак, где нас ждут «спотыки»?

Лопасти

Рассчитывать добиться мощности на валу генератора более 150-200 Вт на лопастях любого размаха, вырезанных из толстостенной пластиковой трубы, как часто советуют – надежды беспросветного дилетанта. Лопасть из трубы (если только она не настолько толстая, что используется просто как заготовка) будет иметь сегментный профиль, т.е. его верхняя, или обе поверхности будут дугами окружности.

Сегментные профили пригодны для несжимаемой среды, скажем, для подводных крыльев или лопастей гребного винта. Для газов же нужна лопасть переменного профиля и шага, для примера см. рис.; размах – 2 м. Это будет сложное и трудоемкое изделие, требующее кропотливого расчета во всеоружии теории, продувок в трубе и натурных испытаний.

Генератор

При насадке ротора прямо на его вал штатный подшипник скоро разобьется – одинаковой нагрузки на все лопасти в ветряках не бывает. Нужен промежуточный вал со специальным опорным подшипником и механическая передача от него на генератор. Для больших ветряков опорный подшипник берут самоустанавливающийся двухрядный; в лучших моделях – трехъярусный, Фиг. Д на рис. выше. Такой позволяет валу ротора не только слегка изгибаться, но и немного смещаться из стороны в сторону или вверх-вниз.

Примечание: на разработку опорного подшипника для ВСУ типа EuroWind ушло около 30 лет.

Аварийный флюгер

Принцип его работы показывает Фиг. В. Ветер, усиливаясь, давит на лопату, пружина растягивается, ротор перекашивается, обороты его падают и в конце концов он становится параллельно потоку. Вроде бы все хорошо, но – гладко было на бумаге…

Попробуйте в ветреный день удержать за ручку параллельно ветру крышку от выварки или большой кастрюли. Только осторожно – вертлявая железяка может садануть по физиономbии так, что расквасит нос, рассечет губу, а то и выбьет глаз.

Плоский ветер бывает только в теоретических выкладках и, с достаточной для практики точностью, в аэродинамических трубах. Реально же ураган ветряки с ураганной лопатой корежит больше, чем вовсе беззащитные. Лучше все-таки менять исковерканные лопасти, чем делать заново все. В промышленных установках – другое дело. Там шаг лопастей, по каждой в отдельности, отслеживает и регулирует автоматика под управлением бортового компьютера. И делаются они из сверхпрочных композитов, а не из водопроводных труб.

Токосъемник

Это – регулярно обслуживаемый узел. Любой энергетик знает, что коллектор со щетками нужно чистить, смазывать, регулировать. А мачта – из водопроводной трубы. Не залезешь, раз в месяц-два придется весь ветряк валить на землю и потом опять поднимать. Сколько он протянет от такой «профилактики»?

Видео: лопастной ветрогенератор + солнечная панель для электроснабжения дачи

Мини и микро

Но с уменьшением размеров лопастника трудности падают по квадрату диаметра колеса. Изготовление горизонтальной лопастной ВСУ своими силами на мощность до 100 Вт уже возможно. Оптимальным будет 6-лопастный. При большем количестве лопастей диаметр ротора, рассчитанного на ту же мощность, будет меньше, но их окажется трудно прочно закрепить на ступице. Роторы о менее чем 6 лопастях можно не иметь в виду: 2-лопастнику на 100 Вт нужен ротор диаметром 6,34 м, а 4-лопастнику той же мощности – 4,5 м. Для 6-лопастного зависимость мощность – диаметр выражается следующим образом:

10 Вт – 1,16 м.

20 Вт – 1,64 м.

30 Вт – 2 м.

40 Вт – 2,32 м.

50 Вт – 2,6 м.

60 Вт – 2,84 м.

70 Вт – 3,08 м.

80 Вт – 3,28 м.

90 Вт – 3,48 м.

100 Вт – 3,68 м.

300 Вт – 6,34 м.

Оптимальным будет рассчитывать на мощность 10-20 Вт. Во-первых, лопасть из пластика размахом более 0,8 м без дополнительных мер защиты не выдержит ветер более 20 м/с. Во-вторых, при размахе лопасти до тех же 0,8 м линейная скорость ее концов не превысит скорость ветра более чем втрое, и требования к профилировке с круткой снижаются на порядки; здесь уже вполне удовлетворительно будет работать «корытце» с сегментным профилем из трубы, поз. Б на рис. А 10-20 Вт обеспечат питание планшетки, подзарядку смартфона или засветят лампочку-экономку.

Далее, выбираем генератор. Отлично подойдет китайский моторчик – ступица колеса для электровелосипедов, поз. 1 на рис. Его мощность как мотора – 200-300 Вт, но в режиме генератора он даст примерно до 100 Вт. Но подойдет ли он нам по оборотам?

Показатель быстроходности z для 6 лопастей равен 3. Формула для расчета скорости вращения под нагрузкой – N = v/l*z*60, где N – частота вращения, 1/мин, v – скорость ветра, а l – длина окружности ротора. При размахе лопасти 0,8 м и ветре 5 м/с получаем 72 об/мин; при 20 м/с – 288 об/мин. Примерно с такой же скоростью вращается и велосипедное колесо, так что свои 10-20 Вт от генератора, способного дать 100, мы уж снимем. Можно ротор сажать прямо на его вал.

Но тут возникает следующая проблема: мы, потратив немало труда и денег, хотя бы на моторчик, получили… игрушку! Что такое 10-20, ну, 50 Вт? А лопастный ветряк, способный запитать хотя бы телевизор, дома не сделаешь. Нельзя ли купить готовый мини-ветрогенератор, и не обойдется ли он дешевле? Еще как можно, и еще как дешевле, см. поз. 4 и 5. Кроме того, он будет еще и мобильным. Поставил на пенек – и пользуйся.

Второй вариант – если где-то валяется шаговый двигатель от старого 5- или 8-дюймового дисковода, или от привода бумаги или каретки негодного струйного или матричного принтера. Он может работать как генератор, и приделать к нему карусельный ротор из консервных банок (поз. 6) проще, чем собирать конструкцию наподобие показанной на поз. 3.

В целом по «лопастникам» вывод однозначен: самодельные – скорее для того, чтобы помастерить всласть, но не для реальной долговременной энергоотдачи.

Видео: простейший ветрогенератор для освещения дачи

Парусники

Парусный ветрогенератор известен давно, но мягкие полотнища его лопастей (см. рис.) начали делать с появлением высокопрочных износостойких синтетических тканей и пленок. Многолопастные ветряки с жесткими парусами широко разошлись по миру как привод маломощных автоматических водокачек, но их техданные ниже даже чем у каруселей.

Однако мягкий парус как крыло ветряка, похоже, оказался не так-то прост. Дело не в ветроустойчивости (производители не ограничивают максимально допустимую скорость ветра): яхсменам-парусникам и так известно, что ветру разорвать полотнище бермудского паруса практически невозможно. Скорее шкот вырвет, или мачту сломает, или вся посудина сделает «поворот оверкиль». Дело в энергетике.

К сожалению, точных данных испытаний не удается найти. По отзывам пользователей удалось составить «синтетические» зависимости для установки ВЭУ-4.380/220.50 таганрогского производства с диаметром ветроколеса 5 м, массой ветроголовки 160 кг и частотой вращения до 40 1/мин; они представлены на рис.

Разумеется, ручательств за 100% достоверность быть не может, но и так видно, что плоско-механистической моделью тут и не пахнет. Никак не может 5-метровое колесо на плоском ветре в 3 м/с дать около 1 кВт, при 7 м/с выйти на плато по мощности и далее держать ее до жестокого шторма. Производители, кстати, заявляют, что номинальные 4 кВт можно получить и при 3 м/с, но при установке их силами по результатам исследований местной аэрологии.

Количественной теории также не обнаруживается; пояснения разработчиков маловразумительны. Однако, поскольку таганрогские ВЭУ народ покупает, и они работают, остается предположить, что заявленные коническая циркуляция и пропульсивный эффект – не фикция. Во всяком случае, возможны.

Тогда, выходит, ПЕРЕД ротором, по закону сохранения импульса, должен возникнуть тоже конический вихрь, но расширяющийся и медленный. И такая воронка будет сгонять ветер к ротору, его эффективная поверхность получится больше ометаемой, а КИЭВ – сверхединичным.

Пролить свет на этот вопрос могли бы натурные измерения поля давления перед ротором, хотя бы бытовым анероидом. Если оно окажется выше, чем с боков в стороне, то, действительно, парусные ВСУ работают, как жук летает.

Самодельный генератор

Из сказанного выше ясно, что самодельщикам лучше браться или за вертикалки, или за парусники. Но те и другие очень медленные, а передача на быстроходный генератор – лишняя работа, лишние затраты и потери. Можно ли сделать эффективный тихоходный электрогенератор самому?

Да, можно, на магнитах из ниобиевого сплава, т. наз. супермагнитах. Процесс изготовления основных деталей показан на рис. Катушки – каждая из 55 витков медного 1 мм провода в термостойкой высокопрочной эмалевой изоляции, ПЭММ, ПЭТВ и т.п. Высота обмоток – 9 мм.

Обратите внимание на пазы под шпонки в половинах ротора. Они должны быть расположены так, чтобы магниты (они приклеиваются к магнитопроводу эпоксидкой или акрилом) после сборки сошлись разноименными полюсами. «Блины» (магнитопроводы) должны быть изготовлены из магнитомягкого ферромагнетика; подойдет обычная конструкционная сталь. Толщина «блинов» – не менее 6 мм.

Вообще-то лучше купить магниты с осевым отверстием и притянуть их винтами; супермагниты притягиваются со страшной силой. По этой же причине на вал между «блинами» надевается цилиндрическая проставка высотой 12 мм.

Обмотки, составляющие секции статора, соединяются по схемам, также приведенным на рис. Спаянные концы не должны быть натянуты, но должны образовывать петли, иначе эпоксидка, которой будет залит статор, застывая, может порвать провода.

Заливают статор в изложнице до толщины 10 мм. Центрировать и балансировать не нужно, статор не вращается. Зазор между ротором и статором – по 1 мм с каждой стороны. Статор в корпусе генератора нужно надежно зафиксировать не только от смещения по оси, но и от проворачивания; сильное магнитное поле при токе в нагрузке будет тянуть его за собой.

Видео: генератор для ветряка своими руками

Вывод

И что же мы имеем напоследок? Интерес к «лопастникам» объясняется скорее их эффектным внешним видом, чем действительными эксплуатационными качествами в самодельном исполнении и на малых мощностях. Самодельная карусельная ВСУ даст «дежурную» мощность для зарядки автоаккумулятора или энергоснабжения небольшого дома.

А вот с парусными ВСУ стоит поэкспериментировать мастерам с творческой жилкой, особенно в мини-исполнении, с колесом 1-2 м диаметром. Если предположения разработчиков верны, то с такого можно будет снять, посредством описанного выше китайского движка-генератора, все его 200-300 Вт.
Андрей сказал(а):

Спасибо за вашу бесплатную консультацию…А цены “от фирм”не реально дороги,и я думаю,что мастеровые люди из глубинки смогут сделать генераторы подобные вашему.А аккамуляторы Li-po можно выписать из Китая,инверторы в Челябинске делают очень хорошие (с плавным синусом).А паруса,лопасти или роторы – это очередной повод для полёта мысли наших рукастых Русских мужиков.

Иван сказал(а):

вопрос:
Для ветряков с вертикальной осью(позиция 1) и варианта “Ленца” возможно добавить дополнительную деталь – крыльчатку,выставляющуюся по ветру, и закрывающую от него же бесполезную сторону(идущую в сторону ветра). То есть ветер будет не лопасть тормозить, а этот “экран”. Постановка по ветру “хвостом”, находящимся за самим ветряком ниже и выше лопостей(гребней). Читал статью и родилась идея.

Нажимая кнопку «Добавить комментарий», я соглашаюсь с сайта.

Сегодня альтернативная энергетика развивается быстрыми темпами. На рынке уже есть солнечные модули на любой вкус, но как правило они стоят очень дорого. Недавно мне попалась солнечная батарея на 12 вольт 0.5 киловатт, и совсем недурная цена.... 1000$. За пол киловатта заплатить 1000 долларов стоит или нет? Думаю стоит, но за 1000 долларов можно несколько лет за электроэнергию платить, одним словом пока что не выгодно. Ветростанция - более разумное капиталовложение для получения электрической энергии.

И вот в связи с этим, у меня в голове возникла идея соорудить ветрогенератор малой мощности своими руками. Изначально, я хотел сделать ветростанцию на мощность в пол киловатта, но с отсутствием ресурсов было решено сделать ветрогенератор на 200 Ватт.

Поскольку у меня для ветряка было выделено мало финансовых ресурсов, то нужно было все делать самому. Готовые генераторы стоили немало денег, да и преобразователь еще и аккумуляторы... С генератором мне повезло, на рынке, где продают старый хлам мне удалось за 20 долларов раздобыть двигатель постоянного тока на 24 вольт! И к моему счастью вал двигателя (ротор) вращался очень легко, мощность двигателя была 300 Ватт по паспортным данным. Самое главное- двигатель не нужно будет переделывать, готовый генератор уже есть!

Задача номер два - найти редуктор. Все мы знаем, для того, чтобы генератор вырабатывал большой ток, нужно, чтобы ротор вращался со скоростью не менее 1000 об/мин, для этого нам нужен редуктор. По предварительным расчетам, пропеллер вращается со скоростью 60 об/мин, и за счет потери мощности нужно будет повышать число оборотов. Редуктор был снят с электродвигателя с редуктором, такие движки попадаются очень часто, мне друг подарил, двигатели такого типа делаются на небольшие мощности. Ниже смотрите число оборотов (на выходе редуктора) для каждой марки подобного двигателя:
РД-09 1,75 об/мин.
РД-09 2,5 об/мин.
РД-09 4,4 об/мин.
РД-09 8,7 об/мин.
РД-09 15,5 об/мин.
РД-09 30 об/мин.
РД-09 76 об/мин.
РД-09 185 об/мин.
СД-54 2,24 об/мин.
СД-54 3,14 об/мин.
СД-54 5,59 об/мин.
СД-54 10,94 об/мин.
СД-54 19,59 об/мин.
СД-54 24 об/мин.
СД-54 38,4 об/мин.
СД-54 60 об/мин.
СД-54 96 об/мин.
Д-32 24 об/мин.
ДСМ-2-П-220
ДСМ-0,2-П-220
ДСМ-1/300-П-220
ДСОР-32-15-2

Двигатель РД-09, передаточное отношение 1/75 то, что надо! Двигатель сразу же был разобран. Электрическая часть нам не нужна, берем только редуктор. Т.о. у нас есть генератор с редуктором. Пока на этом остановимся и начнем делать электрическую часть ветроэлектростанции.

Генератор нам дает напряжение 24 вольта при оборотах не менее 2000 в минуту (для проверки, ротор генератора был подключен к ротору электромотора от пылесоса, мотор для экспериментов нужно дополнить регулятором оборотов). Нам нужно выжать от двигателя минимум 13 - 14 вольт для зарядки аккумулятора, у нас ветры постоянные и достаточно сильные, так что проблема сама собой была решена!

Преобразователь - достаточно сложная часть конструкции, он нам нужен для повышения напряжения аккумулятора до переменного 220 вольт (сетевое напряжение) с частотой 50 - 60 герц. В интернете сегодня можно найти море схем таких преобразователей на любой вкус. Сначала решил не мучатся и купить готовый, но цены не маленькие, непонятный преобразователь от непонятного производителя с мощностью 300 Ватт стоит порядка 40 $. И было решено еще один день посвятить сборке преобразователя. Максимальная мощность устройства не велика - всего 200 ватт, но для малой самодельной станции вполне достаточно, от него можно питать несколько ламп дневного света, телевизор, зарядить мобильный телефон, ноутбук и так далее.

Схема была подобрана после долгих поисков. Данная схема развивает до 400 Ватт, сначала не верилось, но затем убедился в этом на собственном опыте. Схема высокого качества, транзисторы остаются холодными и даже при максимальной нагрузке на трансформатор, температура теплоотводов поднимается на 5 - 10 градусов.

Были использованы доступные детали и в целом для преобразователя было потрачено 10 долларов. Транзисторы - 3 доллара каждая (2 штуки), микросхема - 1,5 доллар (1 штука), резисторы конденсаторы - 3 доллара. Трансформатор намотан на Ш-образном сердечке из компьютерного блока питания. С него сначала нужно снять все обмотки и мотать новые. Первичная обмотка намотана 6-ю жилами провода с диаметром 0.5 мм (каждая жила), и содержит 12 витков с отводом от середины. Обмотку удобно мотать жгутом. Поверх первичной обмотки ставим изоляцию из конденсаторной бумаги и мотаем вторичную обмотку, ее мотаем в том же направлении, что и первичную. Вторичная обмотка содержит 140 витков провода с диаметром 0.7мм.
Полевые транзисторы типа IRL2505. Задающий генератор выполнен на микросхеме КР1211ЕУ1, частота преобразователя регулируется при помощи резистора R4 (переменный резистор на 1 мегаом).

Теперь о механической части ветрогенератора. Лопасти (далее ротор) я изготовил из лыж, другого материала на тот момент под рукой не было. Ротор выполнен в виде звездочки. Длина каждой лыжи 1.5 метра, но его пришлось укоротить на 10 см. Итак, имеет 3 доски, параметры такие: длина 1400мм, ширина - 100мм, толщина - 10мм. Редуктор укреплен на роторе при помощи холодной сварки. Доски ротора укреплены на оси при помощи той же холодной сварки, но для страховки сначала на нижней стороне каждой доски делаем два отверстия и прикрепляем доску к валу при помощи шурупов, а затем сверху еще оформить холодной сваркой.

Осью ротора служит кусок пластиковой трубы диаметром в пол дюйма, в которую входит вал редуктора и фиксируется шурупами, которые сжимают вал ротора с обеих сторон. Вал последней передачи редуктора подключен к генератору. Число передач нужно подобрать 1: 60, при средней скорости ветра ротор вращается со скоростью 60 об/мин, обеспечивая в среднем 1000 об/мин для генератора. Такие расчетные параметры предусмотрены для среднего ветра 5 - 8 м/сек, хотя ротор вращается даже во время ветра со скоростью 2 м/сек.

Ветряк получился довольно таки устойчивым, и даже при сильных ветрах не нарушается его работа. Постоянный ток от генератора заряжает аккумуляторную батарею от автомобиля, его параметры 12 Вольт 60 Ампер. Генератор заряжает аккумулятор за 4 часа, при среднем ветре. Ветрогенератор - отличный вариант для сельских жителей, он полностью способен обеспечивать энергетические потребности небольшой семьи, конечно включать обогреватель не стоит, но лампы накаливания, пару телевизоров, DVD- проигрыватель установка питать сможет, можно подключать и компьютер не смотря на то, что максимальная мощность генератора 200 Ватт, аккумулятор достаточно мощный и может питать компьютер в течении 1.5 - 2 часа.

Давайте посчитаем денежные затраты на ветряк - генератор 20$, редуктор (мне достался даром) в среднем за 10$, преобразователь 10$, шурупы, гайки, втулки и все остальное не более 10$, аккумулятор (я использовал старый аккумулятор от автомобиля) можно купить новый за 50$, на ротор тратить денег не стоит, пара лыж у каждого окажется. Итого получается: без аккумулятора - не более 60$, с аккумулятором не более 110$, стоит ли собирать? Конечно стоит! Ведь собрать ветрогенератор своими руками это уже большое достижение в жизни!

Итог работы - ветряк был установлен на крыше, высота от земли 5 - 7 метров, работает прекрасно уже год, для этой статьи пришлось его разобрать, думаю человек с крепкими нервами при наличии всех деталей и материалов соберет данную ветростанцию за 5 дней (я собрал за неделю, но 2 дня только проектировал, тут я представил полный проект станции, так, что вам не придется делать расчеты). Для защиты от влаги и увеличения прочности, на лопасти ротора был нанесен слой эпоксидной смолы. Генератор с редуктором находятся в пластмассовом корпусе.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот

DA1	Линейный регулятор	LM78L09	1	В блокнот
DA2	Микросхема	КР1211ЕУ1	1	В блокнот
VT1, VT2	MOSFET-транзистор	IRL2505	2	В блокнот
HL1	Светодиод	АЛ307Б	1	В блокнот
C1-C4		4700 мкФ 16 В	4	В блокнот
C5-C8	Электролитический конденсатор	100 мкФ 16 В	4	В блокнот
C9	Электролитический конденсатор	22 мкФ 16 В	1	В блокнот
C10	Конденсатор	1000 пФ	1	В блокнот
C11, C12	Конденсатор	0.47 мкФ 630 В	2	В блокнот
R1, R2	Резистор	1 кОм	2	В блокнот
R3	Резистор	30 кОм	1	В блокнот
R4	Подстроечный резистор	1 МОм	1	В блокнот
R5	Резистор

Одним из самых доступных вариантов использования возобновляемых источников энергии — является использование энергии ветра. О том, как самостоятельно сделать расчёт, собрать и установить ветряк, читайте в этой статье.

Классификация ветряных генераторов

Установки классифицируются исходя из следующих критериев ветродвигателя:

расположение оси вращения;
число лопастей;
материал элементов;
шаг винта.

ВЭУ, как правило, имеют конструктивное исполнение с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

Исполнение с горизонтальной осью — пропеллерная конструкция с одной-двумя-тремя и более лопастями. Это самое распространенное исполнение воздушных энергетических установок по причине высокого КПД.

Исполнение с вертикальной осью — ортогональные и карусельные конструкции на примере роторов Дарье и Савониуса. Последние два понятия следует пояснить, так как оба имеют определенную значимость в деле конструирования ветряных генераторов.

Ротор Дарье — ортогональная конструкция ветродвигателя, где аэродинамические лопасти (две или более), расположены симметрично друг другу на некотором расстоянии и укреплены на радиальных балках. Достаточно сложный вариант ветродвигателя, требующий тщательного аэродинамического исполнения лопастей.

Ротор Савониуса — конструкции ветродвигателя карусельного типа, где две лопасти полуцилиндрической формы расположены одна против другой, образуя в целом форму синусоиды. Коэффициент полезного действия конструкций невысок (около 15%), но может быть увеличен практически вдвое, если лопасти ставить по направлению волны не горизонтально, а вертикально и применять многоярусное исполнение с угловым смещением каждой пары лопастей относительно других пар.

Преимущества и недостатки «ветряков»

Преимущества данных устройств очевидны, особенно применительно к бытовым условиям эксплуатации. Пользователи «ветряков» фактически получают возможность воспроизводства бесплатной электрической энергии, если не считать небольших издержек на сооружение и обслуживание. Однако очевидны также и недостатки ветроэлектрических установок.

Так, чтобы добиться эффективной работы установки, требуется выполнение условий стабильности ветровых потоков. Такие условия человек создать не в силах. Это чисто прерогатива природы. Ещё одним, но уже техническим недостатком, отмечается низкое качество вырабатываемого электричества, в результате чего приходится дополнять систему дорогостоящими электрическими модулями (мультипликаторами, зарядными устройствами, аккумуляторами, преобразователями , стабилизаторами).

Преимущества и недостатки в плане особенностей каждой из модификаций ветродвигателей, пожалуй, балансируют на нулевой отметке. Если горизонтально-осевые модификации отличаются высоким значением КПД, то для стабильной работы требуют применения контроллеров направления ветрового потока и устройств защиты от ураганных ветров. Вертикально-осевые модификации имеют малый КПД, но стабильно работают без механизма слежения за направлением ветра. При этом такие ветродвигатели отличаются малым уровнем шумов, исключают эффект «разноса» в условиях сильных ветров, достаточно компактны.

Самодельные ветровые генераторы

Изготовление «ветряка» собственными руками — задача вполне решаемая. Причём конструктивный и рациональный подход к делу поможет свести до минимума неизбежные финансовые траты. В первую очередь стоит набросать проект, провести необходимые расчёты балансировки и мощности. Эти действия будут не просто залогом успешной постройки ветряной электростанции, но также залогом сохранения в целостности всего приобретенного оборудования.

Начать рекомендуется с постройки микро-ветряка, мощностью в несколько десятков ватт. В дальнейшем полученный опыт поможет создать более мощную конструкцию. Создавая домашний ветряной генератор, не стоит делать упор на получение качественного электричества (220 В, 50 Гц), так как этот вариант потребует существенных финансовых вложений. Разумнее ограничиться использованием изначально полученного электричества, которое можно успешно применять без преобразования для иных целей, к примеру, для поддержки систем отопления и горячего водоснабжения, построенных на электронагревателях (ТЭН) — такие приборы не требуют стабильного напряжения и частоты. Это делает возможным создавать простую схему, работающую напрямую от генератора.

Скорее всего, никто не будет утверждать, что отопление и горячее водоснабжение в доме по значимости уступают бытовой технике и осветительным приборам, для питания которых зачастую стремятся устанавливать домашние ветряки. Устройство ВЭУ именно с целью обеспечения дома теплом и горячей водой — это минимальные затраты и простота конструкции.

Обобщенный проект домашней ВЭУ

Конструктивно домашний проект во многом повторяет промышленную установку. Правда, бытовые решения зачастую базируются на вертикально-осевых ветродвигателях и комплектуются низковольтными генераторами постоянного тока. Состав модулей бытовой ВЭУ при условии получения качественного электричества (220 В, 50 Гц):

ветродвигатель;
устройство ориентации по ветру;
мультипликатор;
генератор постоянного тока (12 В, 24 В);
модуль заряда аккумуляторных батарей;
аккумуляторные батареи (литий-ионные, литий-полимерные, свинцово-кислотные);
преобразователь постоянного напряжения 12 В (24 В) в переменное напряжение 220 В.

Bетрогенератор PIC 8-6/2.5

Как это работает? Просто. Ветер крутит ветродвигатель. Крутящий момент передается через мультипликатор на вал генератора постоянного тока. Полученная на выходе генератора энергия через зарядный модуль аккумулируется в батареях. От клемм аккумуляторных батарей постоянное напряжение 12 В (24 В, 48 В) подается на преобразователь, где трансформируется в напряжение, пригодное для питания бытовых электрических сетей.

О генераторах для домашних «ветряков»

Большинство бытовых конструкций ветровых установок , как правило, конструируются с применением малооборотных электродвигателей постоянного тока. Это самый простой вариант генератора, не требующий модернизации. Оптимально — электродвигатели с постоянными магнитами, рассчитанные на питающее напряжение порядка 60-100 вольт. Имеется практика применения автомобильных генераторов, но для такого случая требуется внедрение мультипликатора, так как автогенераторы выдают нужное напряжение только на высоких (1800-2500) оборотах. Один из возможных вариантов — реконструкция асинхронного двигателя переменного тока, но также достаточно сложный, требующий точных расчётов, выполнения токарных работ, установки неодимовых магнитов в области ротора. Есть вариант для трехфазного асинхронного двигателя с подключением конденсаторов одинаковой емкости между фазами. Наконец, существует возможность изготовления генератора с нуля собственными руками. Инструкций на этот счёт имеется масса.

Вертикально-осевой самодельный «ветряк»

Достаточно эффективный и главное недорогой ветрогенератор можно соорудить на основе ротора Савониуса. Здесь в качестве примера рассматривается микро-энергетическая установка, мощность которой не превышает 20 Вт. Однако этого устройства вполне достаточно, например, для обеспечения электрической энергией некоторых бытовых приборов, работающих от напряжения 12 вольт.

Набор деталей:

Лист алюминиевый толщиной 1,5-2 мм.
Труба пластиковая: диаметр 125 мм, длина 3000 мм.
Труба алюминиевая: диаметр 32 мм, длина 500 мм.
Двигатель постоянного тока (потенциальный генератор), 30-60В, 360-450 об/мин, к примеру, электродвигатель модели PIK8-6/2.5.
Контроллер напряжения.
Аккумулятор.

Изготовление ротора Савониуса

Из алюминиевого листа вырезаются три «блина» диаметром 285 мм. По центру каждого просверливаются отверстия под алюминиевую трубу 32 мм. Получается что-то подобное компакт-дискам. От пластиковой трубы отрезаются два куска длиной по 150 мм и разрезаются пополам вдоль. Результат — четыре полукруглых лопасти 125х150 мм. Все три алюминиевых «компакт-диска» надеваются на трубу 32 мм и закрепляются на расстоянии 320, 170, 20 мм от верхней точки строго горизонтально, образуя два яруса. Между дисками вставляются лопасти, по две штуки на ярус и закрепляются строго одна против другой, образуя синусоиду. При этом лопасти верхнего яруса смещаются относительно лопастей нижнего яруса на угол 90 градусов. В итоге получается четырехлопастной ротор Савониуса. Для крепежа элементов можно использовать заклепки, саморезы, уголки или применить другие способы.

Соединение с двигателем и установка на мачту

Вал двигателей постоянного тока с указанными выше параметрами обычно имеет диаметр не более 10-12 мм. Для того чтобы соединить вал двигателя с трубой ветродвигателя, в нижнюю часть трубы запрессовывается латунная втулка, имеющая требуемый внутренний диаметр. Сквозь стенку трубы и втулки просверливается отверстие, нарезается резьба для вкручивания стопорного винта. Далее труба ветродвигателя надевается на вал генератора, после чего соединение жестко фиксируется стопорным винтом.

Оставшаяся часть пластиковой трубы (2800 мм) — это мачта ветроустановки. Генератор в сборе с колесом Савониуса монтируются наверху мачты — просто вставляется внутрь трубы до упора. В качестве упора используется металлическая дисковая крышка, закрепленная на переднем торце мотора, имеющая диаметр несколько больший диаметра мачты. На периферии крышки просверливаются отверстия для крепления растяжек. Так как диаметр корпуса электродвигателя меньше внутреннего диаметра трубы, для выравнивания генератора по центру применяются прокладки либо упоры. Кабель от генератора пропускается внутри трубы и выводится через окно в нижней части. Необходимо учесть при монтаже исполнение защиты генератора от воздействия влаги, используя для этого герметизирующие прокладки. Опять же с целью защиты от осадков, выше соединения трубы ветродвигателя с валом генератора можно установить зонт-колпак.

Установка всей конструкции выполняется на открытой хорошо обдуваемой площадке. Под мачту выкапывается яма глубиной 0,5 метра, нижняя часть трубы опускается в яму, конструкция выравнивается растяжками, после чего яма заливается бетоном.

Контроллер напряжения (простое зарядное устройство)

Изготовленный ветряной генератор, как правило, не способен выдавать напряжение 12 вольт по причине низкой частоты вращения. Максимальная частота вращения ветродвигателя при скорости ветра 6-8 м/сек. достигает значения 200-250 об/мин. На выходе удается получить напряжение порядка 5-7 вольт. Для заряда аккумулятора требуется напряжение 13,5-15 вольт. Выход из положения — применение простого импульсного преобразователя напряжения, собранного, допустим, на основе регулятора напряжения LM2577ADJ. Подавая на вход преобразователя 5 вольт постоянного тока, на выходе получают 12-15 вольт, что вполне достаточно для заряда автомобильного аккумулятора.

Готовый преобразователь напряжения на LM2577

Данный микро-ветрогенератор, безусловно, можно совершенствовать. Увеличить мощность турбины, изменить материал и высоту мачты, добавить преобразователь постоянного напряжения в переменное сетевое напряжение и т. д.

Горизонтально-осевая ветреная электроустановка

Набор деталей:

Пластиковая труба диаметром 150 мм, алюминиевый лист толщиной 1,5-2,5 мм, деревянный брусок 80х40 длиной 1 м, сантехнические: фланец — 3, уголок — 2, тройник — 1.
Электродвигатель постоянного тока (генератор) 30-60 В, 300-470 об/мин.
Колесо-шкив для двигателя диаметром 130-150 мм (алюминий, латунь, текстолит и т. п.).
Стальные трубы диаметром 25 мм и 32 мм и длиной соответственно 35 мм и 3000 мм.
Зарядный модуль для аккумуляторов.
Аккумуляторы.
Преобразователь напряжения 12 В — 120 В (220 В).

Изготовление горизонтально-осевого «ветряка»

Пластиковая труба необходима для изготовления лопастей ветродвигателя. Отрезок такой трубы, длиной 600 мм, разрезается вдоль на четыре одинаковых сегмента. Для ветряка требуются три лопасти, которые изготавливаются из полученных сегментов путем среза части материала по диагонали на всю длину, но не точно с угла на угол, а от нижнего угла к верхнему углу, с небольшим отступом от последнего. Обработка нижней части сегментов сводится к формированию крепёжного лепестка на каждом из трёх сегментов. Для этого по одному краю вырезается квадрат размером примерно 50х50 мм, а оставшаяся часть служит крепежным лепестком.

Лопасти ветродвигателя закрепляются на колесе-шкиве с помощью болтовых соединений. Шкив насаживается непосредственно на вал электродвигателя постоянного тока — генератора. В качестве шасси ветродвигателя используется простой деревянный брусок сечением 80х40 мм и длиной 1 м. Генератор устанавливается на одном конце деревянного бруска. На другом конце бруска монтируется «хвост», изготовленный из листа алюминия. В нижней части бруска, крепится металлическая труба 25 мм, предназначенная исполнять роль вала поворотного механизма. В качестве мачты используется трехметровая металлическая труба 32 мм. Верхняя часть мачты является втулкой поворотного механизма, куда вставляется труба ветродвигателя. Опора мачты изготавливается из листа толстой фанеры. На этой опоре, в виде диска диаметром 600 мм, собирается конструкция из сантехнических деталей, благодаря которой, мачту можно легко поднимать или опускать, либо монтировать — демонтировать. Для крепления мачты применяются растяжки.

Вся электроника ветряной установки монтируется отдельным модулем, интерфейс которого предусматривает подключение аккумуляторов и потребительской нагрузки. В состав модуля входит контроллер заряда батарей и преобразователь напряжения. Подобные устройства можно собирать самостоятельно при наличии соответствующего опыта, либо приобретать на рынке. В продаже имеется множество разных решений, позволяющих получить нужные выходные значения напряжений и токов.

Комбинированные ВЭУ

Комбинированные ВЭУ — серьезный вариант домашнего энергетического модуля. Собственно, комбинация предполагает объединение в единой системе ветряного генератора, солнечной батареи, дизельной или бензиновой электростанции . Комбинировать можно всячески, исходя из возможностей и потребностей. Естественно, когда имеет место вариант — три в одном, это наиболее эффективное и надежное решение.

Также под комбинацией ВЭУ предполагается создание ветроэнергетических установок, имеющих в своём составе сразу две разные модификации. Например, когда в одной связке работают ротор Савониуса и традиционная трехлопастная машина. Первая турбина работает при малых скоростях ветрового потока, а вторая только при номинальных. Тем самым сохраняется эффективность установки, исключаются неоправданные энергетические потери, а в случае с асинхронными генераторами компенсируются реактивные токи.

Комбинированные системы — это варианты технически сложные и затратные для домашней практики.

Расчёт мощности ветряной домашней электростанции

Для расчёта мощности ветряного генератора горизонтально-осевого исполнения можно пользоваться стандартной формулой:

N = p · S · V3 / 2
N — мощность установки, Вт
p — плотность воздуха (1,2 кг/м 3)
S — продуваемая площадь, м 2
V — скорость потока ветра, м/сек

Например, мощность установки, обладающей максимальным размахом лопастей 1 метр, при скорости ветра 7 м/сек., составит:

N = 1,2 · 1 · 343 / 2 = 205,8 Вт

Приближенный расчёт мощности ВЭУ, созданной на основе ротора Савониуса можно посчитать, используя формулу:

N = p · R · H · V3
N — мощность установки, Вт
R — радиус рабочего колеса, м
V — скорость ветра, м/сек

К примеру, для упомянутой в тексте конструкции ветроэнергетической установки с ротором Савониуса, значение мощности при скорости ветра 7 м/сек. будет составлять:

N = 1,2 · 0,142 · 0,3 · 343 = 17,5 Вт

Сегодня мы поговорим о том, как самому сделать ветрогенератор, ветряной двигатель, электростанцию или проще ветряк своими руками из подручных материалов в домашних условиях. Так же рассмотрим подробные схемы и чертежи ветряного генератора с наглядными иллюстрациями

Ветрогенератор – это ветроколесо с большими лопастями, редуктор (специальный механизм, который преобразует и передает крутящий момент), мачта для установки устройства, аккумуляторная батарея и инвертор (необходим для преобразования полученного постоянного тока в эффективный переменный ток).

Предполагается, что рассматриваемая нами конструкция генератора будет состоять из следующих основных частей:

· собственно ветрогенератор, собранный на базе двигателя промышленного изготовления;

· электронный блок управления зарядкой;

· комплект соединительных проводов;

· крепёжная мачта;

· растяжки.

В качестве электрического привода в рассматриваемой конструкции используется двигатель постоянного тока, которым комплектуются некоторые модели так называемых «бегущих дорожек» (260V, 5A). При этом обратный (генераторный) эффект мы получим за счёт того, что любое устройство подобного типа в отношении формируемого им электромагнитного поля является обратимым. При наличии вращательного усилия на валу двигатель автоматически превращается в генератор.

Используемые материалы

Большую часть материалов, используемых в этом изделии, вы сможете приобрести в любом хозяйственном магазине. Помимо двигателя от дорожки вам потребуется следующий набор комплектующих изделий и расходных материалов:

· специальная нарезная втулка;

· мост диодный на токи 30-50A;

· кусок полихлорвиниловой трубки.

Кроме того, для изготовления хвостовика и корпуса генератора необходимо подготовить следующие детали и расходный материал:

· Труба квадратная 25х25 мм;

· Фланец маскирующий;

· Патрубок;

· Саморезы;

Сборка ветрогенератора своими руками

Изготовление ветрогенератора начинаем с подготовки лопастей, которые можно вырезать из тонких полосок дюралюминия. Примерная форма лопастей генератора приведена ниже.

Перед креплением заготовки следует тщательно обработать шкуркой до получения необходимого профиля, таким образом, чтобы передняя кромка была закруглена, а задняя – оставалась заостренной.

Хвостовик делаем из жести, причём его размер и форма не играют решающей роли – главное, чтобы он был достаточно жёстким.
Затем берём снятый с беговой дорожки двигатель с прикрепленной к нему втулкой и отмечаем на нём места расположения трёх отверстий на расстоянии примерно 10 см от центра (на равном удалении друг от друга). Затем просверливаем по получившейся разметке отверстия и нарезаем резьбу под крепёжные болты.

Монтаж ветряного генератора

Окончательную сборку ветрогенератора в домашних условиях проводим в следующей последовательности:

1. Разрежьте трубку ПВХ на две части и проложите полученным материалом то место на квадратной трубе, куда вы собираетесь крепить ваш двигатель. Расположите диодный мостик неподалёку от двигателя и закрепите его при помощи саморезов.

2. Соедините выходящий из двигателя провод черного цвета с «плюсом» диодного моста.

3. Присоедините выходящий от двигателя провод красного цвета к «минусу» моста.

4. Положение хвостовика настройте таким образом, чтобы плоскость всей системы была параллельна земле. Прилаживаем хвостовик к трубе и крепим его на ней при помощи заранее приготовленных саморезов.

5. Размещаем помеченные ранее лопасти на свои места и крепим их болтами с шайбами на втулку, причём на ближние к оси отверстия устанавливаем по две шайбы (с каждой стороны основания лопасти). Для трех наружных отверстий устанавливаем по одной шайбе (со стороны болта). После этого основательно затягиваем полученные соединения.

6. Надёжно зафиксировав вал двигателя, надеваем на него втулку с лопастями и с помощью плоскогубцев заворачиваем ее до упора, против хода часовой стрелки.

7. Затем проворачиваем патрубок к маскирующему фланцу с помощью газового ключа.

8. После этого проводим балансировку основания трубы с закреплённым на ней двигателем и хвостовиком и отмечаем точку равновесного положения.

9. В этой точке производим крепление несущего основания к мачте (для удобства вам, возможно, придется открутить для этого втулку и хвостовик).

10. Закрепляем основание на саморезы и восстанавливаем убранные ранее узлы.

Ветряной генератор может прослужить вам значительно дольше, если вы покрасите не только его лопасти, но также основание, хвостовик и защитный кожух двигателя.

Для включения ветряного устройства в рабочую электрическую сеть вам обязательно понадобится комплект проводов, контроллер зарядки батарей, амперметр и нагрузка (аккумуляторная батарея).

Что касается несущей мачты, то сразу отметим её особое значение для надёжного крепления генератора, что гарантирует его долгую и бесперебойную эксплуатацию. Этот элемент конструкции не только должен быть достаточно прочным, но ещё и обязан иметь хорошую устойчивость. Кроме того, совсем не помешает, если мачта будет оборудована простейшим механизмом опускания и подъёма основания с двигателем.

Энергия ветра потоком вращает колесо ветряка с лопастями, через редуктор крутящий момент начинает передаваться на генераторный вал. Так происходит превращение механической энергии в электрическую.

Рабочая мощность ветрогенераторов прямо пропорциональна параметрам ветроколеса, скорости ветра (по среднему показателю) и высоте мачты. Обычно диаметр лопастей ветрогенераторов может варьировать от 0.5м до более 50 метров.

Большинство существующих ветрогенераторов относят к сетевым турбинам. Это означает, что они работают лишь при наличии электрической сети (локальной или централизованной, например, при помощи дизель генераторов). Это объясняется нестабильностью потоков ветра. Сеть выполняет в данном случае стабилизирующий эффект. Основное условие использования сетевого ветрогенератора: мощность сети обязательно быть выше мощности ветродвигательной установки минимум в 1.8 раза. При мощных потоках ветра лопасти ветрогенератора начинают вращаться. Получаемая энергия вращения начинает передаваться на мультипликатор (электрический генератор) через ротор. Существуют конструкции ветрогенератора, где не устанавливают мультипликатор для увеличения производительности. Ветродвигатели могут функционировать по одному, как единичный комплекс, или большими группами, образуя своеобразный ветропарк.

Перед тем как сделать ветрогенератор своими руками, нужно определиться, какой тип устройства будет производиться – горизонтальный или вертикальный (роторный) тип ветродвигателя. Более простой и доступный вариант – монтаж вертикального ветрогенератора, так как у этой системы выше коэффициент эффективного воздействия ветра, а его балансировка устройства значительно легче. Чем мощнее будет выбранный генератор, тем больше диаметр и вес ветроколеса. Соответственно значительно возрастает сложность конструкции, ее балансировка и закрепление.

Комплектующие детали и элементы самодельной ветряной электростанции:

· генератор 12V

· аккумулятор 12V (можно взять автомобильный, но лучше приобрести альтернативный, стоимость его около 40 у.е., но он более долговечный и безопасный)
· ротор 1,5-2м

· большое металлическое ведро или металлическая бочка (из нержавейки или алюминия)

· реле для зарядки аккумулятора

· реле заряда лампы (например, автомобильное)
· полугерметичный выключатель.

· вольтметр (можно взять автомобильный или от любого бывшего в употреблении измерительного устройства)

· большая доза наружная (распределительная коробка)

· мачта с высотой от 2 до 10 метров (можно сделать самостоятельно из труб ПВХ и металлических комплектующих для основания)

· провода

· четыре болта марки М6

· 2 хомута или нержавеющая проволока (для крепления к мачте)

Перед установкой конструкции мачты заливают фундамент по объему сечения трубы и основания, с учетом нюансов климата и грунта на участке. Мачту с ветродвигателем устанавливают после достижения бетонной смеси максимальной прочности (не меньше недели). Менее надежным вариантом является простое зарывание мачты в грунт на полметра с использованием растяжек. Ротор
Делают ротор и переделывают шкив (фрикционное колесо с канавкой или ободом по окружности, передающее движение канату или приводному ремню) генератора. Выбирают диаметр ротора, исходя из среднестатистической скорости ветра. Диаметр ротора подбирают по среднегодовому показателю скорости ветра. По факту, до скорости 6-7 м/с производительная мощность у ротора 3 м будет выше.
Лопасти

Бочку нужно разделить на 4 абсолютно равные части при помощи маркера и рулетки, и вырезают будущие лопасти болгаркой или ножницами по металлу. Далее крепят их к генератору болтами к днищу и шкиву. Места для болтов вымеряют очень точно, чтобы в дальнейшем не приходилось постоянно регулировать вращение. На бочке отгибают лопасти, но разумно, чтобы избежать слишком резких порывов при потоке ветра.

Соединение элементов

Присоединяют провода к генератору и собирают цепь в дозе. Крепят генератор к мачте, фиксируют провода к генератору и мачте. Затем соединяют в цепь генератор и подсоединяют в цепь аккумулятор. Подключают нагрузку при помощи проводов (сечением до 2.5 кВ). Скорость вращения устройства задается степенью изгиба лопастей. Такого ветрогенератора должно хватить для полного энергообеспечения дачи или загородного дома.

Увеличение выработки электроэнергии

Учтите, что повышение мачты до 20-25м может повысить среднюю скорость ветра до 30%. При этом увеличится выработка энергии до 1,5 раз. Также к приёму прибегают при пониженной скорости ветра (менее 4м/с). Высокая мачта устранит влияние построек и деревьев.

Вырезание лопастей – у нас получится три набора лопастей (всего девять штук) и тонкая полоска отходов.
· Поместите нашу ПВХ трубу длиной 60 см на плоскую поверхность вместе с отрезком трубы квадратного сечения (можно использовать любой другой достаточно длинный предмет с ровной кромкой). Плотно прижмите их друг к другу и проведите на ПВХ трубе линию в месте их соприкосновения по всей ее длине. Эту линию назовем А.

· Сделайте отметки с каждого конца линии А, отступив от края трубы по 1-1,5 см.

· Склейте вместе три листа бумаги формата А4 так, чтобы они образовали длинный прямой кусок бумаги. Вам предстоит обернуть им трубу, прикладывая по очереди к только что сделанным отметкам на ней. Убедитесь, что короткая сторона куска бумаги плотно и ровно прилегает к линии А, а длинная — ровно перекрывается в тех местах, где идет внахлест сама с собой. С каждого конца трубы проведите линию вдоль края бумаги. Назовем одну из этих линий В, другую – С.

· Возьмите трубу так, чтобы конец трубы, ближайший к линии В смотрел вверх. Начните там, где линии А и В пересекаются и делайте отметки на линии В каждые 145 мм, двигаясь влево от линии А. Последний отрезок должен получиться длиной около 115 мм.

· Переверните трубу вверх тем концом, который является ближайшим к линии С. Начните с точки, где линии А и С пересекаются, и также наносите отметки на линии С каждые 145 мм, но двигаться нужно вправо от линии А.

· При помощи квадратной трубки соедините линиями соответствующие друг другу точки на противоположных концах ПВХ трубы.

· Разрежьте трубу вдоль по этим линиям, используя электролобзик, таким образом, чтобы у Вас получилось четыре полоски шириной 145 мм и одна – около 115 мм.
· Разложите все полоски внутренней поверхностью трубы вниз.

· Сделайте на каждой полоске отметки по узкой стороне с одного конца, отступая с левого края 115 мм.

· Повторите то же самое с другого конца, отступая по 30 мм с левого края.

· Соедините эти точки линиями, пересекая полоски разрезанной трубы по диагонали. Распилите пластик по этим линиям при помощи лобзика.

· Полученные лопасти положите внутренней поверхностью трубы вниз.

· Сделайте на каждой отметку по линии диагонального распила на расстоянии 7,5 см от широкого конца лопасти.

· Сделайте другую отметку на широком конце каждой лопасти на расстоянии 2,5 см от длинной прямой кромки.

· Соедините эти точки линией и отрежьте получившийся уголок по ней. Это предохранит лопасти от заламывания побочным ветром.

Вырезание хвостовика.

Размеры хвоста не имеют решающего значения. Вам нужен кусок легкого материала размером 30х30 см, желательно металла (жести). Вы можете придать хвостовику любые очертания, главным критерием является его жесткость.

Сверление отверстий в трубе квадратного сечения – используйте сверло 7,5 мм.

Поместите двигатель на передний конец квадратной трубы таким образом, чтобы втулка выступала за край трубы, и отверстия под крепежные болты смотрели вниз. Отметьте положение отверстий на трубе и просверлите трубу в отмеченных местах насквозь.

Отверстия в маскирующем фланце – этот момент будет описан ниже, в разделе данной инструкции, посвященном монтажу, так как эти отверстия определяют баланс конструкции.
Сверление отверстий в лопастях — используйте сверло 6,5 мм.

· Отметьте два отверстия на широком конце каждой из трех лопастей вдоль их прямой (задней) кромки. Первое отверстие должно быть на расстоянии 9,5 мм от прямой кромки и 13 мм от нижнего края лопасти. Второе – на расстоянии 9,5 мм от прямой кромки и 32 мм от нижнего края лопасти.

· Просверлите эти шесть отверстий.
Сверление и нарезание отверстий во втулке – используйте сверло 5,5 мм и метчик на 1/4".

· Двигатель от беговой дорожки поставляется с прикрепленной к нему втулкой. Чтобы снять ее, плотно зафиксируйте плоскогубцами вал, выступающий из втулки, и поверните втулку по ходу часовой стрелки. Она отвинчивается по часовой стрелке, именно поэтому лопасти вращаются против хода часовой стрелки.

· Сделайте шаблон втулки на листе бумаги, используя циркуль и транспортир.

· Отметьте три отверстия, каждое из которых находится на расстоянии 6 см от центра круга и на равном расстоянии друг от друга.

· Поместите этот шаблон на втулку и набейте на ней предварительные отверстия сквозь бумагу в отмеченных местах.

· Просверлите эти отверстия сверлом 5,5 мм.

· Нанесите на них резьбу метчиком 1/4"х20.

· Прикрутите лопасти к втулке болтами 1/4«х20 мм. В этот момент внешние, близкие к границам втулки отверстия еще не просверлены.

· Измерьте расстояние между прямыми кромками кончиков каждой лопасти. Отрегулируйте их так, чтобы они были равноудалены. Наметьте и набейте каждое отверстие на втулке сквозь каждую лопасть.

· Сделайте отметки на каждой лопасти и втулке, чтобы Вы не перепутали места крепления каждой из них на более поздней стадии сборки.

· Скрутите лопасти с втулки, просверлите и нанесите резьбу на эти три внешних отверстия.

Изготовление защитного рукава для двигателя.

· Проведите на нашем отрезке ПВХ трубы диаметром 7,5 см вдоль ее длины две параллельные линии на расстоянии 2 см друг от друга. Разрежьте трубу по этим линиям.

· Срежьте один из концов трубы под углом 45°.

· Поместите остроносые плоскогубцы в образовавшуюся прорезь и осматривайте трубу сквозь нее.

· Убедитесь, что отверстия под болты на двигателе отцентрированы по середине прорези в ПВХ трубе и поместите двигатель в трубу. С помощником сделать это намного легче.
Монтаж

· Поместите двигатель на трубу квадратного сечения и прикрутите его к ней, используя болты 8х19 мм.

· Разместите диод на квадратной трубе за двигателем на расстоянии 5 см от него. Прикрутите его к трубе саморезом.

· Присоедините черный провод выходящий из двигателя к “плюсовому” входящему контакту диода (он обозначен АС со стороны “плюса”).

· Присоедините красный провод выходящий из двигателя к “отрицательному” входящему контакту диода (он обозначен АС со стороны “минуса”).

· Разместите хвостовик так, чтобы конец квадратной трубы, противоположный тому на котором размещен двигатель, проходил по его центру. Прижмите хвост к трубе при помощи струбцины или тисков.

· Прикрутите хвостовик к трубе при помощи двух саморезов.

· Разместите все лопасти на втулке таким образом, чтобы все отверстия совпали. Используя болты 6х20 мм и шайбы, прикрутите лопасти к втулке. Для трех отверстий внутреннего круга (ближайших к оси втулки) используйте по две шайбы, по одной с каждой стороны лопасти. Для трех остальных используйте по одной (со стороны лопасти, ближайшей к головке болта). Туго затяните. .

· Надежно зафиксируйте вал двигателя (который проходил через отверстие во втулке) плоскогубцами и, надев втулку, поворачивайте ее против хода часовой стрелки, пока она не закрутится до конца.

· При помощи газового ключа плотно прикрутите патрубок 50 мм к маскирующему фланцу.

· Зажмите патрубок в тисках так, чтобы фланец был расположен горизонтально над губками тисков.

· Расположите квадратную трубу, несущую на себе двигатель и хвостовик, на фланце и добейтесь ее идеально сбалансированного положения.

· После достижения сбалансированности сделайте метки на квадратной трубе сквозь отверстия во фланце.

· Просверлите эти два отверстия, используя сверло 5,5 мм. Возможно, придется скрутить для этого хвост и втулку, чтобы они не мешали Вам.

· Прикрутите несущую квадратную трубу к фланцу двумя саморезами.

Для того, чтобы продлить срок службы Вашего ветрогенератора необходимо покрасить его лопасти, защитный рукав двигателя, основание и хвостовик.

Дополнительная информация

Для использования ветрогенератора Вам понадобится мачта, провода, амперметр, контроллер зарядки и аккумуляторные батареи.
Мачта является одним из самых важных компонентов ветрогенератора. Она должна быть прочной, устойчивой, надежно закрепленной и легко опускаемой/поднимаемой. Чем больше будет ее высота, тем большему воздействию ветра будет подвергаться ваш генератор. Проволочные растяжки должны быть расположены через каждые 5,5 м высоты мачты. Растяжки следует закрепить на земле на расстоянии от основания мачты составляющим как минимум 50% ее высоты.

Наиболее распространенным вариантом применения ветряков является выработка электроэнергии. Кажется, что может быть проще, чем сделать , насадить на него ось электрогенератора и готово! Можно пользоваться электричеством!

Но не все так просто. Рассмотрим, почему.

Все ветряные установки или ветряки приводятся в действие, т.е. начинают вращаться . От мощности потока ветра зависит то, какое количество энергии мы сможем получить от генератора.

Следующей важнейшей характеристикой ветряной установки является КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. У наилучших образцов ветряков данный показатель составляет 40-50% (хотя встречаются утверждения о 60-80% КИЭВ, что является преувеличением продавцов данных моделей). Поэтому в действительности можно рассчитывать на то, что ветряк будет применять только 25-30%, притом, что расчетную мощность ветряка нужно делить на 3-4. Это то, что можно действительно получить от ветроустановки при условии применения идеального электрогенератора.

О мощности ветряка. Многие могут не поверить, и это на самом деле выглядит парадоксально, но мощность ветряка (помимо скорости ветра) . Ее также называют «площадь ометания». Существует много практических подтверждений и математических доказательств, но мощность ветряка, имеющего одну лопасть (которая описывает круг диаметром D), и ветряной установки с 6 лопастями этого же диаметра одинакова! В это можно верить или не верить, но это так!

Дело в том, что лопасти для ветра являются не отдельными «дощечками», и он давит не на каждую по очереди, а как диск, круг. Поэтому важно не количество лопастей, а их площадь. При раскручивании лопасти ветряка, ветер придает ей скорость. Наряду с угловой скоростью вращения, у лопасти есть еще линейная скорость. А значит, так как она крутится не в вакууме, то она встречает сопротивление воздуха, которое увеличивается пропорционально скорости в кубе. Тем более что лопасть является не плоской дощечкой, а своего рода аэродинамическим профилем, который имеет определенную толщину и угол поворота. И при вращении данный профиль «натыкается» на воздух пространства между лопастями.

Получается, что чем большую мощность потока мы желаем получить, увеличивая количество лопастей, тем большее воздушное сопротивление им приходится испытывать при вращении. В итоге – что указано выше – мощность ветряной установки зависит не от количества лопастей, а от площади ометания.

Мы подошли к следующей важной характеристики ветряка – быстроходности – это величина, которая показывает, насколько линейная скорость лопасти больше скорости ветра.

Например, если нам известно, что быстроходность ветряка равна 7, то это означает, что на кончике его лопасти линейная скорость в 7 раз выше скорости ветра. И в случае, когда скорость ветра равна 10 м/с, кончик его лопасти передвигается по воздуху со скоростью 70 м/с, т.е. 250 км/час! Поэтому настоятельно рекомендуем не пытаться остановить лопасть руками. Их срежет как бритвой.

Такие ветряки , т.к. постоянно нарезают воздух своими лопастями, создавая звуковые волны.

Проблему шума адресуют в , т.к. обычно быстроходность вертикальных ветряков ниже горизонтальных.

Мы еще вернемся к быстроходности ветряка и ее расчету, а сейчас посмотрим, чем она важна для выработки электрической энергии.

Генератор

На Руси исстари повелось добывать электроэнергию при помощи специальных устройств – генераторов. Существует много конструкций генераторов, но в плане использования их с ветряками нас интересуют электрогенераторы, которые вырабатывают электроэнергию в процессе вращения. На самом деле, кто добра от добра ищет. Ветряк предоставляет вращение, его и нужно использовать.

В ходе строительства ветряка мастер обязательно сталкивается с тем, что генераторов, предназначенных для ветряка, вообще-то НЕТ. В природе они, конечно, есть, их даже выпускают серийно. Но приобрести их достаточно сложно и по возможности, и по цене. Это слишком специфическая вещь, именно поэтому их так мало и они такие дорогие. Поэтому приходится или изготавливать генератор для ветряка самостоятельно или приспосабливать то, что есть.

А что мы можем использовать? Выбор не богатый. Это двигатели с постоянными магнитами, автомобильные генераторы, шаговые двигатели, генераторы от изношенных бензогенераторов, асинхронные двигатели. Другими словами, почти любые электродвигатели. Согласно теории, любая электрическая машина обратима. Т.е. любой электрический двигатель в определенных условиях может работать в качестве генератора с определенной эффективностью, серьезностью и ценой переделки.

Почему нельзя применять просто то, что есть? Потому что оно все – быстроходное! Восклицательный знак не означает ничего хорошего. Кроме, разве что, шаговых двигателей. Они тихоходны по определению. Все остальные двигатели-генераторы работают на 1000 оборотах в минуту и более (15-20 об/секунду).

Чтобы получить обратный эффект – генерацию электротока, им необходимо придать соответствующие обороты. Например, самый дешевый и доступный вариант, как кажется, приличного генератора в 0,5 КВт – автомобильного, сталкивается с цифрой в 2-3 тыс. об/мин.

Даже на холостых оборотах двигатель машины держит вращение на скорости 800 об/мин. Также добавляется мультипликация шкивов генератора и мотора как минимум 1:2. Генератор крутится изначально на 1500 об/мин. А если поддать газу и «открутить» мотор до 3-4 тыс. (рядовая ситуация) – то генератор выдаст свои полкиловатта. На 5-8 тыс. об/мин.

Аналогично и с остальными моторами. Что ни возьми – не найти ничего меньше 1000 об/минуту.

Вернемся к быстроходности ветряка и пересчитаем данный параметр, учитывая скорость ветра, размеры ветряной установки, и обнаружим, что обороты вала ветряка недостаточно велики. У наиболее быстроходных ветряков и при оптимальном ветре – 200-400 об/минуту!

Поставим мультипликатор, скажут многие, и обороты повысятся в 5-10 раз! (То, что повышает обороты – это мультипликатор, а то, что понижает – это редуктор). Справедливости ради скажем – так и делается обычно. Но только на мощных больших ветряках. На ветряках, мощность которых менее 500 Ватт, мультипликаторы являются роскошью. Качественный и надежный необслуживаемый мультипликатор с небольшими потерями – дорогое удовольствие. И цена его переносится на стоимость вырабатываемого электричества. Поэтому использование мультипликатора в «домашнем» ветряке никак необоснованно. Если, конечно, он не достался каким-то образом бесплатно.

Из низкооборотных генераторов в нашем распоряжении есть лишь шаговые двигатели. Шаговый двигатель – это двигатель, вращающий свой вал на определенный угол (шаг) при подаче импульса напряжения на его обмотки. У таких моторов обычно несколько обмоток, а их ротор просто напичкан магнитами. Этот выгодный факт и дает возможность применять шаговые двигатели в качестве генератора ветряка. В результате придания валу шагового двигателя вращения извне, он приступает к выработке электричества, причем достаточно эффективно.

«Вычислить» шаговый двигатель легко. При вращении вала его вращения не плавные, а как бы толчками. Данный эффект имеет название «залипание». Если закоротить все выводы такого двигателя, то вращение вала заметно затруднится. Это означает, что шаговый мотор уже вырабатывает электричество. Это общеизвестный метод проверки двигателей постоянного тока «на вшивость». Если в момент закорачивания выводов стало труднее вращать вал мотора, то электромотор в свете применения его как электрогенератора небезнадежен и можно смело снимать его характеристики.

Достать шаговый электромотор небольшой мощности легко. Любой принтер, который продается на интернет-аукционах за 100-300 рублей, имеет минимум 2 таких двигателя. Один двигал головку, второй – бумагу. Сканер и старые дисководы на 5,25 дюйма - по 1. Это вполне хорошая новость. Плохая новость состоит в том, что легко достать только шаговые двигатели совсем малой мощности! 1-2-3 Ватта. Достать шаговый двигатель минимум на 30-50 Ватт – редкая удача, если это получилось, то можно считать, что у вас в кармане отличный генератор для ветряка.

Как можно использовать шаговый двигатель на 2 Ватта? Например, можно с его помощью заряжать аккумулятор плеера, мобильника и т.п. Этой мощности будет достаточно. Нужно 10-20 Ватт? Установите 10 таких двигателей. Они стоят совсем недорого.

А если вам нужно получить с ветряка 200-300 Ватт, при этом желательно дешевле (помним о соотношении затраты/отдача), то придется сделать генератор самому. Это сложно, но вполне возможно.