Изготовление ветрогенератора своими руками

Ветрогенератор на заднем дворе

Настоящий ветрогенератор — это слишком дорого в том случае, если его планируется использовать для решения простых домашних задач, не требующих большой мощности. Если всё, что нужно — это немного энергии для LED-освещения или для проекта, основанного на Raspberry Pi Zero, это как-то несоразмерно довольно серьёзным деньгам, которые придётся заплатить даже за небольшой ветряк. То же касается и школьных экспериментов, время и деньги, уходящие на организацию которых, обычно стараются свести к минимуму. Школы часто стеснены в средствах.

В этом материале мы расскажем о том, как создать собственный маленький ветрогенератор. Делать мы его будем из велосипедных запчастей и из того, что можно купить в строительном магазине. Стоимость проекта находится где-то в районе $80-150. На создание генератора уйдёт 8-16 часов. При ветре, который чуть сильнее «слабого ветра» по шкале Бофорта, наш генератор способен дать около 1 ватта мощности. Этого достаточно для того чтобы зарядить небольшую батарею, а значит, энергия у нас будет и в безветренную погоду.

Домашний ветрогенератор

Описываемая здесь маленькая ветряная турбина — это, по сути, экспериментальный проект, в ходе работы над которым можно освоить основы ветроэнергетики. Эту турбину нельзя назвать абсолютно надёжным источником энергии. Не стоит ждать от неё чудес! Кроме того, учитывайте, что сильный ветер опасен для нашей турбины. Эта машина не рассчитана на нормальную работу при таком ветре. Он её, скорее всего, разрушит. Поэтому турбину стоит убирать в плохую погоду. В частности, нужно учитывать то, что её обломки, носимые ветром, могут кого-нибудь поранить.

В отличие от типичных коммерческих турбин с горизонтальной осью вращения, оснащаемых тремя лопастями, закреплёнными на горизонтальном валу, в нашем проекте используется вертикальный вал ротора. Это избавляет нас от необходимости в механизме, учитывающем направление ветра, и сильно упрощает проект турбины. Наш генератор, в сущности, представляет собой велосипедное колесо, смонтированное на вертикальной стойке, которое связано с электрическим генератором. В роли лопастей ротора используются восемь «полутруб», вырезанных из дешёвых пластиковых (PVC) канализационных труб и прикреплённых к ободу колеса.

Турбина начинает вращаться при достижении ветром силы, примерно соответствующей 2 баллам (около 6 км/ч) по шкале Бофорта (смотрите таблицу ниже). Если сила ветра достигает 5 по шкале Бофорта (около 30 км/ч), турбина даёт около 1 ватта мощности (по нашим измерениям — 147 мАч при 6,7 В).

Шкала Бофорта (по материалам Википедии)

Баллы Бофорта	Словесное определение силы ветра	Средняя скорость ветра
		м/с	км/ч	узлов
0	Штиль	0—0,2	< 2	0—1
1	Тихий	0,3—1,5	2—5	1—3
2	Лёгкий	1,6—3,3	6—11	4—6
3	Слабый	3,4—5,4	12—19	7—10
4	Умеренный	5,5—7,9	23-28	11—16
5	Свежий	8,0—10,7	29—38	17—21
6	Сильный	10,8—13,8	39—49	22—27
7	Крепкий	13,9—17,1	50—61	28—33
8	Очень крепкий	17,2—20,7	62—74	34—40
9	Шторм	20,8—24,4	75—88	41—47
10	Сильный шторм	24,5—28,4	89—102	48—55
11	Жестокий шторм	28,5—32,6	103—117	56—63
12	Ураган	33 и более	118 и более	64 и более

Шкала силы (скорости) ветра, используемая в наши дни, разработана в 18 веке британским моряком Сэром Френсисом Бофортом (1774 — 1857). Но его нельзя назвать первым, кто приложил усилия к созданию подобной шкалы. Шкале Бофорта предшествовали другие работы, в частности, характеризующие силу ветра по его воздействию на лопасти ветряных мельниц (инженер Джон Смитон, 1759). В том же направлении работал британский географ и гидрограф Александр Далримпл (1737 — 1808). Ещё более ранние шкалы силы ветра созданы астрономом Тихо Браге (1582), естествоиспытателем Робертом Гуком (1663) и Даниэлем Дефо (1704) — купцом, мятежником, шпионом и автором «Робинзона Крузо». В 1829 году Френсис Бофорт был назначен гидрографом Британского Адмиралтейства и передал свою шкалу всем, кому она могла понадобиться. С тех пор шкала Бофорта стала стандартным инструментом для измерения силы ветра.

Материалы и инструменты

• Переднее велосипедное колесо диаметром 28 дюймов и электрический генератор. Я купил новый генератор на eBay за €40, но в Европе часто встречаются подержанные генераторы. В США можно найти такой на eBay, а можно купить дешёвую динамо-втулку Shimano и установить её в старое колесо.
• 2 4-дюймовые PVC-трубы (условный проход трубы — 110 мм) длиной 2 метра. Я использовал тонкостенные трубы, но то, какими именно они будут, особой роли не играет.
• 16 крепёжных винтов с гайками и с большими шайбами. Длина и диаметр винтов зависят от характеристик обода колеса.
• Стальная водопроводная оцинкованная труба диаметром 1 1/2 дюйма с резьбой по обоим концам. Её длина (высота мачты ветряка) подбирается самостоятельно и зависит от условий, в которых придётся работать генератору.
• Стальная трубопроводная арматура для водопроводной трубы 1 1/2 дюйма. Торцевая заглушка (она совершенно необходима) и тройник (необязательно).
• Повышающе-понижающий (buck-boost) преобразователь напряжения DC-DC, такой, как Mesa #DSN6009 4 A. Я рекомендую преобразователь с выходной мощностью 30 Вт.
• 2 электролитических конденсатора, 2200 мкф, как минимум 12 В.
• Мостовой выпрямитель. Минимум — 500 мА.
• Диод 1N4007.
• Термоусаживаемые трубки или изолента.
• Проволочные тросы и винты с петлями (необязательно). Всё это может понадобиться для фиксации мачты.
• Мешок цемента (необязательно). Может понадобиться для крепления мачты.

• Ножовка или электролобзик для резки тонких PVC-труб.
• Дрель со свёрлами для пластика и металла.
• Отвёртка и/или гаечный ключ и комплект насадок, подходящих для используемых винтов, гаек, болтов.
• Паяльник и припой.

Делаем ветрогенератор из велосипедного колеса

Начнём работу над ветрогенератором. Мы будем пользоваться мачтой, сделанной из стальной водопроводной трубы, которая, возможно, будет закреплена в земле с помощью бетона. Принимая решение о высоте мачты и о способе её крепления стоит почитать местные законы. Возможно, в зависимости от условий эксплуатации генератора, мачту понадобится закрепить с использованием растяжек.

▍1. Вырезание лопастей турбины

Мы использовали тонкостенные канализационные PVC-трубы (Рис. A). В Германии, где я живу, такие трубы окрашены в оранжевый цвет, в Северной Америке такие трубы обычно белого цвета.

Мы, с использованием пилы, можем вырезать 4 лопасти из одной двухметровой трубы (Рис. B). Нам нужно 8 лопастей. Постарайтесь резать трубы точно по центру. В идеале все лопасти должны иметь одинаковый вес.

▍2. Прикрепление лопастей к генератору

В роли генератора мы используем велосипедное колесо (обод) с закреплённым в нём генератором (Рис. C). Лучше всего подходят колёса с алюминиевым ободом, так как их легче сверлить. Если вы взяли колесо от старого велосипеда — не забудьте снять с него шину, камеру и тормозные диски.

Прикрепите к колесу лопасти так, как показано на Рис. D, используя 2 винта, гайки и большие шайбы. Лопасти должны быть распределены по ободу равномерно (возможно, вам в этом поможет подсчёт количества спиц между лопастями) и выровнены по центру обода.

▍3. Сборка мачты

Мачту мы будем делать из оцинкованной стальной водопроводной трубы с резьбой на обоих концах. В торцевой заглушке (Рис. E) надо просверлить 9-миллиметровое отверстие и прикрутить колесо к заглушке, пропустив через это отверстие ось генератора с резьбой (Рис. F ниже). После того, как мачта будет надёжно закреплена (!), можно прикрутить к ней заглушку.

В деле надёжной установки мачты может пригодиться тройник, прикрученный к той части трубы, которая будет закреплена в земле и залита бетоном. Тройник позволит надёжно зафиксировать мачту в бетоне. При этом вес бетона должен быть достаточно большим для того чтобы поддерживать и фиксировать мачту. Вся конструкция должна быть надёжно закреплена. В результате, если ожидается буря, можно просто открутить нижнюю часть мачты от бетонного основания и убрать турбину в безопасное место.

Не стоит недооценивать силу, с которой ветер воздействует на окружающие предметы. Эта сила возрастает пропорционально кубу (третьей степени) скорости ветра! Поэтому, если нужно, зафиксируйте мачту с помощью растяжек.

▍4. Сборка электронных компонентов

Наша ветроэлектростанция рассчитана на зарядку свинцово-кислотного аккумулятора с помощью тока, генерируемого динамо-машиной. Используемый нами электрогенератор вырабатывает переменный ток, который мы преобразуем в импульсный постоянный ток, используя мостовой выпрямитель. Этот ток, для его сглаживания, передаётся на два электролитических конденсатора ёмкостью 2200 мкф.

Сглаженный постоянный ток затем подаётся на повышающе-понижающий преобразователь (на eBay он стоит примерно $10), который используется в роли регулятора зарядки аккумулятора. Он преобразует входное напряжение, находящееся в диапазоне от 1,25 до 30 В, в заданное постоянное напряжение. Мы установим выход конвертера на 0,7 вольта выше конечного напряжения заряда аккумулятора (для компенсации прямого напряжения диода). Диод 1N4007 нужен для того чтобы предотвратить обратный ход тока от аккумулятора к конвертеру.

Например, 6-вольтовый свинцово-кислотный аккумулятор имеет напряжение зарядки 7,2 В. Учитывая необходимость добавления прямого напряжения диода, которое равняется 0,7 В, конвертер нужно установить на выходное напряжение в 7,9 В.

Электрическая нагрузка (это может быть что угодно, например — светодиод) будет подключена к выходам аккумулятора. Учитывайте то, что эта нагрузка должна поддерживать выходное напряжение, установленное на конвертере. Сам генератор может быть способен дать лишь небольшой ток, а батарея может выдать несколько ампер. Последствия короткого замыкания могут быть весьма печальными (может случиться пожар). Для того чтобы предотвратить несчастные случаи, нужно, независимо от того, что именно вы подключаете к ветрогенератору, принимать соответствующие меры безопасности.

Штормовое предупреждение!

После того, как электронные компоненты генератора собраны, всё готово к тому, чтобы превратить силу ветра в электроэнергию! Теперь перед вами раскрываются возможности владельца ветрогенератора.

Наш генератор, правда, это всего лишь экспериментальное устройство, недорогая практическая демонстрация принципов работы ветряных турбин, которая может найти применение, например, в школах. Эта турбина не рассчитана на работу при сильном ветре. Когда турбина не используется, или если сила ветра превышает 6 по шкале Бофорта, всю конструкцию нужно разобрать и куда-нибудь спрятать.

Велосипедное колесо и лопасти из труб не рассчитаны на постоянное использование, в особенности — при сильном ветре. Вы можете сами усилить конструкцию в том случае, если хотите, чтобы ветрогенератор работал бы на постоянной основе. (Правда, надо сказать, что моя конструкция оказалась прочнее, чем я ожидал. Я оставил её в саду и она работала там при любой погоде — до тех пор, пока не вышла из строя одна из растяжек. Тогда мачта рухнула и сломалась одна из лопастей турбины.)

Если вас интересует тема ветрогенераторов — можете взглянуть на этот материал и посмотреть это видео. Загляните на этот сайт, посвящённый генератору Chispito. Вот и вот — ещё пара полезных ресурсов.

Изготовление ветрогенератора своими руками

Оплата электроэнергии на сегодняшний день занимает немалую долю в затратах на содержание жилища. В многоквартирных домах, единственный способ экономии — переход на энергосберегающие технологии, и оптимизация расходов по многотарифным схемам (ночной режим оплачивается по сниженным ценам). А при наличии приусадебного участка можно не только сэкономить на потреблении, но и организовать для частного дома самостоятельное энергообеспечение.

Это нормальная практика, которая зародилась в Европе и северной Америке, а последние пару десятилетий активно внедряется и в России. Однако оборудование для автономного энергоснабжения достаточно дорогое, окупаемость «в ноль» наступает не раннее, чем спустя 10 лет. В некоторых государствах, можно возвращать энергию в общественные сети по фиксированным тарифам, это сокращает время окупаемости. В Российской Федерации для оформления «кэшбека» требуется пройти ряд бюрократических процедур, поэтому большинство пользователей «бесплатной» энергии предпочитают строить ветряной генератор своими руками, и пользоваться им только для личных нужд.

Правовая сторона вопроса

Самодельный ветрогенератор для дома не попадает под запреты, его изготовление и применение не влечет за собой административного либо уголовного наказания. Если мощность ветряного генератора не превышает 5 кВт, он относится к бытовым устройствам, и не требует никаких согласований с местной энергетической компанией. Тем более, не требуется уплачивать какие-либо налоги, если вы не получаете прибыль при продаже электроэнергии. Кроме того, самодельный генерирующий ветряк даже с такой производительностью, требует сложных инженерных решений: смастерить его на тек просто. Поэтому мощность самоделки редко превышает 2 кВт. Собственно, этой мощности обычно достаточно для энергоснабжения частного дома (конечно, если у вас нет бойлера и мощного кондиционера).

В данном случае, речь идет о федеральном законодательстве. Поэтому перед принятием решения об изготовлении ветряка своими руками, не лишним будет проверить наличие (отсутствие) субъектовых и муниципальных нормативных правовых актов, которые могут накладывать некоторые ограничения и запреты. Например, если ваш дом расположен на особо-охраняемой природной территории, использование ветровой энергии (а это природный ресурс) может потребовать дополнительных согласований.

Проблемы с законом могут возникнуть при наличии беспокойных соседей. Ветряки для дома относятся к индивидуальным постройкам, поэтому на них также распространяются некоторые ограничения:

• Высота мачты (даже если ветрогенератор без лопастей) не может превышать установленных в вашем регионе норм. Кроме того, могут действовать ограничения, связанные с расположением вашего участка. Например, над вами может проходить посадочная глиссада к ближайшему аэродрому. Или в непосредственной близости от вашего участка проходит линия электропередач. При падении, конструкция может повредить столбы или провода. Общие ограничения при нормальной ветровой нагрузке составляют 15 метров в высоту (некоторые самодельные ветряки взмывают на 30 метров). Если мачта и корпус устройства имеют большую площадь сечения, к вам могут предъявить претензии соседи, на чей участок падает тень. Понятно, что такие жалобы обычно возникают «из вредности», но правовая основа имеется.
• Шум от лопастей. Основной источник проблем с соседями. При работе классической горизонтальной конструкции, ветряк издает инфразвук. Это не просто неприятный шум, при достижении определенного уровня, волновые колебания воздуха оказывают неблагоприятное воздействие не организм человека и домашних животных. Самодельный генератор для ветряка, как правило, не является «шедевром» инженерной мысли, и сам по себе может издавать сильный шум. Крайне желательно официально протестировать ваше устройство в органах надзора (например, в СЭС), и получить письменное заключение о том, что установленные шумовые нормы не превышены.
• Электромагнитное излучение. Любой электроприбор излучает эфирные помехи. Возьмем, к примеру ветряк из автомобильного генератора. Для снижения уровня помех автомобильного приемника, в машине устанавливаются конденсаторные фильтры. При разработке проекта обязательно учитывайте этот момент.

Важно! Любое генерирующее устройство должно быть заземлено. Помимо обеспечения безопасности, это поможет снизить уровень помех.

Совет: Чем больше у вас образуется документов, подтверждающих безопасность ветрогенератора для окружающих, тем проще будет впоследствии отражать «атаки» беспокойных соседей и назойливых проверяющих.

Разновидности генераторов

Прежде чем решить, как сделать ветрогенератор своими руками, рассмотрим особенности конструкции:

По расположению генератора устройство может быть горизонтальным или вертикальным

• Классическая конструкция — ось вращения расположена параллельно земле, плоскость лопастей — перпендикулярно. Такая схема предусматривает свободное вращение вокруг вертикальной оси, для позиционирования «по ветру».Чтобы плоскость вращения всегда занимала эффективное положения перпендикулярно направлению ветра, требуется хвостовое оперение, которое работает по принципу флюгера. Принцип действия простой: ветер меняет направление, воздействует на хвостовую плоскость, ось вращения генератора всегда расположена вдоль движения потока воздуха. Единственная сложность — подключение силовых кабелей. Если корпус генератора совершит несколько оборотов вокруг вертикальной оси, провода намотаются на мачту, и оборвутся. Поэтому требуется установка ограничителя. Он не позволяет совершить полный оборот, но приводит к зависанию) корпуса в мертвых зонах.Промышленные образцы имеют электронный регулятор слежения за направлением, и поворачивает корпус с помощью встроенного электромотора.Решить проблему можно с помощью цилиндрического пропеллера, который принимает воздушный поток как поперек, так и вдоль оси вращения. Правда, эффективность зависит от угла атаки. Чем больше ветер отклоняется от угла 90°, тем ниже КПД.Но такую конструкцию трудно сделать своими руками, из-за сложностей в аэродинамике движителя.
• Оптимальный вариант — вертикальные генераторы (то есть, ось вращения вала располагается перпендикулярно земле). При таком расположении аэродинамического движителя, вы вообще не зависите от направления ветра. Вращение одинаково эффективно, и зависит только от силы потока воздуха.Форма лопастей может быть самой разной, есть простор для инженерной мысли. Существует множество интересных аэродинамических проектов, разработанных научными учреждениями. Причем чертежи большинства их них представлены в свободном доступе. Причем конструкции, опубликованные в литературе технической направленности времен СССР, порой оказываются наиболее рациональными.Роторные винты имеют неоспоримое преимущество: вертикальный генератор закреплен статично, что упрощает электрическое подключение. Нет необходимости устанавливать ограничители вращения, как в горизонтальных схемах.

По номиналу генерируемого напряжения

• Ветрогенераторы, изготовленные своими руками на 220 вольт, не требуют дополнительных преобразователей величины напряжения, и являются конструкциями прямого применения. Однако их работа зависит от силы ветра. Как минимум, необходим стабилизатор на выходе, выполняющий функцию регулятора при разных оборотах вала. При отсутствии ветра, система просто не работает.Преимущества неоспоримы: как правило, используется мощный электродвигатель, на который можно устанавливать винт, непосредственно закрепив его к валу ротора. Переделки минимальны по трудозатратам, такие моторы уже имеют удобный постамент, остается лишь изготовить опорную площадку.Электродвигатели можно найти с минимальными финансовыми затратами: от любой списанной электроустановки. Например, промышленного вентилятора. Подходят и моторы от бытовой техники: стиральные машины, пылесосы.
• 12 вольт (реже 24 вольта). Наиболее популярная конструкция — ветрогенератор своими руками из автомобильного генератора. Причем он демонтируется из автомобиля-донора в комплекте с преобразователем напряжения. Переделка схемы не требуется: на выходе мы получаем либо 14 вольт (в автомобиле таким напряжением заряжается аккумулятор), либо требуемые для питания вашей энергосистемы 12 вольт. Наличие шкива позволяет сконструировать ременную передачу с требуемым соотношением оборотов. Ответную часть также можно снять с автомобиля донора.При желании, лопасти крепятся непосредственно на вал.Такие ветрогенераторы можно использовать как для непосредственного подключения к потребителю, так и в автомобильном режиме, воспроизведя систему зарядки в комплекте с аккумулятором. Если для организации энергоснабжения требуется 12 вольт, питание берется напрямую с клемм аккумулятора. Для получения 220 вольт, используется преобразователь. Подходящий вариант — источник бесперебойного питания.Система работает следующим образом: если отбираемая мощность ниже, чем может обеспечить генератор — аккумуляторные батареи заряжаются. Если порог превышен — мощность генерируется от АКБ.

Типовые примеры самодельных ветрогенераторов

Устройство ветрогенератора одинаковое, вне зависимости от выбранной схемы.

• Пропеллер, который может быть установлен как непосредственно на вал генератора, так и с помощью ременной (цепной, шестеренной передачи).
• Собственно генератор. Это может быть готовое устройство (например, с автомобиля), либо обычный электродвигатель, который при вращении вырабатывает электроток.
• Инвертор, регулятор напряжения, стабилизатор — в зависимости от выбранного напряжения.
• Буферный элемент — аккумуляторные батареи, обеспечивающие непрерывность генерации, вне зависимости от наличия ветра.
• Установочная конструкция: мачта, кронштейн для монтажа на крыше.

Пропеллер

Можно изготовить из любого материала: хоть из пластиковых бутылок. Правда гибкие лопасти существенно ограничивают мощность.

Достаточно вырезать в них полости, для забора ветра.

Неплохой вариант — ветряк бытового из кулера. Вы получаете готовую конструкцию с профессионально выполненными лопастями и сбалансированным электродвигателем.

Аналогичная конструкция изготавливается из охладителя компьютерных блоков питания. Правда мощность такого генератора мизерная — разве что зажечь лампу на светодиодах, или зарядить мобильный телефон.

Тем не менее, система вполне работоспособна.

Неплохие лопасти получаются из алюминиевых листов. Материал доступен, его несложно отформовать, пропеллер получается достаточно легким.

Если вы создаете роторный пропеллер для вертикального генератора, можно воспользоваться жестяными банкам, разрезанными вдоль. Для мощных систем применяются половинки стальных бочек (вплоть до объема 200 литров).

Разумеется, придется с особой тщательностью подойти к вопросу надежности. Мощный каркас, вал на подшипниках.

Генератор

Как говорилось выше, можно использовать готовый автомобильный, или электродвигатель от промышленных электроустановок (бытовой техники). В качестве примера: ветрогенератор из шуруповерта. Используется вся конструкция: двигатель, редуктор, патрон для крепления лопастей.

Компактный генератор получается из шагового двигателя принтера. Опять же, мощности хватает лишь на питание светодиодного светильника или зарядного устройства смартфона. На природе — незаменимая вещь.

Если вы с паяльником «на ты», и неплохо разбираетесь в радиотехнике — генератор можно собрать самостоятельно. Популярная схема: ветрогенератор на неодимовых магнитах. Преимущества конструкции — можно самостоятельно рассчитать мощность под ветровую нагрузку в вашей местности. Почему неодимовые магниты? Компактность при высокой мощности.

Можно переделать ротор имеющегося генератора.

Либо создать собственную конструкцию, с изготовлением обмоток.

Эффективность такого ветряка на порядок выше, чем при использовании схемы с электродвигателем. Еще одно неоспоримое преимущество — компактность. Неодимовый генератор плоский, и его можно разместить непосредственно в центральной муфте пропеллера.

Мачта

Изготовление этого элемента не требует познаний в электронике, но от его прочности зависит жизнеспособность всего ветрогенератора.

Например, мачта высотой 10–15 метров требует грамотно рассчитанных растяжек и противовесов. Иначе сильный порыв ветра может завалить конструкцию.

Если мощность генератора не превышает 1 кВт, вес конструкции не такой большой, и вопросы прочности мачты отходят на второй план.

Самодельный ветрогенератор — не такая сложная конструкция, как может показаться на первый взгляд. С учетом высокой стоимости заводских изделий, можно изрядно сэкономить, изготовив домашнюю ветряную электростанцию и вполне доступных материалов. С учетом небольших затрат на создание ветряка, окупится он достаточно быстро.

Сделаем ветряной генератор своими руками

Зачастую у владельцев частных домов возникает идея о реализации системы резервного электропитания. Наиболее простой и доступный способ – это, естественно, бензиновый или дизельный генератор, однако многие люди обращают свой взгляд на более сложные способы преобразования так называемой даровой энергии (солнечного излучения, энергии текущей воды или ветра) в электричество.

Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. Если с использованием течения воды (мини-ГЭС) все понятно – это доступно только в непосредственной близости от достаточно быстротекущей реки, то солнечный свет или ветер можно использовать практически везде. Оба этих метода будут иметь и общий минус – если водяная турбина может работать круглосуточно, то солнечная батарея или ветрогенератор эффективны только некоторое время, что делает необходимым включение аккумуляторов в структуру домашней электросети.

Поскольку условия в России (малая длительность светового дня большую часть года, частые осадки) делают применение солнечных батарей неэффективным при их современных стоимости и КПД, наиболее выгодным становится конструирование ветрового генератора. Рассмотрим его принцип действия и возможные варианты конструкции.

Так как ни одно самодельное устройство не похоже на другое, эта статья – не пошаговая инструкция, а описание базовых основ конструирования ветрогенератора.

Общий принцип работы

Основным рабочим органом ветрогенератора являются лопасти, которые и вращает ветер. В зависимости от расположения оси вращения ветрогенераторы делятся на горизонтальные и вертикальные:

• Горизонтальные ветрогенераторы наиболее широко распространены. Их лопасти имеют конструкцию, аналогичную пропеллеру самолета: в первом приближении это – наклонные относительно плоскости вращения пластины, которые преобразуют часть нагрузки от давления ветра во вращение. Важной особенностью горизонтального ветрогенератора является необходимость обеспечения поворота лопастного узла сообразно направлению ветра, так как максимальная эффективность обеспечивается при перпендикулярности направления ветра к плоскости вращения.
• Лопасти вертикального ветрогенератора имеют выпукло-вогнутую форму. Так как обтекаемость выпуклой стороны больше, чем вогнутой, такой ветрогенератор вращается всегда в одном направлении независимо от направления ветра, что делает ненужным поворотный механизм в отличие от горизонтальных ветряков. Вместе с тем, за счет того, что в любой момент времени полезную работу выполняет только часть лопастей, а остальные только противодействуют вращению, КПД вертикального ветряка значительно ниже, чем горизонтального: если для трехлопастного горизонтального ветрогенератора этот показатель доходит до 45%, то у вертикального не превысит 25%.

Поскольку средняя скорость ветров в России невелика, даже большой ветряк большую часть времени будет вращаться достаточно медленно. Для обеспечения достаточной мощности электропитания от должен соединяться с генератором через повышающий редуктор, ременной или шестеренчатый. В горизонтальном ветряке блок лопасти-редуктор-генератор устанавливается на поворотной головке, которая дает им возможность следовать за направлением ветра. Важно учесть, что поворотная головка должна иметь ограничитель, не дающий ей сделать полный оборот, так как иначе проводка от генератора будет оборвана (вариант с использованием контактных шайб, позволяющих головке свободно вращаться, более сложен). Для обеспечения поворота ветрогенератор дополняется направленным вдоль оси вращения рабочим флюгером.

Наиболее распространенный материал для лопастей – это ПВХ-трубы большого диаметра, разрезаемые вдоль. По краю к ним приклепываются металлические пластины, приваренные к ступице лопастного узла. Чертежи такого рода лопастей наиболее широко распространены в Интернете.

На видео рассказывается про ветрогенератор, изготовленный своими руками

Расчет лопастного ветрогенератора

Так как мы уже выяснили, что горизонтальный ветрогенератор значительно эффективнее, рассмотрим расчет именно его конструкции.

Энергия ветра может быть определена по формуле
P=0.6*S*V³, где S – это площадь круга, описываемого концами лопастей винта (площадь ометания), выраженная в квадратных метрах, а V – расчетная скорость ветра в метрах в секунду. Также нужно учитывать КПД самого ветряка, который для трехлопастной горизонтальной схемы составит в среднем 40%, а также КПД генераторной установки, составляющий на пике токоскоростной характеристики 80% для генератора с возбуждением от постоянных магнитов и 60% – для генератора с обмоткой возбуждения. Еще в среднем 20% мощности израсходует повышающий редуктор (мультипликатор). Таким образом, окончательный расчет радиуса ветряка (то есть длины его лопасти) для заданной мощности генератора на постоянных магнитах выглядит так:
R=√(P/(0.483*V³))

Пример: Примем требуемую мощность ветроэлектростанции в 500 Вт, а среднюю скорость ветра – в 2 м/с. Тогда по нашей формуле нам придется использовать лопасти длиной не менее 11 метров. Как видите, даже такая небольшая мощность потребует создания ветрогенератора колоссальных габаритов. Для более-менее рациональных в условиях изготовления своими руками конструкций с длиной лопасти не более полутора метров ветрогенератор сможет выдавать всего лишь 80-90 ватт мощности даже на сильном ветру.

Недостаточно мощности? На самом деле все несколько иначе, так как на самом деле нагрузку ветрогенератора питают аккумуляторы, ветряк же только заряжает их в меру своих возможностей. Следовательно, мощность ветроустановки определяет периодичность, с которой она сможет осуществлять подачу энергии.

В Интернете часто можно найти статьи под броскими заголовками наподобие “Ветрогенератор для отопления дома”. На самом же деле, как вы уже могли понять из приведенных расчетов, постоянно поддерживать потребляющее несколько киловатт-часов электрическое отопление сможет разве что сеть из не одного десятка самодельных установок.

Предлагаем посмотреть еще один рассказ про ветрогенератор и его изготовление в домашних условиях

Выбор генератора

Наиболее логичным вариантом генераторной установки для самодельного ветряка кажется автомобильный генератор. Такое решение позволяет легко скомпоновать установку, так как генератор уже имеет и крепежные точки, и шкив для ременного мультипликатора. Купить и сам генератор, и запчасти к нему нетрудно. Кроме того, встроенное реле-регулятор позволяет непосредственно подключить его к 12-вольтовой аккумуляторной батарее, а к ней, в свою очередь – инвертор для преобразования постоянного тока в переменный напряжением 220В.

Но, как уже было сказано выше, КПД генераторов с обмоткой возбуждения достаточно низок, что весьма чувствительно для и без того маломощного ветряного генератора. Второй минус в том, что при разряженном аккумуляторе автомобильный генератор не сможет возбудиться.

В ряде самодельных конструкций можно встретить тракторные генераторы Г-700 и Г-1000. Их КПД ничуть не больше, полезным отличием являются лишь намагниченность ротора, позволяющая возбудить генератор даже без аккумуляторной батареи, и низкая цена.

Некоторые авторы при постройке ветрогенераторов пользуются свойством обратимости коллекторных электродвигателей – принудительно вращая их ротор, с него можно снимать постоянный ток. Статор двигателей подобного типа состоит либо из постоянных магнитов, что более предпочтительно в наших целях, либо имеет обмотку. Для применения двигателя в режиме генератора она подключается к автомобильному реле-регулятору, чтобы обеспечить нужное напряжение. Рассмотрим подключение реле-регулятора на примере узла от ВАЗовской классики (оно удобно тем, что не объединено в один блок с щеточным узлом):

1. Одну из щеток двигателя соедините с корпусом – это будет отрицательный полюс генератора. Сюда же надежно подключите металлический корпус реле-регулятора и клемму “-” аккумулятора.
2. Клемму 67 реле соедините с одним из выводов статорной обмотки, второй временно с корпусом.
3. Клемму 15 соедините через выключатель с положительным полюсом аккумулятора (при этом на обмотку подастся ток возбуждения). Придайте ротору вращение в том же направлении, что будет обеспечивать винт ветроустановки, и подключите между свободной щеткой и корпусом вольтметр. Если на щетке обнаружится отрицательный потенциал, поменяйте местами соединения статора с реле-регулятором и массой.

Основной особенностью подключения генератора постоянного тока к аккумуляторной батарее является необходимость в разделении их полупроводниковым диодом, не дающим аккумулятору разряжаться на обмотку ротора при остановке генератора. В современных автомобильных генераторах эту функцию выполняет трехфазный диодный мост, и мы также можем его использовать, параллельно соединив его фазы для уменьшения падения напряжения на нем.

Наибольшую же мощность можно снять с генератора, ротор которого состоит из неодимовых магнитов. Распространены конструкции на основе автомобильной ступицы с тормозным диском, по краю которого закрепляются мощные магниты. На минимальном расстоянии от них располагается статор с однофазной или трехфазной обмоткой.

Такой генератор хорош многим: он возбуждается уже при низких оборотах даже при севшем аккумуляторе, не требует обслуживания щеточного узла. Но при этом его выходное напряжение невозможно отрегулировать, так как оно зависит только от частоты вращения. Домашняя электростанция с генератором на неодимовых магнитах потребует подключения его к дополнительному инвертору для обеспечения зарядки аккумуляторной батареи в большом диапазоне скоростей ветра. Также это устройство часто называется контроллером заряда батарей.

Существует несколько различных вариантов реализации контроллера в зависимости от конкретного решения конструкции генератора. Так как у подобных самоделок большой разброс параметров, приведенную схему стоит рассматривать как иллюстрацию общего принципа устройства контроллера, а не как обязательное решение.

Как видно, эта схема рассчитана на использование в качестве генератора коллекторного электродвигателя. Если же вы использовали самодельный генератор переменного тока, добавьте диодный мост на его выход.

Напряжение с генератора через контрольный узел, состоящий из вольтметра и амперметра, подается на вход двух импульсных стабилизаторов. Зарядку аккумулятора осуществляет блок 2, в то время как задача блока 1 – защита от ухода генератора в разнос при сильном ветре и малом потреблнеии тока нагрузкой: при превышении напряжением порога, задаваемого движком потенциометра R3, блок 1 начинает подавать напряжение на подключенный к его выходу мощный нагрузочный резистор, о чем сообщает загорающийся светодиод LED2.

Нагрузка, не требующая точной стабилизации напряжения (например, низковольтные лампы накаливания), подключаются в обход стабилизатора к выводу диода D2.

Расчет мультипликатора

Генераторная установка имеет наклонную токоскоростную характеристику: с ростом оборотов ротора увеличивается максимальная отдаваемая им мощность. Следовательно, чтобы обеспечить наибольшую эффективность тихоходного ветрогенератора, нам понадобится мультипликатор с большим коэффициентом повышения.

Для самодельной конструкции наиболее оптимальное решение – это ременной мультипликатор: он прост в изготовлении и требует минимума станочных работ. Коэффициент повышения оборотов у него будет равен отношению диаметра ведущего шкива, связанного с осью винта, к диаметру ведомого шкива генератора. При необходимости передаточное число будет легко скорректировать заменой одного из шкивов.

При проектировании мультипликатора нужно учитывать как средние обороты лопастного узла, так и токоскоростную характеристику генератора. Если мы используем серийный автомобильный генератор, то ее без труда можно найти в Интернете, с самодельными же конструкциями, скорее всего, придется идти методом проб и ошибок.

Для примера возьмем распространенный тракторный генератор, о котором уже писали выше.

Взяв расчетную мощность нашей ветроустановки в 90 ватт, найдем точку на графике, соответствующую выходу генератора на эту мощность. При номинальном напряжении 14 В нам потребуется токоотдача не менее 6,5 А – согласно графику, это произойдет при оборотах чуть выше 1000 об/мин. Пусть винт нашей конструкции вращается ветром со скоростью 60 об/мин (ветер средней силы). Значит, нам потребуется как минимум двадцатикратное соотношение диаметров шкивов – для 70-миллиметрового шкива генератора шкив ветряка должен будет иметь диаметр почти полтора метра, что неприемлемо. Это недвусмысленно намекает, насколько мала эффективность ветрогенераторов такого типа – без сложного многоступенчатого редуктора, который сам по себе приведет к большим потерям мощности, вывести автомобильный генератор на рабочий режим практически невозможно.

Для сравнения, посмотрим на характеристики генераторов, используемых в ветрогенераторах промышленного изготовления. Например, генератор на постоянных магнитах ГВУ1000, по конструкции аналогичный описанной выше самоделке из автомобильного тормозного диска, всего при 200 оборотах в минуту выдает мощность в 1 киловатт. С другой стороны, обратной стороной является его значительные вес (34 кг) и цена (почти 70 тысяч рублей).

Мачта

Она не только обеспечивает безопасность эксплуатации ветряка (нижняя точка круга, описываемого лопастями, должна быть не ближе 2 метров к земле), но и позволяет ему максимально эффективно использовать энергию ветра, поток которого вблизи от земли становится более турбулентным.

Большая высота приводит к низкой жесткости мачты ветрогенератора и делает ее прочностной расчет достаточно сложным не только для мастера-любителя, но и для инженера. Можно перечислить лишь основные моменты:

• Размещайте мачту возможно дальше от дома и деревьев, затеняющих воздушный поток. Кроме того, при сильном ветре возможно падение ветрогенератора на здание либо его повреждение деревьями;
• Оптимальная конструкция мачты – это ажурная сварная ферма наподобие вышек электропередач, но в изготовлении она сложна и дорога. Простейший, но достаточно эффективный вариант – это несколько параллельных труб диаметром 80-100 мм, сваренных короткими швами между собой и забетонированных на глубину не менее метра в земле. Конструкцию из одной трубы крайне желательно усилить тросовыми растяжками, которые также крепятся к залитым в бетон опорам.
• Для упрощения обслуживания ветряка его мачту можно сделать переломной: в этом случае при ослаблении растяжки, идущей в направлении перелома, мачту можно будет наклонить к земле.

Рассказ об очень простом ветрогенераторе из домашнего вентилятора

Дополнительное электрооборудование

Как уже было сказано выше, неотъемлемой частью ветряной электростанции является аккумулятор, берущий на себя питание потребителей. при его выборе нужно помнить, что чем больше его емкость, тем дольше он сможет поддерживать напряжение в сети, но при этом и дольше будет заряжаться. Приблизительное время работы можно определить как то время, за которое исчерпается половина емкости аккумулятора (после этого падение напряжения станет уже ощутимым, кроме того, глубокий разряд снижает ресурс свинцово-кислотных батарей).

Пример: Так, аккумулятор емкостью 65 А*ч условно сможет отдавать в нагрузку 30-35 ампер-часов энергии. Много это или мало? Обычная лампа освещения мощностью 60 ватт потребует, с учетом наличия инвертора, преобразующего 12 В постоянного тока в 220 В переменного и имеющего собственный КПД в пределах 70%, тока в 7 ампер – это чуть больше четырех часов работы. Восстанавливать же растраченную энергию наш ветряк с условной мощностью 90 ватт даже в лучшем случае, при постоянном сильном ветре, будет не менее пяти часов. Как вы видите, при использовании ветрогенератора исключительно как автономного источника энергии электричество в вашем доме будет доступным лишь на несколько часов в день.

Вторым узлом системы электроснабжения становится инвертор. В нашем случае можно использовать как готовый автомобильный, так и извлеченный из источника бесперебойного питания. В любом случае важно не перегружать его потреблением тока, учитывая, что реальная эксплуатационная мощность его в 1,2-1,5 раза меньше указываемой максимальной мощности.

Как вы можете видеть, привлекательность использования даровой энергии упирается во многочисленные ограничения, и даже единственный эффективный в средней полосе России вариант – ветрогенератор – неспособен обеспечивать длительную автономность.

Но вместе с тем эта идея неплоха и как источник аварийного электропитания и, особенно, как конструкторская задача – удовольствие от создания своими руками ветрогенераторной установки может в разы превосходить ее мощность.

Источник https://habr.com/ru/company/ruvds/blog/546046/

Источник https://profazu.ru/elektrooborudovanie/samodelki-oborud/vetrogenerator-svoimi-rukami.html

Источник https://generatorexperts.ru/alternativnye-istochniki/vetryanoj-svoimi-rukami.html