Как сделать ветрогенератор своими руками — инструкция

Основные понятия

  1. КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
  2. КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
  3. Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
  4. 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.
  5. Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
  6. 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.
  7. Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
  8. Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
  9. Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
  10. Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
  11. 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.
  12. 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.

Вертикалки

Ветряки с вертикальной осью вращения являются наиболее подходящей для самостоятельного изготовления группой устройств. Они имеют простую, понятную конструкцию. Не нуждаются в большом количестве узлов вращения, нетребовательны к направлению ветра.

Ветрогенератор Савониуса — одна из наиболее старых разработок, увидевших свет в 20-х годах прошлого столетия. Устройство состоит из двух лопастей достаточно большой площади, изогнутых в продольном направлении.

При воздействии потока ветра одна из лопастей получает усилие на рабочую часть, а вторая — на обратную сторону. Форма лопасти способствует рассечению потока, часть которого уходит в сторону, а другая часть соскальзывает на рабочую поверхность второй лопасти, увеличивая вращающий момент.

Конструкция Дарье была предложена почти одновременно с ротором Савониуса. Ее основа — лопасти, имеющие форму крыла самолета и расположенные вертикально по касательной к окружности вращения. Требуется нечетное число лопастей, иначе возникнет чрезмерно высокое уравновешивающее усилие.

Математического описания работы устройства до сих пор не имеется, но разработки, выполненные на основе конструкции, существуют и постоянно пополняются. Существует большое количество моделей частных ветрогенераторов с мощностью, достаточной для обеспечения небольшого дома.

Ортогонал

Ортогональные конструкции являются наиболее эффективными из всех базовых моделей вертикальных ветряков. Они обладают высокими скоростями, чувствительностью, производительностью. Конструкция состоит из нескольких лопастей (обычно три и больше), расположенных на некотором расстоянии от оси параллельно ей.

Как сделать ветрогенератор своими руками — инструкция

Рассмотренный выше ротор Дарье — один из представителей ортогональных устройств. К недостаткам можно отнести высокие нагрузки на узел вращения, способствующие быстрому выходу из строя движущихся деталей.

Геликоид

Геликоидные конструкции созданы на основе базовой модели ортогонального типа, но со значительными изменениями геометрии лопастей. Они изогнуты по окружности вращения, получив форму, приближенную к спиральной.

Более плавный режим вращения обеспечивает равномерную выработку электрического тока, что позволяет использовать устройства для прямого питания некоторых потребителей (осветительных устройств, насосов и т.д.).

Бочка-загребушка

Это — «народное» название многолопастного карусельного (вертикального) ветрогенератора. Устройство имеет хороший баланс, эффективно захватывает поток ветра, низкий уровень шума. Для желающих попробовать силы в изготовлении ветряк своими руками этот вариант конструкции рекомендуется как один из базовых типов конструкции.

Каркас — сваривается из металлического профиля — уголка, трубы и т.п. Особенность устройства в его неуязвимости для сильных порывов ветра — вокруг крыльчатки при усилении потока образуется вихревой кокон, препятствующий проникновению ветра внутрь крыльчатки. Поток просто обтекает устройство, как трубу.

Как сделать ветрогенератор своими руками — инструкция

Особенность конструкции Ленца состоит в использовании вместо подшипников сильных неодимовых магнитов. Они удерживают узел вращения в «подвешенном» состоянии, что обеспечивает легкость вращения. Отсутствие трения способствует высокой долговечности оборудования.

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.

Вертикальные ветрогенераторы

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.

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.

Вертикальный ветрогенератор на даче

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.

Карусельный и ортогональный роторы

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

Вертикальный ротор с направляющим аппаратом

  • 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.

Выбор по ветру

Ветер — источник энергии. Он достается бесплатно, но не всегда имеется в наличии. Прежде, чем приобретать или строить ветряк, следует подробно ознакомиться с метеорологической ситуацией в регионе. Важно выяснить направления, преобладающие скорости ветра, частоту и силу шквальных порывов, ураганных проявлений.

Ветрогенератор с редуктором своими руками

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).

Предлагаем ознакомиться:  Способы борьбы с клопами в домашних условиях

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.

Вжелто-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.

Законность установки ветрогенератора

Частные ветрогенераторы мощностью до 1 кВт приравниваются к бытовым электроустановкам, поэтому каких-либо разрешений или документов на право использования не требуется. Однако, возможны сложности другого порядка. Например, установка, создающая шум, способна доставлять неприятные ощущения для соседей.

Возможны различные местные нормативы на использование ветроустановок, о которых следует узнать заранее, чтобы не оказаться в неприятной ситуации. Например, существуют ограничения по высоте мачты (до 15 м) или иные требования.

Подобный ветряной генератор, сделанный своими руками, способен вырабатывать количество электроэнергии, достаточной для освещения небольшого садового домика, хозяйственных построек, а также нескольких фонарей на дворовой территории.

Изготавливаются такие ветряки из автомобильного генератора или стартера, а потому, чтобы не приобретать дорогостоящее оборудование для его изготовления, рассмотрим устройство, которое будет вырабатывать до полутора киловатт. Для этого будет необходимо наличие следующих материалов:

  • автомобильного генератора на 12 вольт;
  • гелиевого или кислотного аккумулятора (нужен также 12-вольтовый);
  • герметичного выключателя;
  • преобразователя напряжения с 12 на 220 В и 700–1500 ватт;
  • большой емкости из нержавейки или алюминия для изготовления лопастей. Также может подойти и пластиковая труба диаметром в 20–25 см;
  • реле зарядки аккумулятора с вольтметром;
  • крепежной фурнитуры, т.е. болтов и гаек;
  • проводов, имеющих сечение 4 и 2,5 кв. мм;
  • двух хомутов для крепления на мачте устройства;
  • металлической трубы достаточной длины для использования ее в качестве мачты;
  • ну и, естественно, различного инструмента: ножниц по металлу, болгарки, ключей, отверток и дрели с набором сверел.
                                                 
Пример вырезания лопастей ветрогенератора

Первым делом необходимо сделать лопасти вентилятора будущего ветрогенератора для частного дома своими руками. Для этого хорошо подойдет старая большая алюминиевая кастрюля, но тут возможны варианты. Карандашом необходимо разметить, а после разрезать емкость по размеченным линиям при помощи болгарки или ножниц по металлу, оставляя непрорезанными небольшие отрезки сверху и снизу, т.е.

Вырезанные лопасти выгибаются в нужную сторону. Нужно помнить о том, что от того, в какую сторону вывернуты лопасти, зависит направление вращения, а от угла их поворота и размера — скорость, с которой винт будет вращать генератор. Вырезать их удобнее болгаркой, но если металл тонкий, вполне подойдут и ножницы по металлу.

Немного сложнее обстоит дело с пластиковой трубой. Ее необходимо разделить вдоль на четыре части, после чего на каждую из полукруглых отрезков изготовить «заглушки сверху и снизу, а после скомпоновать в один винт, чтобы получилось подобие первого варианта.

Как сделать ветрогенератор своими руками — инструкция

Далее при помощи дрели делаются крепежные отверстия в валу генератора и готовом пропеллере, после чего лопасти при помощи болтов фиксируются на вал ротора. Можно произвести подобную работу и при помощи редуктора, увеличив скорость вращения генератора, — это уже на усмотрение самого мастера.

После произведенной работы остается только закрепить ветрогенератор при помощи хомутов на мачту и протянуть вдоль нее провода.

                                                   
Схема устройства ветряка

Т.к. оптимальная длина мачты ветроэлектростанции составляет 5–13 метров, основание ее необходимо залить бетоном для хорошей устойчивости. Также имеет смысл продумать и варианты, как опустить вниз ветряной генератор для дома или добраться до него в случае поломки.

Провода, идущие от самого ветрогенератора, подключаются через реле зарядки на аккумулятор. Далее в схеме идет преобразователь, от которого напряжение в 220 вольт уже будет поступать в распределительный щит.

Все оборудование должно быть защищено от попадания атмосферных осадков и прямого доступа детей. Выключатель устанавливается на мачте, на доступной высоте, и разрывает плюсовой провод от ветрогенератора на реле зарядки.

Очень важно отключать нагрузку при слишком сильном ветре, который может вывести из строя как сам генератор, так и реле зарядки аккумулятора.

Но существует и более мощный вариант изготовления ветрогенератора своими руками в домашних условиях. Конечно, он немного сложнее, но, все же, соблюдая правила и порядок работы, сделать подобное устройство вполне реально.

                                                        
Электрическая схема генератора

Законность установки ветрогенератора

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.

Как сделать ветрогенератор своими руками — инструкция

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.

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.

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.

Детали самодельного генератора на супермагнитах

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.

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.

Вне зависимости от типа подобного устройства, изготовленного своими руками на 220 вольт, составляющие его части будут одни и те же. Любые ветровые генераторы состоят из непосредственно самого вырабатывающего электричество устройства, лопастей, батареи, мачты и электронного блока — инвертора.

В любом случае, первое, с чего начинается изготовление подобного устройства — это выбор типа, электрическая схема и проект внешнего вида. По типу ветрогенераторы разделяются на парусные и лопастные, или горизонтальные и вертикальные.

Для средних широт, где нет резких порывов ветра, а так же в установках, мощностью до 5 кВт, наилучшим вариантом станет такой ветряной генератор, как «парусник», а потому в нем и попробуем разобраться подробнее.

                                   
Лопасти ветрогенератора из жестяной бочки

Лопасти ветрогенератора из жестяной бочки

Сама суть работы подобных устройств такова: лопасти, вращаясь при помощи силы ветра, передают крутящий момент напрямую или через редуктор на ротор генератора, в результате чего вырабатывается электроэнергия, которая через электронный блок поступает в батарею. В аккумуляторе энергия накапливается и в последующем может быть использована для бытовых нужд.

Попробуем разобраться, какие виды ветрогенераторов возможно изготовить в домашних условиях и что для этого понадобится.

Подобное устройство (можно даже сказать — ветряная электростанция своими руками) изготавливается на основе не так давно появившихся на нашем рынке неодимовых магнитов. Именно за их счет и достигается более высокая мощность генератора.

Если брать подобную установку на обычных, ферритовых магнитах, то больше полутора киловатт из нее получить не удастся. Некоторое время назад, когда неодимовые элементы только появились на прилавках, цена на них была довольно высока, но сейчас уже наблюдается снижение стоимости, а потому подобные магниты стали более доступными.

Как сделать ветрогенератор своими руками — инструкция

Итак, для того, чтобы изготовить аксиальный ветровой генератор для дома своими руками, понадобится наличие ступицы с тормозным диском от автомобиля. Причем износ ее тут не важен, а потому подобную деталь можно всегда найти в любом автосервисе.

Ее будет нужно тщательно почистить, промазать подшипники, в общем, привести в хорошее рабочее стояние. Оптимальным количеством магнитов будет 20 шт., с размерами 25 х 8 мм. Приклеены они будут к внутренней части тормозного диска.

Разметив диск на секторы, следует клеить магниты, чередуя их полюсы — это очень важно. Для более крепкого соединения рекомендуется использование эпоксидного клея. Ну а после того, как клей высох, той же эпоксидной смолой все магниты заливаются, а чтобы клей не стекал, можно сделать небольшой бортик по кругу диска из пластилина.

Предлагаем ознакомиться:  Как построить умный парник на своем участке
Крепление неодимовых магнитов на ступицу

Намотка катушек

Общеизвестно, что перед тем, как приступить к намотке, нужно рассчитать необходимое количество витков катушки. Исходя из того, что ветрогенератор должен работать на небольшой скорости, необходима зарядка аккумулятора уже на 100–150 оборотах в минуту.

Следовательно, общее количество витков во всех катушках обмотки должно быть 1200–1500, большее количество ни к чему. Ну а рассчитать количество витков одной катушки очень просто. При 20 катушках и общем количестве витков в 1400, одна должна содержать 70 витков.

Чем больше количество катушек, тем большей мощности можно добиться на малых оборотах. При этом, чем больше сечение провода при намотке, тем меньше сопротивление, а значит и больше сила тока.

Конечно, наилучшим вариантом будет использование специального станка для намотки катушек, но если его нет, вполне возможно выполнение подобной работы и вручную.

Для проверки выдаваемой мощности вполне хватит одной обмотки. При прокрутке в генераторе уже можно будет замерить параметры будущего устройства.

Сам статор можно изготовить из фанеры, укрепив ее, для надежности, стеклотканью и эпоксидной смолой. А вот соединение катушек производится по одной из двух схем, на выбор мастера. Это может быть либо «треугольник», либо «звезда».

Далее катушки фиксируются, а провода выводятся наружу. Для проверки работоспособности ветрогенератор для частного дома прокручивают вручную при стабильных оборотах и снимают с выведенных проводов показания напряжения.

Что касается мачты — здесь нет никаких отличий от изготовления роторного ветрогенератора. Требования к ней предъявляются те же самые. А вот лопасти винта для подобной установки изготавливаются по-другому.

Схема работы ветрогенератора

При этом длина лопасти на ветряк своими руками должна быть не менее метра, для возможности прокрутки генератора, причем необходимо так же и сбалансировать готовый винт для устранения шума, биения и порчи подшипников в процессе эксплуатации.

Немного поразмыслив, можно сконструировать лопасти ветрогенератора так, чтобы при очень сильном ветре их можно было сложить, а после разложить. Это спасет от выхода из строя устройства в случае штормовых предупреждений и резких порывов.

Монтаж оборудования на земле производится аналогично предыдущему варианту роторного ветрогенератора.

Генератор — основное устройство комплекса, непосредственно вырабатывающее электроток. Его мощность определяет параметры всей установки. Выбор генератора производится путем подсчета мощности всех потребителей в доме или на участке.

Изготовление самодельного генератора — часто встречающаяся задача, возникающая при сборке ветряка. При создании используются разные методы:

  • использование готового генератора или магнето с внесением некоторых конструктивных изменений
  • создание генератора «с нуля» из подручных материалов

Оба варианта имеют свои плюсы и минусы, выбор делается на основе своих возможностей или предпочтений.

Создание генератора с нуля требует обладания определенными познаниями, навыками работы со слесарными инструментами и опыта изготовления электротехнических устройств. Процесс создания генератора состоит из двух этапов:

  • изготовление ротора. На пластину из фанеры или иного листового материала наклеиваются неодимовые магниты в одинаковом удалении от центра. Полярность магнитов чередуется
  • изготовление статора. Наматываются обмотки числом, кратным 3 (три фазы). Они располагаются на фанерной пластине подобно магнитам ротора и соединяются определенным образом, образуя равномерный сдвиг фазы. Готовый статор заливают эпоксидкой для защиты от влаги, пыли и т.д.
  • производится сборка устройства. На оси укрепляется ротор, ось устанавливается на статор, вся конструкция закрепляется и накрывается защитным кожухом.

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:

  1. лопасти ротора;
  2. генератор;
  3. станина генератора;
  4. защитный флюгер (ураганная лопата);
  5. токосъемник;
  6. шасси;
  7. поворотный узел;
  8. рабочий флюгер;
  9. мачта;
  10. хомут под ванты.
  1. защитный флюгер;
  2. рабочий флюгер;
  3. регулятор натяжения пружины защитного флюгера.
  1. коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;
  2. подпружиненные меднографитовые щетки.

Итак, где нас ждут «спотыки»?

Лопасти

Профилировка и крутка лопасти ВСУ

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.

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.

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.

Как сделать ветрогенератор своими руками — инструкция

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»?

Ветряки с горизонтальной осью вращения имеют большую эффективность, так как энергия потока ветра используется только на рабочих поверхностях, не контактируя с обратными сторонами лопастей. При этом, критически важно наличие устройства, автоматически устанавливающего для ветряка направление по ветру.

Лопасти

Лопасти горизонтального ветряка являются основным элементом крыльчатки, принимающим поток и преобразующим его во вращательное движение. Эффективность работы обусловлена конструкцией и размерами.

Аэродинамика лопастей зависит от угла наклона, конфигурации, площади соприкосновения с потоком. Чем выше площадь контакта, тем большую энергию принимает поверхность, что имеет положительные и отрицательные стороны.

Генератор

Генератор — устройство, преобразующее энергию вращения в электрический ток. Наряду с ротором, генератор для ветряка является основным узлом, который обслуживается всеми остальными элементами установки.

Аварийный флюгер

Так среди специалистов принято называть устройство увода крыльчатки от чрезмерно сильного ветрового потока. Вращение, имеющее скорость, превышающую расчетную, создает ток большей силы и напряжения, чем это рассчитано и не нужен для оборудования.

Для исключения таких ситуаций существуют устройства торможения, одно из которых работает на принципе авторегулирования. Перпендикулярно направлению оси устанавливается специальная лопатка, жестко соединенная с ротором.

Хвостовой стабилизатор крепится к ротору через шарнир с пружиной. Когда ветер достигает слишком высокой скорости, усилие на тормозной лопатке превышает силу пружины, ротор отворачивается от ветра и прекращает вращаться со слишком высокой скоростью.

Токосъемник

Устройство подвода или, в нашем случае, съема электроэнергии — коллектор — достаточно капризный узел, требующий регулярного ухода, смазки, замены щеток и т.д. Процедура не самая простая, так как ветряк расположен на мачте, до аппаратуры надо еще добраться, что непросто.

Идея совмещать солнечные батареи с ветрогенераторами возникла практически с первых дней появления этих конструкций. Привлекают абсолютно дармовая энергия ветра и солнца, которые нуждаются только в оборудовании для захвата и преобразования. Оба комплекса вполне могут работать в связке, дополняя друг друга.

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.

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.

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.

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.

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.

Предлагаем ознакомиться:  Лучшие сорта черешни для регионов России

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!

ветряной генератор на вертикальной оси

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.

Парусная яхта на подводных крыльях

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.

Бейсджампер в видгсьюте

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.

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?

Вопрос безопасности использования ветрогенератора непрост. Лопасти ветряка при высоких скоростях и больших размерах способны причинить серьезные травмы, вплоть до летального исхода. Кроме того, высокие мачты опасны при возникновении сильного ветра, поскольку могут опрокинуться на жилые дома, людей, оказавшихся поблизости, причинить вред имуществу или постройкам.

Как сделать ветрогенератор своими руками — инструкция

При этом, большинство противников ветроэнергетики находят проблемы не там, где они есть. Существует масса утверждений о вреде устройств:

  • наличие шума
  • вибрация
  • мерцающая тень, способствующая нервно-психическим расстройствам
  • магнитный фон
  • помехи радио- и телевизионным приемникам
  • непереносимость установок животными, опасность для птиц

Большинство из этих утверждений — следствие надуманных противниками автономных источников питания аргументов. Они имеют место, но величина проблем настолько не соответствует действительности, что эти проблемы попросту не заслуживают времени на обсуждение.

Тем не менее, мощные промышленные установки, использующиеся в составе крупных электростанций, способны создавать неудобства для жителей, что доказано в американском суде. Ветряки продуцировали инфразвук, вызывавший расстройства здоровья у индейцев, живших в резервации на расстоянии 200 км. Однако, учитывая размеры и мощность частного ветряка, говорить о вреде от него незачем.

Ротор Бирюкова

Изобретение Бирюкова появилось в 60-х годах прошлого века. Особенностью конструкции является устройство ротора, имеющего два «этажа» с разным строение лопастей. КПД ветряка, заявленный изобретателем, составляет 46 %, что для подобных устройств вертикального типа весьма привлекательно.

Ротор стартует как обычное устройство Савониуса, но при наборе скорости образуется воздушная подушка из завихрений, изменяющая профиль крыльчатки на более выгодный при данном режиме вращения. Усиление ветра способствует образованию вихревого кокона, который заставляет поток обтекать его словно монолитную преграду.

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».

Позиции:

  1. ротор из кровельной оцинковки;
  2. самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;
  3. ванты – 5 мм стальной трос;
  4. ось-древко – стальная труба с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;
  5. рычаги аэродинамического регулятора оборотов;
  6. лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или листовой пластик;
  7. тяги регулятора оборотов;
  8. груз регулятора оборотов, его вес определяет частоту вращения;
  9. ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;
  10. подпятник – упорно-опорный подшипник;
  11. ведомый шкив – штатный шкив генератора;
  12. 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.

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.

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.

Своими руками

Приобретение готового ветрогенератора не по карману большинству пользователей. Кроме того, стремление мастерить разные механизмы и приспособления неискоренимы в народе, а если появляется еще и насущная необходимость — решение вопроса однозначно. Рассмотрим, как сделать ветрогенератор своими руками.

Самые простые конструкции используются для освещения участка или питания насоса, подающего воду. В процессе участвуют, как правило приборы потребления, не боящиеся скачков напряжения. Ветряк вращает генератор, напрямую подключенный к потребителям, без промежуточного комплекта, стабилизирующего напряжение.

Генератор от автомобиля является оптимальным вариантом при создании самодельного ветряка. Он нуждается в минимальной реконструкции, в основном — перемотке катушки более тонким проводом с большим числом витков.

Модификация минимальна, а полученный эффект позволяет использовать ветряк для обеспечения дома. Понадобится достаточно скоростной и мощный ротор, способный вращать устройства с большим сопротивлением.

Электродвигатель от стиральной машины часто используют для создания генератора. Оптимальным вариантом является установка на ротор сильных неодимовых магнитов, обеспечивающих возбуждение обмоток. Для этого необходимо просверлить в роторе углубления, диаметром равные размеру магнитов.

Затем они устанавливаются в гнезда с чередованием полярности и заливаются эпоксидкой. Готовый генератор устанавливается на вращающуюся вокруг вертикальной оси площадку, на вал насаживается крыльчатка с обтекателем. Сзади к площадке крепится хвостовой стабилизатор, обеспечивающий наведение устройства.

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.

Сравнение эффективности ВСУ разных типов

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.

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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector