Вертикальный ветряк своими руками (5 кВт). Сделаем ветряной генератор своими руками

Содержание:

Воздушные массы обладают неисчерпаемыми запасами энергии, которую человечество использовало еще в давние времена. В основном сила ветра обеспечивала движение судов под парусами и работу ветряных мельниц. После изобретения паровых двигателей данный вид энергии потерял свою актуальность.

Лишь в современных условиях ветровая энергия вновь стала востребованной в качестве движущей силы, прикладываемой к электрическим генераторам. Они еще не получили широкого распространения в промышленных масштабах, но становятся все более популярными в частном секторе. Иногда бывает просто невозможно подключиться к линии электропередачи. В таких ситуациях многие хозяева конструируют и изготавливают ветрогенератор для частного дома своими руками из подручных материалов. В дальнейшем они используются в качестве основных или вспомогательных источников электроэнергии.

Теория идеального ветряка

Данная теория разрабатывалась в разное время учеными и специалистами в области механики. Впервые она была разработана В.П. Ветчинкиным в 1914 году, а в качестве основы использовалась теория идеального гребного винта. В этих исследованиях был впервые выведен коэффициент использования ветряной энергии идеальным ветряком.

Работы в этой области были продолжены Н.Е. Жуковским, который вывел максимальное значение данного коэффициента, равное 0,593. В более поздних работах другого профессора - Сабинина Г.Х. уточненное значение коэффициента составило 0,687.

В соответствии с разработанными теориями, идеальное ветряное колесо должно обладать следующими параметрами:

• Ось вращения колеса должна быть параллельна со скоростью ветрового потока.
• Количество лопастей бесконечно большое, с очень малой шириной.
• Нулевое значение профильного сопротивления крыльев при наличии постоянной циркуляции вдоль лопастей.
• Вся сметаемая поверхность ветряка обладает постоянной потерянной скоростью воздушного потока на колесе.
• Стремление угловой скорости к бесконечности.

Выбор ветроустановки

Выбирая модель ветрогенератор для частного дома следует учитывать необходимую мощность, обеспечивающую работу приборов и оборудования с учетом графика и периодичности включения. Она определяется путем ежемесячного учета потребляемой электроэнергии. Дополнительно значение мощности может определяться в соответствии с техническими характеристиками потребителей.

Следует учитывать и тот фактор, что питание всех электроприборов осуществляется не напрямую от ветрогенератора, а от инвертора и комплекта аккумуляторных батарей. Таким образом, генератор мощностью в 1 кВт способен обеспечить нормальное функционирование аккумуляторов, питающих четырехкиловаттный инвертор. В результате, бытовые приборы с аналогичной мощностью обеспечиваются электроэнергией в полном объеме. Большое значение имеет правильный выбор батарей. Особое внимание следует обратить на такие параметры, как и ток зарядки.

При выборе конструкции ветряного двигателя учитываются следующие факторы:

• Направление вращения ветряного колеса - вертикальное или горизонтальное.
• Форма лопаток для вентилятора может быть в виде паруса, с прямой или криволинейной поверхностью. В некоторых случаях используются комбинированные варианты.
• Материал для лопаток и технология их изготовления.
• Размещение вентиляторных лопастей с различным наклоном, относительно потока проходящего воздуха.
• Количество лопастей, включенных в вентилятор.
• Необходимая мощность, передаваемая от ветряного двигателя к генератору.

Кроме того, необходимо учесть среднегодовую скорость ветра для конкретной местности, уточненную в метеослужбе. Уточнять направление ветра не требуется, поскольку современные конструкции ветрогенераторов самостоятельно поворачиваются в другую сторону.

Для большинства местностей Российской Федерации наиболее оптимальным вариантом будет горизонтальная ориентация оси вращения, поверхность лопаток криволинейная вогнутая, которую воздушный поток обтекает под острым углом. На величину мощности, забираемой от ветра, влияет площадь лопасти. Для обычного дома вполне достаточно площади 1,25 м 2 .

Число оборотов ветряка зависит от количества лопастей. Быстрее всего вращаются ветрогенераторы с одной лопастью. В таких конструкциях для уравновешивания используется противовес. Следует учитывать и тот факт, что при низкой скорости ветра, ниже 3 м/с, ветряные установки становятся неспособными забирать энергию. Для того чтобы агрегат воспринимал слабый ветер, площадь его лопастей должна быть увеличена как минимум до 2 м 2 .

Расчет ветрогенератора

Перед выбором ветрогенератора необходимо определить скорость и направление ветра, наиболее характерные в месте предполагаемого монтажа. Следует помнить, что вращение лопастей начинается при минимальной скорости ветра 2 м/с. Максимального КПД удается достичь, когда этот показатель достигает значения от 9 до 12 м/с. То есть, для того чтобы обеспечить электричеством небольшой загородный дом, потребуется генератор с минимальной мощностью 1 кВт/ч и ветер со скоростью не менее 8 м/с.

Скорость ветра и диаметр винта оказывают непосредственное влияние на мощность, вырабатываемую ветряной электроустановкой. Точно рассчитать эксплуатационные характеристики той или иной модели возможно с помощью следующих формул:

1. Расчеты в соответствии с площадью вращения выполняются следующим образом: P = 0,6 х S х V 3 ,где S - площадь, перпендикулярная направлению ветра (м 2), V - скорость ветра (м/с), Р - мощность генераторной установки (кВт).
2. Для расчетов электроустановки по диаметру винта применяется формула:Р = D 2 х V 3 /7000, в которой D является диаметром винта (м), V - скорость ветра (м/с), Р - мощность генератора (кВт).
3. При более сложных вычислениях учитывается плотность воздушного потока. Для этих целей существует формула: P = ξ х π х R 2 х 0,5 х V 3 х ρ х η ред х η ген,где ξ является коэффициентом использования ветровой энергии (безмерная величина), π = 3,14, R - радиус ротора (м), V - скорость воздушного потока (м/с), ρ - плотность воздуха (кг/м 3), η ред - КПД редуктора (%), η ген - КПД генератора (%).

Таким образом, электроэнергия, производимая ветрогенератором, возрастает количественно в кубическом соотношении с повышающейся скоростью ветрового потока. Например, при повышении скорости ветра в 2 раза, выработка ротором кинетической энергии возрастет в 8 раз.

При выборе места установки ветрогенератора необходимо отдавать предпочтение участкам без больших построек и высоких деревьев, которые создают преграду для ветра. Минимальное расстояние от жилых домов составляет от 25 до 30 метров, в противном случае шум во время работы будет создавать неудобства и дискомфорт. Ротор ветряка должен быть расположен на высоте, превышающей ближайшие постройки не менее чем на 3-5 м.

Если подключение загородного дома к общей сети не планируется, в этом случае можно воспользоваться вариантами комбинированных систем. Работа ветряной установки будет значительно эффективнее при использовании ее совместно с дизель-генератором или солнечной батареей.

Как сделать ветрогенератор своими руками

Независимо от типа и конструкции ветрогенератора, каждое устройство в качестве основы, оборудуется похожими элементами. Во всех моделях имеются генераторы, лопасти из различных материалов, подъемники, обеспечивающие нужный уровень установки, а также дополнительные аккумуляторы и система электронного управления. Наиболее простыми для изготовления считаются агрегаты роторного типа либо аксиальные конструкции с использованием магнитов.

Вариант 1. Роторная конструкция ветрогенератора.

В конструкции роторного ветряного генератора используется две, четыре или более лопастей. Подобные ветрогенераторы не в состоянии полностью обеспечить электроэнергией большие загородные дома. Они используются преимущественно в качестве вспомогательного источника электричества.

В зависимости от расчетной мощности ветряка, подбираются необходимые материалы и комплектующие:

• Генератор с автомобиля на 12 вольт и автомобильный аккумулятор.
• Регулятор напряжения, преобразующий переменный ток с 12 до 220 вольт.
• Емкость с большими размерами. Лучше всего подойдет алюминиевое ведро или кастрюля из нержавеющей стали.
• В качестве зарядного устройства можно воспользоваться реле, снятым с автомобиля.
• Потребуется выключатель на 12 В, лампа заряда с контроллером, болты с гайками и шайбами, а также металлические хомуты с прорезиненными прокладками.
• Трехжильный кабель с минимальным сечением 2,5 мм 2 и обычный вольтметр, снятый с любого измерительного устройства.

В первую очередь выполняется подготовка ротора из имеющейся металлической емкости - кастрюли или ведра. Она размечается на четыре равные части, на концах линий проделываются отверстия, чтобы облегчить разделение на составные части. Затем емкость разрезается ножницами по металлу или болгаркой. Из получившихся заготовок вырезаются лопасти ротора. Все замеры должны тщательно проверяться на соответствие размерам, в противном случае конструкция будет работать неправильно.

Далее определяется сторона вращения шкива генератора. Как правило, он вращается по часовой стрелке, но лучше это проверить. После этого роторная часть соединяется с генератором. Во избежание дисбаланса в движении ротора, отверстия для креплений в обеих конструкциях должны располагаться симметрично.

Чтобы увеличить скорость вращения края лопастей следует немного выгнуть. С возрастанием угла изгиба, потоки воздуха будут более эффективно восприниматься роторной установкой. В качестве лопастей используются не только элементы разрезанной емкости, но и отдельные детали, соединяемые с металлической заготовкой, имеющей форму окружности.

После крепления емкости к генератору, всю полученную конструкцию нужно целиком установить на мачте с помощью металлических хомутов. Затем монтируется проводка и собирается . Каждый контакт должен включаться в собственный разъем. После подключения проводка крепится к мачте проволокой.

По окончании сборки осуществляется подключение инвертора, аккумулятора и нагрузки. Аккумулятор подключается кабелем с сечением 3 мм 2 , для всех остальных подключений вполне достаточно сечения 2 мм 2 . После этого ветрогенератор можно эксплуатировать.

Вариант 2. Аксиальная конструкция ветрогенератора с применением магнитов.

Аксиальные ветряки для дома представляют собой конструкцию, одним из основных элементов которой являются неодимовые магниты. По своим эксплуатационным качествам они значительно опережают обычные роторные агрегаты.

Ротор является основным элементом всей конструкции ветрогенератора. Для его изготовления лучше всего подойдет ступица автомобильного колеса в комплекте с тормозными дисками. Деталь, находившуюся в эксплуатации, следует подготовить - очистить от грязи и ржавчины, смазать подшипники.

Далее необходимо правильно распределить и закрепить магниты. Всего их понадобится 20 штук, размером 25 х 8 мм. Магнитное поле в них расположено по длине. Четные магниты будут полюсами, они располагаются по всей плоскости диска, с чередованием через один. Затем определяются плюсы и минусы. Один магнит поочередно касается других магнитов на диске. Если они притягиваются, значит полюс положительный.

При увеличенном количестве полюсов, необходимо соблюдать определенные правила. В однофазных генераторах число полюсов совпадает с количеством магнитов. В трехфазных генераторах соблюдается пропорция 4/3 между магнитами и полюсами, а также соотношение 2/3 между полюсами и катушками. Установка магнитов выполняется перпендикулярно окружности диска. Для их равномерного распределения используется бумажный шаблон. Вначале магниты закрепляются сильным клеем, а потом окончательно фиксируются эпоксидной смолой.

Если сравнивать однофазные и трехфазные генераторы, то эксплуатационные качества первых будут несколько хуже по сравнению со вторыми. Это связано с высокими амплитудными колебаниями в сети из-за нестабильной отдачи тока. Поэтому в однофазных устройствах возникает вибрация. В трехфазных конструкциях этот недостаток компенсируется нагрузками тока из одной фазы в другую. За счет этого в сети всегда обеспечивается постоянное значение мощности. Из-за вибрации срок эксплуатации однофазных систем значительно ниже, чем у трехфазных. Кроме того, у трехфазных моделей во время работы отсутствует шум.

Высота мачты составляет примерно 6-12 м. Она устанавливается в центр опалубки и заливается бетоном. Затем на мачту устанавливается готовая конструкция, на которую крепится винт. Крепление самой мачты осуществляется с помощью тросов.

Лопасти для ветрогенератора

Эффективность работы ветровых электроустановок во многом зависит от конструкции лопастей. Прежде всего, это их количество и размеры, а также материал, из которого будут изготовлены лопасти для ветрогенератора.

Факторы, влияющие на конструкцию лопастей:

• Даже самый слабый ветер сможет привести в движение длинные лопасти. Однако слишком большая длина может привести к замедлению скорости вращения ветряного колеса.
• Увеличение общего количества лопастей делает ветряное колесо более чутким. То есть, чем больше лопастей, тем лучше запускается вращение. Однако мощность и скорость будут снижаться, что делает подобное устройство непригодным для выработки электроэнергии.
• Диаметр и скорость вращения ветряного колеса оказывает влияние на уровень шума, создаваемого устройством.

Количество лопастей должно сочетаться с местом установки всей конструкции. В наиболее оптимальных условиях правильно подобранные лопасти способны обеспечить максимальную отдачу ветрогенератора.

Прежде всего, нужно заранее определить необходимую мощность и функциональность устройства. Чтобы правильно изготовить ветрогенератор, нужно изучить возможные конструкции, а также климатические условия, в которых он будут эксплуатироваться.

Кроме общей мощности рекомендуется определить значение выходной мощности, известной еще как пиковая нагрузка. Она представляет собой общее количество приборов и оборудования, которые будут включаться одновременно с работой ветрогенератора. При необходимости увеличить этот показатель, рекомендуется использовать сразу несколько инверторов.

Ветряной генератор своими руками 24в - 2500ватт

С давних пор человечество использует силу ветра. Ветряные мельницы, парусные корабли знакомы многим, про них писали в книгах и снимают исторические фильмы с их участием. В наше время ветряной электрогенератор не потерял актуальность, т.к. с его помощью можно сделать бесплатное электричество на даче, которое также может пригодиться, если отключат свет на участке. Поговорим о самодельных ветряках, которые можно собрать из подручных материалов и доступных деталей. Для вас мы предоставили одну подробную инструкцию с картинками, а также видео идеи еще нескольких вариантов сборки. Итак, рассмотрим, как сделать ветрогенератор своими руками в домашних условиях.

Инструкция по сборке

Существуют несколько типов ветряных установок: горизонтальный и вертикальный, турбина. У них есть принципиальные различия, плюсы и минусы. Принцип работы всех ветрогенераторов одинаков - энергия ветра преобразуется в электрическую и накапливается в аккумуляторах, а уже с них уходит на нужды человека. Самый распространенный вид - это горизонтальный.

Знаком и узнаваем. Преимущество горизонтального ветрогенератора — более высокий КПД по сравнению с другими, так как лопасти ветряка всегда под действием воздушного потока. К недостаткам можно отнести требование к ветру выше 5 метров в секунду. Этот тип ветряка сделать проще всего, поэтому его часто берут за основу домашние мастера.

Если вы решили попробовать свои силы в сборке ветрогенератора своими руками, вот несколько рекомендаций. Начинать нужно с генератора, это сердце системы, от его параметра зависит конструкция винтового узла. Для этого подойдут автомобильные, импортного производства, есть сведения про использование шаговых двигателей, от принтеров или прочей оргтехники. Велосипедное мотор-колесо также можно использовать, чтобы самому сделать ветряк для получения электричества.

Определившись с узлом преобразователя ветряного потока в электроток, нужно собрать редукторный узел повышения оборотов с винта на вал генератора. Один оборот пропеллера передает 4-5 оборотов на вал генераторного узла.

Когда собран узел редуктор-генератор, приступают к выяснению его сопротивления крутящему моменту (грамм на миллиметр). Для этого нужно сделать плечо с противовесом на валу будущей установки, и с помощью груза выяснить при каком весе плечо пойдет вниз. Приемлемо считается менее 200 грамм на метр. Узнав размер плеча, это наша длина лопасти.

Многие думают, что чем больше лопастей тем лучше. Это не совсем верно, так как ветрогенератор делаем сами, и детали будущей силовой установки бюджетного диапазона. Нам нужны большие обороты, а много винтов создают большее сопротивление ветру, в результате чего в какой-то момент набегающий поток тормозит винт и КПД установки падает. Это можно избежать двух лопастным винтом. Такой пропеллер при нормальном ветре может раскрутиться до и более 1000 оборотов. Сделать лопасти самодельного ветрогенератора можно из подручных средств — от фанеры и оцинковки до пластика от водопроводных труб (как на фото ниже) и прочего. Главное условие легкий и прочный.

Легкий винт повысит КПД ветряка и чувствительность к воздушному потоку. Не забудьте сбалансировать воздушное колесо и убрать неровности, иначе во время работы генератора будете слушать завывание и вой.

Следующий важный элемент, это хвост. Он будет держать колесо в потоке ветра, и поворачивать конструкцию в случае изменения его направления.

Сделать токосъемник или нет, решать вам, возможно обойдетесь разъемом на кабеле и периодически, вручную его раскручивать перекрученный провод. Во время пробного запуска ветрогенератора не забудьте о технике безопасности, раскрученные в потоке ветра лопасти могут порубить как самурай капусту.

Настроенный, сбалансированный ветряк устанавливают на мачту, высотой не ниже 7 метров от земли, закрепленную распорными тросами. Далее не менее важный узел, накопительный аккумулятор, им может быть старый автомобильный потерявший свою емкость или батарея. Подключать выход самодельного ветрогенератора непосредственно к батарее нельзя, это нужно сделать через реле зарядки, можно собрать самому или же приобрести готовое.

Принцип работы реле сводится к контролю за зарядом, а в случае заряда оно переключает генератор и аккумулятор на нагрузочный балласт, система стремится всегда быть заряженной, не допуская перезаряда, и не оставляет генератор без нагрузки. Ветряк без нагрузки может достаточно сильно раскрутиться до высоких оборотов, повредить выработанным потенциалом изоляцию в обмотках. К тому же высокие обороты могут стать причиной механического разрушения элементов ветряного генератора. Далее стоит преобразователь напряжения с 12 на 220 вольт 50 Гц для подключения бытовых приборов.

Сейчас в интернете полно схем и чертежей, где мастера показывают, как сделать ветрогенератор на мощных магнитах самостоятельно. Повторять или нет, ваше дело, оправдает ли себя это, не знает никто. Но попробовать собрать ветряную электрогенерирующую установку для дома стоит, а потом решать что купить, а что оставить или внести изменения. Получить опыт и возможно замахнуться на более серьезный аппарат. Свобода и многообразие самодельных ветряков настолько обширна и элементная база разнообразна, что нет смысла описывать их все, основной смысл остался тем же - поток ветра раскручивает винт, он передает на редуктор момент, повышая обороты вала, генератор выдает напряжение, далее реле держит уровень заряда на аккумуляторе, а с него уже идет отбор энергии для различных нужд. Вот по такому принципу можно сделать ветрогенератор своими руками в домашних условиях. Надеемся, наша подробная инструкция с фото примерами разъяснила вам, как изготовить подходящую модель ветряка для дома или дачи. Также рекомендуем ознакомиться с мастер-классами по сборке самодельного устройства, которые мы предоставили на видео ниже.

Наглядные видеоуроки

Чтобы легко сделать ветрогенератор для получения электричества в домашних условиях, рекомендуем ознакомиться с готовыми идеями на видео примерах:

Ветер является чистым источником недорогой энергии, которую довольно легко получить. По нашему мнению, каждый сам в праве выбирать, откуда получать электричество. Для этих целей нет ничего более практичного и действенного, чем постройка ветряного генератора своими руками из подручных материалов.

Общая схема ветрогенератора

Ветрогенератор в сборе

Большинство инструментов и материалов, упомянутых в этой инструкции, можно приобрести в хозяйственном магазине. Также, настоятельно рекомендуем Вам поискать указанные ниже компоненты у торговцев подержанным товаром или на местной свалке.

Вопрос безопасности имеет для нас наивысший приоритет. Ваша жизнь является гораздо более ценной, нежели дешевый источник электричества, поэтому соблюдайте все правила техники безопасности, связанные с постройкой ветряка. Быстровращающиеся детали, электрические разряды и резкие погодные условия могут сделать ветрогенератор довольно опасным.

Конструкция данного ветрогенератора для дома проста и эффективна, при этом он быстро и легко собирается. Использовать энергию ветра Вы можете без каких бы то ни было ограничений.

Комплектующие ветрогенератора

В данной инструкции используется электродвигатель постоянного тока от беговой дорожки (питание 260V, 5A), с присоединенной к нему нарезной втулкой 15 см. При скорости ветра около 48 км/ч, выходной ток достигает 7 А. Это небольшой, простой и дешевый агрегат с которым вы можете начать освоение энергии ветра.

Вы можете использовать любой другой двигатель постоянного тока, который выдает не меньше 1V на 25 об/мин и может работать при более чем 10 амперах. Если это необходимо, можно изменить список требуемых компонентов (к примеру, найти втулку отдельно от двигателя – полотно циркулярной пилы с валовым переходником на 1,6 см подойдет для этих целей).

Инструменты для сборки ветрогенератора

Дрель
- Сверла (5,5 мм, 6,5 мм, 7,5 мм)
- Электролобзик
- Газовый ключ
- Отвертка с плоским шлицем
- Разводной ключ
- Тиски и/или струбцина
- Инструмент для снятия изоляции с кабеля
- Рулетка
- Маркер
- Циркуль
- Транспортир
- Метчик для нарезания резьбы на 1/4"х20
- Помощник

Материалы для сборки ветрогенератора

Несущая планка:
- Труба квадратного сечения 25х25 мм (длина 92 см)
- Маскирующий фланец на трубу 50 мм
- Патрубок 50 мм (длина 15 см)
- Саморезы 19 мм (3 шт.)

Примечание: если у Вас есть возможность воспользоваться сварочным аппаратом, то приварите отрезок 50 мм трубы длиной 15 см квадратной трубе, без использования фланца, патрубка и саморезов.

Двигатель:
Двигатель постоянного тока от беговой дорожки (питание 260V, 5A) с присоединенной к нему нарезной втулкой 15 см
Диодный мост (30 – 50 А)
Болты для двигателя 8х19 мм (2 шт.)
Отрезок полихлорвиниловой трубы 7,5 см (длина 28 см)

Хвостовик:
Квадратный кусок жести 30х30см
Саморезы 19 мм (2 шт.)

Лопасти:
Отрезок полихлорвиниловой трубы 20 см длиной 60 см (если она устойчива к ультрафиолетовому излучению, вам не придется ее красить)
Болты 6х20 мм (6 шт.)
Шайбы 6 мм (9шт.)
Листы бумаги А4 (3 шт.)
Скотч

Сборка ветрогенератора

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 длиная - 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.

Обработка лопастей ветрогенератора

Вы должны обработать шкуркой лопасти для того, чтобы добиться нужного профиля. Это повысит их эффективность и, также, сделает их вращение более тихим. Передняя кромка должна быть закруглена, а задняя должна быть заостренной. Для уменьшения шума любые острые углы должны быть скруглены.

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.

Еще недавно ветрогенераторы считались редкостью, зато сегодня данная сфера стремительно развивается, а опыт по созданию ветряков для получения электроэнергии получили многие. Такие устройства можно использовать в самых разных сферах – для водоснабжения, электрификации частных домов, работы сельскохозяйственных агрегатов (к примеру, дробилок) или нагрева воды с целью обогрева жилища.

У промышленных моделей масса преимуществ, за исключением стоимости. Поэтому сегодня мы выясним, как сделать ветрогенератор своими руками и какие материалы/инструменты для этого понадобятся.

Конструктивные особенности и механика ветряного генератора

Принцип действия ветрогенератора заключается в преобразовании кинетической энергии в электроэнергию. Устройство состоит из ряда системных элементов, у каждого из которых имеется своя функция. Попытаемся с этим разобраться.

Обратите внимание! Ветрогенераторы могут быть роторными (вертикальными) и классическими (горизонтальными). У вторых более высокий КПД, поэтому их и делают чаще других.

Стоит заметить, что вертикальные ветряки необходимо поворачивать к ветру, ведь функционировать при боковом потоке они попросту неспособны. У горизонтальных же генераторов есть и другие преимущества. Ознакомимся с ними.

1. Турбины роторных устройств будут «ловить» ветер вне зависимости от того, с какой стороны он дует. Что крайне удобно в случае нестабильного/переменного ветра в регионе.
2. Соорудить горизонтальный ветряк гораздо проще, чем горизонтальный.
3. Конструкция может располагаться непосредственно на земле, но при условии, что ветра там достаточно.

Что же касается недостатков, то у горизонтального ветрогенератора он всего один – достаточно низкий коэффициент полезного действия.

Рассчитываем мощность будущего ветрогенератора

Вначале следует выяснить, какую мощность должен иметь ветрогенератор своими руками, каковы функции и нагрузки, с которыми ему предстоит столкнуться. Как правило, альтернативные источники электричества применяются в качестве вспомогательных, то есть, предназначенных для помощи основному электроснабжению. Следовательно, если мощность системы составляет даже от 500 ватт, это уже вполне хорошо.

Обратите внимание! Чтобы отопить частный дом, имеющий средние размеры, вам потребуется порядка двух-трех киловатт.

Вместе с тем, итоговая мощность ветрогенератора зависит от других факторов, среди которых:

• скорость ветра;
• число лопастей.

Чтобы выяснить подходящее соотношение для приспособлений горизонтального типа, рекомендуем ознакомиться с представленной ниже таблицей. Цифры в ней на пересечении – это необходимая мощность (указана в ваттах).

Таблица. Расчет необходимой мощности для горизонтальных ветряных генераторов.

1м	3	8	15	27	42	63	90	122	143
2м	13	31	63	107	168	250	357	490	650
3м	30	71	137	236	376	564	804	1102	1467
4м	53	128	245	423	672	1000	1423	1960	2600
5м	83	166	383	662	1050	1570	2233	3063	4076
6м	120	283	551	953	1513	2258	3215	4410	5866
7м	162	384	750	1300	2060	3070	4310	6000	8000
8м	212	502	980	1693	2689	4014	5715	7840	10435
9м	268	653	1240	2140	3403	5080	7230	9923	13207

К примеру, если в вашем регионе скорость ветра преимущественно составляет от 5 до 8 метров в секунду, а требуемая мощность ветрогенератора равна 1,5-2 киловаттам, то диаметр конструкции должен соответствовать примерно 6 метрам и больше.

Какими должны быть лопасти?

Форма лопастей может быть:

• парусной;
• крыльчатой.

Что касается лопастей парусного типа, то являются плоскими, а потому и менее эффективными. Аэродинамики они не учитывают, а крутятся исключительно под напором потока ветра. Как результат – не более 10 процентов всей энергии преобразуется в электрическую. А вот у крыльчатых лопастей площадь у внутренних и наружных поверхностей разная. Еще стоит заметить, что такие лопасти должны располагаться под углом 7-10 градусов относительно ветра.

Теперь несколько слов о материале, из которого должны быть лопасти. Для старинных ветряных мельниц использовались тонике каркасы из древесины, состоящие из жердей и перемычек. На такие каркасы натягивались специальные «крылья», сделанные из тканевого полотна. В случае износа ткани ее просто заменяли на новую. Хотя существует и альтернативный вариант – брать для этих целей плотные материалы (к примеру, брезент).

Хотя своими руками можно изготовить лопасти и из более современных материалов.

1. Если пропеллер небольшой, то в качестве лопастей для него могут послужить разрезанные на части трубы из поливинилхлорида.
2. Также можно использовать легкие металлы (к примеру, дюралюминий).
3. Если планируется использование «парусов», то их можно вырезать из фанеры.
4. Наконец, для большого агрегата лопасти можно сделать из досок (даже если они будут тяжелыми – не беда, нужно лишь, чтобы они друг друга уравновешивали).

Обратите внимание! В случае преобладания порывистых ветров в регионе предпочтение лучше отдавать увесистым лопастям – это обеспечит более стабильное функционирование всей системы.

Что касается диаметра труб, то он должен соответствовать 1/5 их суммарной длины. Каждая из таких труб режется вдоль на четыре куска, а в основании необходимо вырезать прямоугольник размерами 5х5 (тут будут находиться крепления), а после этого – выполнить косой срез, благодаря которому каждая лопасть будет сужаться от основания. Для обработки рваного края используется наждак.

Делаем вертикальный ветряной генератор в домашних условиях

А теперь выясним, как, собственно, изготавливается ветрогенератор своими руками. Процедура состоит из нескольких этапов, ознакомимся с особенностями каждого из них.

Этап первый. Подготавливаем инструменты и материалы

Относительно размеров турбины никаких требований нет – чем она будет большей, тем лучше для самой системы. А в примере, который приведен в данной статье, диаметр турбины составляет 60 сантиметров.

Чтобы сделать вертикальную турбину самостоятельно, заранее подготовьте:

• трубу диаметров в 60 сантиметров, выполненную из нержавеющей стали;
• винты, гайки и прочие крепежные элементы;
• пару пластиковых диском диаметром 60 сантиметров (важно, чтобы пластик был прочным);
• ступицу из автомобиля для основания;
• уголки, с помощью которых будут крепиться лопасти (на каждый элемент – по шесть штук; то есть, 36 экземпляров в общей сложности).

Помимо того, предварительно позаботьтесь о следующих инструментах:

• ключи;
• лобзик;
• маска;
• защитные перчатки;
• болгарка;
• отвертка;
• электродрель.

С целью балансирования лопастей могут быть использованы магниты или небольшие металлические пластины. Если дисбаланс незначительный, то можете попросту просверлить отверстия в соответствующих местах.

Этап второй. Составляет чертеж

Без чертежа здесь точно не обойтись. Можете использовать тот, что приведен ниже, или же составить свой собственный.

Этап третий. Делаем вертикальный ветряк

Шаг 1. Вначале возьмите металлическую трубу и разрежьте ее вдоль таким образом, чтобы в итоге вышло шесть лопастей одинакового размера.

Шаг 2. Вырежьте из пластика пару одинаковых кругов с диаметром 60 сантиметров. Они послужат в качестве опор для нижней и верхней части турбины.

Шаг 3. В верхней опоре можете вырезать небольшой отверстие (диаметром около 30 сантиметров), благодаря чему конструкция несколько облегчится.

Шаг 4. Разметьте по отверстиям на автомобильной ступице аналогичные отверстия в нижней опоре из пластика, необходимые для креплений. Для проделывания отверстий используйте дрель.

Шаг 5. Разметьте в соответствии с шаблоном расположение лопастей (должна получиться пара треугольников, которые как бы образуют звезду). Разметьте места крепежа уголков. На обеих опорах все должно быть одинаково.

Шаг 6. Обрежьте лопасти. Можете резать их сразу по несколько, используя болгарку.

Шаг 7. Разметьте места креплений на лопастях и уголках. Проделайте все эти отверстия.

Шаг 8. Соедините лопасти с основаниями, используя для этого уголки, болты и гайки.

Обратите внимание! Мощность устройства во многом зависит от длины лопастей, но если последние большие, сбалансировать их будет гораздо труднее. Более того, конструкция может «разболтаться» под действием сильного ветра.

Этап четвертый. Изготавливаем генератор

Генератор в данном случае должен бать самовозбуждающимся, причем обязательно на постоянных магнитах. Если вы возьмете обычный генератор от автомобиля, то здесь обмотка напряжения функционирует от аккумулятора, иными словами – в отсутствие напряжения не будет и возбуждения. Следовательно, если вы будете использовать простой генератор в тандеме с аккумулятором, а ветер продолжительное время будет относительно слабым, то аккумулятор вскоре попросту разрядится, а позже, когда ветер возобновится, ветрогенератор своими руками повторно уже не запустится.

Также можно изготовить систему на неодимовых магнитах. Такого рода устройство будет производить от 1,5 киловатта (если ветер слабый) до 3,5 киловатта (если сильный). Пошаговая инструкция по созданию такого генератора выглядит следующим образом.

Шаг 1. Сделайте пару металлических блинов, длина каждого из которых составляла бы около 50 сантиметров.

Шаг 2. Используя суперклей, приклейте к блинам по всему периметру неодимовые магниты размерами 2,5х5.0,12 сантиметра (по двенадцать штук для каждого).

Шаг 3. Разместите блины друг напротив друга, не забывайте при этом о полярности.

Шаг 4. Разместите между ними самопальный статор (из проволоки сечением 0,3 сантиметра сделайте 9 катушек, в каждой – по 70 витков). Соедините катушки «звездочкой» (как показано на изображении), после чего залейте полимерной смолой. При этом важно, чтобы катушки были намотаны в одну сторону, можете пометить конце/начало обмотки с помощью цветной изолетны – так будет удобнее.

Шаг 5. Статор должен получиться около 2 сантиметров в толщину. Обмотка должна выходить посредством болтов с гайками. Дистанция между ротором и статором должна соответствовать 2 миллиметрам.

Магниты будут притягиваться достаточно сильно, а для плавного соединения в них необходимо проделать отверстия и нарезать резьбу под шпильки. Сразу выровняйте роторы, после чего, используя ключи, опустите верхний на нижний. Затем можете убрать временные шпильки.

Обратите внимание! Описанный выше генератор может использоваться не только для вертикальных, но и для горизонтальных ветряков.

Этап пятый. Собираем всю конструкцию

Вначале установите на мачте специальный кронштейн, посредством которого будет крепиться статор (который, в свою очередь, может иметь как три, так и шесть лопастей). Над кронштейном зафиксируйте ступицу, используя все те же гайки. Закрутите на четыре шпильки, которые имеются у ступицы, готовый генератор. После этого соедините статор с кронштейном, который неподвижно зафиксирован на мачте. Ко второй пластине ротора прикрепите турбину. Подключите провода статора к регулятору напряжения, используя клеммы.

Этап шестой. Устанавливаем агрегат, способный превратить ветер в электричество

Для установки всего ветрогенератора своими руками необходимо выполнить действия, которые приведены ниже в виде пошаговой инструкции.

Шаг 1. Забетонируйте в грунте надежное и прочное основание.

Шаг 2. Заливая туда бетонный раствор, добавьте шпильки, необходимые для крепления массивного шарнира (все это с легкостью делается собственноручно).

Шаг 3. Когда бетон окончательно застынет, наденьте шарнир на шпильки и зафиксируйте с помощью гаек.

Шаг 4. Установите мачту в подвижную часть шарнира.

Шаг 5. Сверху мачты прикрепите 3 или 4 растяжки (можете использовать фланец или сварку). Также потребуется стальной трос.

Шаг 6. Поднимите мачту на шарнире, используя один из подготовленных тросов (тянуть можете с помощью легкового автомобиля).

Шаг 7. Вертикальность всей мачты строго фиксируется растяжками.

Где можно устанавливать такой ветрогенератор?

От того, насколько правильно вы подберете место для установки ветрового генератора, во многом зависит эффективность его функционирования. Место должно быть таким, чтобы лопастям системы досталось как можно большее количество ветра. Участок должен быть открытым и возвышенным (например, крыша дома, но как можно дальше от деревьев и других строений). Что характерно, причина тому заключается не только в помехах, но и в произведении устройством некоторого шума при работе, что может не понравиться соседям или самим владельцам.

Для более детального ознакомления с проблемой рекомендуем ознакомиться с приведенным ниже тематическим видеороликом.

Видео – Как сделать ветряной генератор с помощью бытового вентилятора

Роторный (горизонтальный) ветрогенератор

Такое устройство справится с обеспечением электричеством небольшого дома или нескольких хозяйственных построек. Максимальная мощность ветрогенератора не будет превышать 1,5 киловатта.

Для работы подготовьте:

• автомобильный генератор на 12 ватт;
• реле, контрольную лампочку аккумулятора;
• сам аккумулятор на 12 ватт;
• преобразователь тока;
• большую кастрюлю или ведро из дюралюминия либо нержавеющей стали;
• пару хомутов для крепления генератора к мачте;
• выключатель;
• провод, 0,4 и 0,25 сантиметра;
• болты, гайки, шайбы;
• вольтметр.

Инструменты потребуются те же, что и в предыдущем случае. Вначале возьмите кастрюлю (или ведро) и, используя маркер с рулеткой, поделите ее на четыре одинаковые части. Вырежьте лопасти, но до конца не дорезайте (так, как показано на картинке).

Проделайте отверстия для болтов в днище, после чего отогните лопасти, но не очень сильно. Учитывайте при этом тот факт, как будет вращаться генератор (по часовой стрелке или против нее).

Далее закрепите кастрюлю с уже подготовленными лопастями на шкив, закрепите с помощью болтов. Установите на мачту, зафиксированную заранее, генератор (для этого используйте припасенные хомуты), далее соедините все кабели и соберите цепь. Перепишите всю схему, зафиксируйте провода на опоре.

Для подключения аккумулятора используйте 4-миллиметровый кабель длиной максимум 1 метр. Для подключения нагрузки используйте кабель меньшего сечения. Также поставьте инвертер. Ниже приведена примерная схема подключения.

Как видим, соорудить ветрогенератор своими руками вполне возможно. Конструкция может быть двух типов, но при наличии навыков и должного рвения с работой можно справиться даже в одиночку. На этом все, удачи!

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

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.

Примечания:

1. 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.
2. 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.

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. 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:

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.

• Фиг. Б, вид сверху:

1. защитный флюгер;
2. рабочий флюгер;
3. регулятор натяжения пружины защитного флюгера.

• Фиг. Г, токосъемник:

1. коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;
2. 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.