Реклама на портале

Ветрогенератор из. Ветрогенераторы вертикальные своими руками

Нами была разработана конструкция ветрогенератора с вертикальной осью вращения. Ниже, представлено подробное руководство по его изготовлению, внимательно прочтя которое, вы сможете сделать вертикальный ветрогенератор сами.

Ветрогенератор получился вполне надежный, с низкой стоимостью обслуживания, недорогой и простой в изготовлении. Представленный ниже список деталей соблюдать не обязательно, вы можете внести какие-то свои коррективы, что-то улучшить, что-то использовать свое, т.к. не везде можно найти именно то, что в списке. Мы постарались использовать недорогие и качественные детали.

Используемые материалы и оборудование:

Наименование Кол-во Примечание
Список используемых деталей и материалов для ротора:
Предварительно вырезанный лист металла 1 Вырезан из стали толщиной 1/4" при помощи гидроабразивной, лазерной и др. резке
Ступица от авто (Хаб) 1 Должна содержать 4 отверстия, диаметр около 4 дюймов
2" x 1" x 1/2" неодимовый магнит 26 Очень хрупкие, лучше заказать дополнительно
1/2"-13tpi x 3" шпилька 1 TPI - кол-во витков резьбы на дюйм
1/2" гайка 16
1/2" шайба 16
1/2" гровер 16
1/2".-13tpi колпачковая гайка 16
1" шайба 4 Для того, чтобы выдержать зазор между роторами
Список используемых деталей и материалов для турбины:
3" x 60" Оцинкованная труба 6
ABS пластик 3/8" (1.2x1.2м) 1
Магниты для балансировки Если нужны Если лопасти не сбалансированы, то магниты прикрепляются для балансировки
1/4" винт 48
1/4" шайба 48
1/4" гровер 48
1/4" гайка 48
2" x 5/8" уголки 24
1" уголки 12 (опционально) В случае, если лопасти не держат форму, то можно добавить доп. уголки
винты, гайки, шайбы и гроверы для 1" уголка 12 (опционально)
Список используемых деталей и материалов для статора:
Эпоксидка с затвердителем 2 л
1/4" винт нерж. 3
1/4" шайба нерж. 3
1/4" гайка нерж. 3
1/4" кольцевой наконечник 3 Для эл. соединения
1/2"-13tpi x 3" шпилька нерж. 1 Нерж. сталь не является ферромагнетиком, поэтому не будет "тормозить" ротор
1/2" гайка 6
Стеклоткань Если нужна
0.51мм эмал. провод 24AWG
Список используемых деталей и материалов для монтажа:
1/4" x 3/4" болт 6
1-1/4" фланец трубы 1
1-1/4" оцинк. труба L-18" 1
Инструменты и оборудование:
1/2"-13tpi x 36" шпилька 2 Используется для поддомкрачивания
1/2" болт 8
Анемометр Если нужен
1" лист алюминия 1 Для изготовления проставок, если понадобятся
Зеленая краска 1 Для покраски держателей пластика. Цвет не принципиален
Голубая краска бал. 1 Для покраски ротора и др. частей. Цвет не принципиален
Мультиметр 1
Паяльник и припой 1
Дрель 1
Ножовка 1
Керн 1
Маска 1
Защитные очки 1
Перчатки 1

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения не настолько эффективны, как их горизонтальные собратья, однако вертикальные ветрогенераторы менее требовательны к месту их установки.

Изготовление турбины

1. Соединяющий элемент - предназначен для соединения ротора к лопастям ветрогенератора.
2. Схема расположения лопастей - два встречных равносторонних треугольника. По данному чертежу потом легче будет расположить уголки крепления лопастей.

Если не уверены в чем то, шаблоны из картона помогут избежать ошибок и дальнейших переделываний.

Последовательность действий изготовления турбины:

  1. Изготовление нижней и верхней опор (оснований) лопастей. Разметьте и при помощи лобзика вырежьте из ABS пластика окружность. Затем обведите ее и вырежьте вторую опору. Должны получиться две абсолютно одинаковые окружности.
  2. В центре одной опоры вырежьте отверстие диаметром 30 см. Это будет верхняя опора лопастей.
  3. Возьмите хаб (ступица от авто) и разметьте и просверлите четыре отверстия на нижней опоре для крепления хаба.
  4. Сделайте шаблон расположения лопастей (рис. выше) и разметьте на нижней опоре места крепления уголков, которые будут соединять опору и лопасти.
  5. Сложите лопасти в стопку, прочно свяжите их и обрежьте до требуемой длины. В данной конструкции лопасти длиной 116 см. Чем длинее лопасти, тем больше энергии ветра они получают, но обратной стороной является нестабильность в сильный ветер.
  6. Разметьте лопасти для крепления уголков. Накерните, а затем просверлите отверстия в них.
  7. Используя шаблон расположения лопастей, который представлен на рисунке выше, прикрепите лопасти к опоре при помощи уголков.

Изготовление ротора

Последовательность действий по изготовлению ротора:

  1. Положите два основания ротора друг на друга, совместите отверстия и напильником или маркером сделайте небольшую метку по бокам. В дальнейшем, это поможет правильно сориентировать их относительно друг-друга.
  2. Сделайте два бумажных шаблона расположения магнитов и приклейте их на основания.
  3. Промаркируйте полярность всех магнитов при помощи маркера. В качестве "тестера полярности" можно использовать небольшой магнит, обмотанный тряпкой или изолентой. Проводя его над большим магнитом, будет хорошо видно, отталкивается он или притягивается.
  4. Приготовьте эпоксидную смолу (добавив в нее отвердитель). И равномерно нанесите ее снизу магнита.
  5. Очень аккуратно поднесите магнит к краю основания ротора и переместите его к своей позиции. Если магнит устанавливать сверху ротора, то большая мощность магнита может его резко примагнитить и он может поломаться. И никогда не суйте свои пальцы и другие части тела между двумя магнитами или магнитом и железом. Неодимовые магниты очень мощные!
  6. Продолжайте приклеивать магниты к ротору (не забудьте смазывать эпоксидкой), чередую их полюса. Если магниты сьезжают под действием магнитной силы, то воспользуйтесь куском дерева, располагая его между ними для страховки.
  7. После того, как один ротор закончили, переходите к второму. Используя ранее поставленную метку, расположите магниты точно напротив первого ротора, но в другой полярности.
  8. Положите роторы подальше друг от друга (чтобы они не примагнитились, иначе потом не отдерете).

Изготовление статора очень трудоемкий процесс. Можно конечно купить готовый статор (попробуй еще найти их у нас) или генератор, но не факт, что они подойдут для конкретного ветряка со своими индивидуальными характеристиками

Статор ветрогенератора - электрический компонент, состоящий из 9-ти катушек. Катушка статора изображена на фото выше. Катушки разделены на 3 группы, по 3 катушки в каждой группе. Каждая катушка намотана проводом 24AWG (0.51мм) и содержит в себе 320 витков. Большее количество витков, но более тонким проводом даст более высокое напряжение, но меньший ток. Поэтому, параметры катушек могут быть изменены, в зависимости от того, какое напряжение вам требуется на выходе ветрогенератора. Нижеследующая таблица поможет вам определиться:
320 витков, 0.51 мм (24AWG) = 100В @ 120 об/мин.
160 витков, 0.0508 мм (16AWG) = 48В @ 140 об/мин.
60 витков, 0.0571 мм (15AWG) = 24В @ 120 об/мин.

Вручную наматывать катушки - это скучное и трудное занятие. Поэтому, чтобы облегчить процесс намотки я бы вам посоветовал сделать простое приспособление - намоточный станок. Тем более, что конструкция его достаточно проста и сделать его можно из подручных материалов.

Витки всех катушек должны быть намотаны одинаково, в одном и том же направлении и обращайте внимание или отмечайте, где начало, а где конец катушки. Для предотвращения разматывания катушек, они обмотаны изолентой и промазаны эпоксидкой.

Приспособа сделана из двух кусков фанеры, изогнутой шпильки, куска ПВХ-трубы и гвоздей. Перед тем, как изогнуть шпильку, нагрейте ее горелкой.

Небольшой кусок трубы между дощечками обеспечивает заданную толщину, а четыря гвоздя обеспечивают необходимые размеры катушек.

Вы можете придумать свою конструкцию намоточного станка, а может у вас уже имеется готовый.
После того, как все катушки намотаны их необходимо проверить на идентичность друг к другу. Это можно сделать при помощи весов, а также нужно померить сопротивления катушек мультиметром.

Не подключайте домашних потребителей напрямую от ветрогенератора! Также соблюдайте меры безопасности при обращении с электричеством!

Процесс соединения катушек:

  1. Зачистите шкуркой концы выводов каждой катушки.
  2. Соедините катушки, как показано на рисунке выше. Должно получиться 3 группы, по 3 катушки в каждой группе. При такой схеме соединений получится трехфазный переменный ток. Концы катушек припаяйте, либо воспользуйтесь зажимами.
  3. Выберите одну из следующих конфигураций:
    А. Конфигурация "звезда ". Для того, чтобы получить большое напряжение на выходе, соедините выводы X,Y и Z между собой.
    B. Конфигурация "треугольник". Для того, чтобы получить большой ток, соедините X с B, Y с C, Z с A.
    C. Для того, чтобы в будущем сделать возможность изменять конфигурацию, нарастите все шесть проводников и выведите их наружу.
  4. На большом листе бумаге нарисуйте схему расположения и подключения катушек. Все катушки должны быть равномерно распределены и соответствовать расположению магнитов ротора.
  5. Прикрепите катушки при помощи скотча к бумаге. Приготовьте эпоксидную смолу с отвердителем для заливки статора.
  6. Для нанесения эпоксидки на стеклоткань используйте малярную кисть. Если необходимо, то добавьте небольшие кусочки стеклоткани. Центр катушек не заполняйте, чтобы обеспечить их достаточное охлаждение при работе. Постарайтесь избегать образования пузырьков. Целью данной операции является закрепление катушек на своих местах и придание плоской формы статору, который будет располагаться между двумя роторами. Статор не будет нагруженным узлом и не будет вращаться.

Для того, чтобы стало более понятно, рассмотрим весь процесс в картинках:

Готовые катушки помещаются на вощеную бумагу с начерченной схемой расположения. Три небольших круга по углам на фото выше - места отверстий для крепления кронштейна статора. Кольцо в центре предотвращает попадание эпоксидки в центральную окружность.

Катушки закреплены на своих местах. Стеклоткань, небольшими кусочками помещается вокруг катушек. Выводы катушек можно вывести внутрь или наружу статора. Не забудьте оставить достаточный запас длины выводов. Обязательно еще раз проверьте все соединения и прозвоните мультиметром.

Статор практически готов. Отверстия для крепления кронштейна, сверлятся в статоре. При сверлении отверстий смотрите не попадите в выводы катушек. После завершения операции, обрежьте лишнюю стеклоткань и если необходимо, шкуркой зачистите поверхность статора.

Кронштейн статора

Труба для крепления оси хаба была обрезана под нужный размер. В ней были просверлены отверстия и нарезана резьба. В дальнейшем в них будут вкручены болты, которые будут удерживать ось.

На рисунке выше показан кронштейн, к которому будет крепиться статор, находящийся между двумя роторами.

На фото выше показана шпилька с гайками и втулкой. Четыре таких шпильки обеспечивают необходимый зазор между роторами. Вместо втулки можно использовать гайки большего размера, либо самому вырезать шайбы из алюминия.

Генератор. Окончательная сборка

Небольшое уточнение: малый воздушный зазор между связкой ротор-статор-ротор (который задается шпилькой с втулкой), обеспечивает более высокую отдаваемую мощность, но возрастает риск повреждения статора или ротора при перекосе оси, который может возникнуть при сильном ветре.

На левом рисунке ниже, показан ротор с 4-мя шпильками для обеспечения зазора и двумя алюминиевыми пластинами (которые в дальнейшем будут убраны).
На правом рисунке показан собранный и покрашенный в зеленый цвет статор, установленный на место.

Процесс сборки:
1. В плите верхнего ротора просверлите 4 отверстия и нарежьте в них резьбу для шпильки. Это необходимо для плавного опускания ротора на свое место. Уприте 4 шпильки в алюминиевые пластины приклеенные ранее и установите на шпильки верхний ротор.
Роторы будут притягиваться друг к другу с очень большой силой, поэтому и нужно такое приспособление. Сразу выровняйте роторы относительно друг-друга по поставленным ранее метках на торцах.
2-4. Поочередно вращая ключом шпильки, равномерно опускайте ротор.
5. После того, как ротор уперся в втулку (обеспечивающая зазор), выкрутите шпильки и уберите алюминиевые пластины.
6. Установите хаб (ступицу) и прикрутите его.

Генератор готов!

После установки шпилек (1) и фланца (2) ваш генератор должен выглядеть приблизительно так (см. рис. выше)

Болты из нержавейки служат для обеспечения электрического контакта. На провода удобно использовать кольцевые наконечники.

Колпачковые гайки и шайбы служат для крепления соедин. платы и опоры лопастей к генератору. Итак, ветрогенератор полностью собран и готов к тестам.

Для начала, лучше всего рукой раскручивать ветряк и измерять параметры. Если все три выходные клеммы закоротить между собой, то ветряк должен вращаться очень туго. Это может быть использовано для остановки ветрогенератора для сервисного обслуживания или в целях безопасности.

Ветрогенератор можно использовать не только для обеспечения дома электричеством. К примеру данный экземпляр, сделан так, чтобы статор вырабатывал большое напряжение, которое затем используется для нагрева.
Рассматриваемый выше генератор выдает 3-х фазное напряжение с различной частотой (зависит от силы ветра), а к примеру в России используется однофазная сеть 220-230В, с фиксированной частотой сети 50 Гц. Это отнюдь не означает, что данный генератор не подойдет для питания бытовых приборов. Переменный ток с данного генератора может быть преобразован в постоянный ток, с фиксированным напряжением. А постоянный ток уже может использоваться для питания светильников, нагрева воды, заряда аккумуляторов, а может быть поставлен преобразователь для преобразования постоянного тока в переменный. Но это уже выходит за рамки данной статьи.

На рисунке выше простая схема мостового выпрямителя, состоящего из 6-ти диодов. Он преобразовывает переменный ток в постоянный.

Место установки ветрогенератора

Ветрогенератор, описываемый здесь, установлен на 4-х метровой опоре на краю горы. Трубный фланец, который установлен снизу генератора обеспечивает легкую и быструю установку ветрогенератора - достаточно прикрутить 4 болта. Хотя для надежности, лучше приварить.

Обычно, горизонтальные ветрогенераторы "любят" когда ветер дует с одного направления, в отличии от вертикальных ветряков, где за счет флюгера, они могут поворачиваться и им не важно направление ветра. Т.к. данный ветряк установлен на берегу скалы, то ветер там создает турбулентные потоки с разных направлений, что не очень эффективно для данной конструкции.

Другим фактором, который необходимо учитывать при подборе места размещения, является сила ветра. Архив данных по силе ветра для вашей местности можно найти в интернете, правда это будет очень приблизительно, т.к. все зависит от конкретного места.
Также, в выборе месторасположения установки ветрогенератора поможет анемометр (прибор для измерения силы ветра).

Немного о механике ветрогенератора

Как известно, ветер возникает из-за разности температур поверхности земли. Когда ветер вращает турбины ветрогенератора, он создает три силы: подьемную, торможения и импульсную. Подьемная сила обычно возникает над выпуклой поверхностью и является следствием разности давлений. Сила торможения ветра возникает за лопастями ветрогенератора, она является нежелательной и тормозит ветряк. Импульсная сила возникает из-за изогнутой формы лопастей. Когда молекулы воздуха толкают лопасти сзади, то им некуда потом деваться и они собираются позади них. В результате, они толкают лопасти в направлении ветра. Чем больше подьемная и импульсная силы и меньше сила торможения, тем быстрее лопасти будет вращаться. Соответственно вращается ротор, который создает магнитное поле на статоре. В результате чего вырабатывается электрическая энергия.

Скачать схему расположения магнитов.

Нередко возникают ситуации, когда электроэнергия в ближайшей линии передач становится недоступной или неоправданно дорогой, и в таких случаях может выручить только самодельный ветряк. Давайте рассмотрим варианты автономного снабжения загородного дома электричеством.

Ветряные генераторы – какая модель лучше?

Очень часто хочется сэкономить на электроэнергии или получить ее там, где еще не проходят вышки ЛЭП. Также возможен вариант, когда просто нет возможности присоединения к этой вышке по причине отсутствия свободной мощности. В любом из перечисленных случаев возникает необходимость найти доступный источник электроэнергии, причем желательно возобновляемый, то есть без применения горючего. Поэтому забудем на время про существование бензиновых и дизельных генераторов и попробуем использовать силу ветра для получения электричества.

Ветряки существуют довольно давно, еще пару столетий назад активно использовались ветряные мельницы. Да, во время штиля от такого приспособления мало толку, а во время бури может отказать даже самый надежный механизм (в лучшем случае). Но при всей своей ненадежности ветровой генератор для дома своими руками изготовить проще всего, он считается наиболее эффективным, особенно если нет доступа к реке с быстрым течением для установки колеса. И следует помнить, что башня ветряка не должна мешать соседям ни шумом, ни вибрацией, ни даже отбрасываемой тенью, согласно правилам строительства жилого дома на участке.

Основных видов ветряков существует только 2: с вертикальной и горизонтальной осью вращения . Мельницы, когда-то используемые повсеместно, относились к механизмам, лопасти которых насаживались на горизонтально ориентированную ось. Также и большинство ветряков сегодня изготавливаются именно по этому принципу, поскольку такой вариант обеспечивает наибольший КПД. Однако ветряные генераторы с вертикальной осью для дома, сделанные своими руками, работают при самом слабом ветре, который не сдвинет лопасти пропеллерных моделей. Для них достаточно легких порывов от 1–2 метров в секунду. Что касается изготовления – гораздо проще сделать вертикальный ветряк, который принимает ветер с любой стороны.

Различают генераторы и по типу лопастей, которые имеются у обоих указанных выше видов. По большей части основным фактором деления по типам является конструкция: жесткая или парусная. Уже в зависимости от того, какой вариант предпочтительнее для конкретной модели, выбирается материал для изготовления лопастей улавливателя ветровых потоков. Это может быть фанера, жесть или тонкая листовая сталь, пластик, композит – для легкой жесткой конструкции, а для парусной подойдет любой гибкий, но прочный материал, включая шелк, баннерную ткань или даже тонкий брезент.

Различия генераторов по форме лопастей – сравнение эффективности

Самый простой вариант горизонтального типа – парусная конструкция, то есть просто расположение плоскостей пропеллера под небольшим углом к плоскости вращения. Жесткие лопасти потребуют точного расчета изгиба их поверхностей, либо добиваться максимальной производительности нужно будет опытным путем. Недостаточное искривление "крыла" даст в итоге понижение КПД из-за плохого захвата воздушного потока, а слишком сильное само будет создавать сопротивление вращению из-за трения о воздух.

Что касается генераторов с вертикальной осью, их улавливатели ветра могут иметь самые разные формы, и разработки новых контуров и изгибов продолжаются постоянно. Самый простой вариант – с лопастями в форме желобов, так называемая конструкция Савониуса. Их количество обычно делают четным – 2 или 4. Хотя бывает и больше, когда изготавливают своими руками самодельные многолопастные вертикальные ветрогенераторы на 30 кВт, с дополнительными статичными экранами на внешнем кольце. Эти экраны направляют и концентрируют ветер на определенные участки расположенного внутри кольца ротора, где установлены непосредственно лопасти. Их, в зависимости от диаметра диска основания, может начитываться от 8 до 16 штук.

Существуют еще ортогональные пропеллеры, которые расположены на вертикально установленных осях и вращаются в горизонтальной плоскости, но их основной недостаток в чрезвычайно низком КПД. Также подобные генераторы не работают при слабых порывах ветра, нужна скорость не менее 4 метров в секунду. И реже всего используются модели ветряков Дорье, в том числе геликоидный, с винтообразным загибом лопастей, дугообразными улавливателями ветра и конструкцией типа "Н". Они надежны и эффективны, но их сложно делать в домашних условиях.

Плюсы и минусы различных типов – разбираем и оцениваем

Как уже было сказано, производительность намного выше у моделей с горизонтальной осью вращения. Однако они нуждаются в сильном ветре, такой обычно бывает на высоте более 10–15 метров, и именно такой длины устанавливают мачту, которую венчает поворотная гондола с лопастями. Еще одним положительным качеством можно считать отсутствие изгибающей нагрузки на вал, которая имеет место у ветряков с вертикальной осью. К минусам же можно отнести тот факт, что у поворотных пропеллерных моделей 2 вала, а значит больше изнашивающихся узлов и выше вероятность поломки.

Что касается вертикальных систем, их достоинства и недостатки зависят от модели. К примеру, ветряки Савониуса наиболее простые и могут быть сделаны для дома своими руками, как из консервной банки, так и из металлической либо пластиковой бочки. Заводятся они при наличии 4 лопастей от самого легкого дуновения ветра, особенно если установлены качественные детали, тогда будет происходить самораскручивание за счет инерции даже при порывистом ветре. Но если лопасти только 2 или 3, самостоятельное вращение невозможно, поэтому ставят 2 таких модуля один на другой, располагая улавливатели ветра каждого под углом 90 градусов по отношению к другому. Парусность у этого типа большая, а потому очень высоко боковое давление на ось при сильном шторме.

У ортогональных ветряков, помимо их малой мощности, имеется еще ряд недостатков. Во-первых, это довольно сильная вибрация из-за неравномерного давления на разные участки лопасти крыловидной формы. Как следствие, быстро портится подшипник, установленный на вертикальном вале. Кроме того, подобные генераторы издают при вращении довольно сильный и неприятный шум, и потому могут стать причиной недовольства соседей на ближайших участках. Геликоидные, если их приобретать готовые, заводской комплектации, обходятся очень дорого, так же, как и многолопастные конструкции, у которых очень большое количество деталей.

Любой ветрогенератор для повышения эффективности может быть установлен в поворачивающейся трубе.

Принцип работы ветряков – как устроена система?

Независимо от типа ветряка, сам по себе он энергию выработать не может, ему нужен генератор, вращение вала которого будет обеспечиваться лопастями. Если у вас конструкция с горизонтальной осью вращения, для передачи движения на вал понадобится редуктор. Далее подключается контроллер, который преобразует получаемое на катушках генератора электричество в постоянный ток, поступающий затем в аккумуляторы. Далее можно подключить светодиодную лампочку, но если вы хотите зарядить какое-нибудь устройство или подключить ноутбук, понадобится еще и инвертор, который преобразует накопленный батареей заряд в переменный ток.

Следует учитывать, что каждое изменение тока с переменного на постоянный, и наоборот, уменьшает итоговое количество энергии на 10–15 %.

Установка с вертикальной осью вращения удобна тем, что у нее вал может быть довольно длинным, и это позволяет поместить генератор в нижней части мачты, то есть в зоне прямого доступа. Нередко в цепь устанавливают автоматический переключатель, в тех случаях, когда ветряк работает в комплексе с солнечными батареями или водяным колесом. Также в некоторых моделях ставят тормоз, который нужен на тот случай, если аккумулятор полностью заряжен. На лопастях ветряков с горизонтальной осью вращения могут быть предусмотрены шарниры, которые складывают улавливатели ветра при шторме. Очень мощный ветрогенератор на 5 киловатт, сделанный своими руками, иногда дополняется поворотным электромотором, который срабатывает от датчика направления потоков воздуха.

Изделие на неодимовых магнитах – краткая инструкция

Доверить сборку ротора и статора для ветряка лучше специалисту, но если вы решили сделать ветряк для частного дома с нуля своими руками, необходимо знать, как изготавливается генератор. Начать следует с основания, для которого лучше всего использовать ступицу автомобиля, поскольку на ней уже есть подшипники. На диск через равные промежутки наклеиваются неодимовые магниты, полюса которых, обращенные лицевой стороной к вам, должны чередоваться. Причем в однофазной модели число разнополюсных сторон должно совпадать. Что касается трехфазных генераторов, там рекомендуется соблюдать пропорции 2:3 или 3:4.

Далее следует заняться наматыванием катушек для статора. Эту задачу тоже лучше доверить специалисту или использовать специальные приспособления, которые помогут справиться с задачей более аккуратно, чем если все делать вручную. Для того чтобы успешно заряжать батарею на 12 Ватт, понадобится суммарное количество витков во всех катушках, равное 1000. В целом для расчета витков можно использовать наиболее простую формулу ω = 44 / (T * S) , где 44 – постоянный коэффициент, Т – индукция Тесла, а S – сечение провода в квадратных сантиметрах. Индукцию Тесла определяем по таблице для различных типов проводников:

Намотанные катушки (им лучше придавать прямоугольную или трапециевидную форму для удобства расположения по кругу) закрепляем клеем на неподвижном основании статора. При этом форма и размеры внутреннего пространства катушки должны соответствовать контурам магнита. То же касается и толщины. Все концы проводников выводим и соединяем так, чтобы получилось два общих пучка "+" и "–". Сердцевины катушек заливаем тем же клеем, что использовался для фиксации, можно им же изолировать полностью провода, уложенные на диск статора. Теперь, если магниты будут при вращении ротора совмещаться с катушками, разность потенциалов полюсов создаст условия для выработки электричества.

Изготовление ветряка на основе готового электромотора

Обычно домашние мастера стараются использовать автомобильные генераторы, однако подходят далеко не все, а только самовозбуждающиеся, например, такие, которые использовались в некоторых моделях тракторов. Большинство же требуют для появления тока наличия подключенного аккумулятора. Однако в качестве основы для ветряка можно использовать и мотор-колесо для самоката или скутера. Это позволит сделать малошумные вертикальные ветрогенераторы на 5 кВт, которые будут иметь очень высокий ресурс за счет простейшей конструкции с минимумом деталей.

Также можно использовать в качестве генератора практически любой электромотор от бытовых станков, главное, чтобы в основе отсутствовали щетки, как, например, в или электродрелях – такие генераторы вам не подойдут. Для маломощного варианта годится и кулер от компьютера, но только для зарядки небольших электронных устройств. Если вы хотите получить вертикальный ветрогенератор, изготовленный своими руками, хотя бы на 2 кВт, лучше взять за основу мотор от мощного вентилятора.

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.

О том, мы рассказывали в одном из прошлых материалов. Сегодня вашему вниманию будут представлены модели ВЭУ, построенные пользователями нашего портала. Также мы поделимся полезными советами, которые помогут собрать установку и не допустить при этом ошибок. Строительство ветрогенератора своими руками – задача сложная. Безошибочно справиться с ее решением может далеко не каждый (даже опытный) практик. Впрочем, любая вовремя обнаруженная ошибка может быть исправлена. На то мастеру – голова и руки.

В статье рассмотрены вопросы:

  • Из каких материалов и по каким чертежам можно изготовить лопасти ветрогенератора.
  • Порядок сборки аксиального генератора.
  • Стоит ли переделывать автомобильный генератор под ВЭУ и как это правильно сделать.
  • Как защитить ветрогенератор от бури.
  • На какой высоте устанавливать ветрогенератор.

Изготовление лопастей

Если у вас еще нет опыта в самостоятельном изготовлении винтов для домашней ВЭУ, рекомендуем не искать сложных решений, а воспользоваться простым методом, доказавшим свою эффективность на практике. Заключается он в изготовлении лопастей из обыкновенной канализационной ПВХ трубы. Этот метод прост, доступен и дешев.

Михаил26 Пользователь FORUMHOUSE

Теперь о лопастях: сделал из 160-й рыжей канализационной трубы со вспененным внутренним слоем. Делал по расчету, представленному на фото.

«Рыжая» труба упомянута пользователем не случайно. Именно этот материал лучше держит форму, устойчив к температурным перепадам и дольше служит (в сравнении с серыми трубами ПВХ).

Чаще всего в домашней ветроэнергетике используются трубы диаметром от 160 до 200 мм. С них и следует начинать свои эксперименты.

Форма и конфигурация лопастей – это параметры, которые зависят от диаметра трубы, из которой они изготовлены, от диаметра ветроколеса, от быстроходности рабочего винта и других расчетных характеристик. Чтобы не забивать себе голову аэродинамическими расчетами, вы можете воспользоваться , которую выложил в нашего портала ее автор. Она позволит определить геометрию лопастей, подставляя в расчетную таблицу свои собственные значения (диаметр трубы, быстроходность винта и т. д.).

Михаил26

Приноровился пилить электролобзиком. Получается реально быстро и качественно. Примечание: обязательно ставьте большой свободный ход пилки на лобзик, чтобы пилку не закусывало и не ломало.

Конструкция аксиального генератора

Делая выбор между трехфазным или однофазным генератором, лучше остановить свой выбор на первом варианте. Трехфазный источник тока менее подвержен вибрациям, возникающим из-за неравномерности нагрузки, и позволяет получать постоянную мощность при одинаковых оборотах ротора.

BOB691774 Пользователь FORUMHOUSE

Однофазные генераторы мотать не стоит: испытано и давно проверено на практике. Только на трех фазах можно получить достойные генераторы.

Расчетные параметры генератора, о которых мы рассказывали в нашем предыдущем материале, определяются текущими потребностями в электроэнергии. И чтобы на практике они соответствовали объему вырабатываемой мощности, конструкция аксиального генератора должна отвечать определенным требованиям:

  1. Толщина всех дисков (ротора и статора) должна равняться толщине магнитов.
  2. Оптимальное соотношение катушек и магнитов – 3:4 (на каждые 3 катушки – 4 магнита). На 9 катушек – 12 магнитов (по 6 на каждый диск ротора), на 12 катушек – 16 магнитов и так далее.
  3. Оптимальное расстояние между двумя соседними магнитами, расположенными на одном диске, равно ширине этих магнитов.

Увеличение расстояния между двумя соседними магнитами приведет к неравномерной выработке электроэнергии. Уменьшить это расстояние можно, но лучше, все же, соблюдать оптимальные параметры.

Aleksei2011 Пользователь FORUMHOUSE

Ошибочно делать расстояние между магнитами равным половине ширины магнита. Один человек оказался прав, когда говорил, что расстояние должно быть не меньше ширины магнита.

Если не вникать в скучную теорию, то схема перекрытия катушек аксиального генератора постоянными магнитами на практике должна выглядеть следующим образом.

В каждый момент времени одинаковые полюса магнитов аналогичным образом перекрывают обмотки катушек отдельно взятой фазы.

Aleksei2011

Вот так в реале: всё совпадает с рисунком почти на 100%, только катушки совсем немного отличаются по форме.

Последовательность сборки аксиального генератора рассмотрим на примере устройства, собранного пользователем Aleksei2011 .

Aleksei2011

На этот раз я делаю дисковый аксиальный генератор. Диаметр дисков – 220 мм, магниты – 50*30*10 мм. Всего – 16 магнитов (по 8 штук на дисках). Катушки мотал проводом Ø1.06 мм по 75 витков. Катушек – 12 штук.

Изготовление статора

Как видно на фото, катушки имеют форму, похожую на вытянутую каплю воды. Это делается для того, чтобы направление движения магнитов было перпендикулярным длинным боковым участкам катушки (именно здесь индуцируется максимальная ЭДС).

Если используются круглые магниты, внутренний диаметр катушки должен примерно соответствовать диаметру магнита. Если же используются квадратные магниты, конфигурация витков катушки должна быть построена таким образом, чтобы магниты перекрывали прямые отрезки витков. Установка более длинных магнитов особого смысла не имеет, ведь максимальные значения ЭДС возникают лишь на тех участках проводника, которые расположены перпендикулярно направлению движения магнитного поля.

Изготовление статора начинается с намотки катушек. Катушки проще всего мотать по заранее заготовленному шаблону. Шаблоны бывают самыми разными: от небольших ручных приспособлений до миниатюрных самодельных станков.

Катушки каждой отдельно взятой фазы соединяются между собой последовательно: конец первой катушки соединяется с началом четвертой, конец четвертой – с началом седьмой и т. д.

Напомним, что при соединении фаз по схеме «звезда» концы обмоток (фаз) устройства соединяются в один общий узел, который будет являться нейтралью генератора. При этом три свободных провода (начало каждой фазы) подключаются к трехфазному диодному мосту.

Когда все катушки будут собраны в единую схему, можно готовить форму под заливку статора. После этого погружаем в форму всю электрическую часть и заливаем эпоксидной смолой.

Изготовление ротора для аксиальника

Чаще всего самодельные аксиальные генераторы делают на основе автомобильной ступицы и совместимых с ней тормозных дисков (можно использовать самодельные металлические диски, как это сделал Aleksei2011 ). Схема будет следующей.

В этом случае диаметр статора больше, чем диаметр ротора. Это позволяет прикрепить статор к раме ветрогенератора с помощью металлических шпилек.

Aleksei2011

Шпильки для крепления статора М6 стоят (в количестве 3-х штук). Это исключительно для теста генератора. Впоследствии их будет 6 штук (М8). Я думаю, что для генератора такой мощности этого будет вполне достаточно.

В некоторых случаях диск статора крепится к неподвижной оси генератора. Подобный подход позволяет сделать конструкцию генератора менее габаритной, но принципы работы устройства от этого не меняются.

Противоположные магниты должны быть направлены друг к другу разноименными полюсами: если на первом диске магнит обращен к статору генератора своим южным полюсом «S», то противоположный ему магнит, расположенный на втором диске, должен быть обращен к статору полюсом «N». При этом магниты, расположенные рядом на одном диске, также должны быть сориентированы разнонаправлено.

Сила магнитного поля, которое создают неодимовые магниты, довольно велика. Поэтому регулировать расстояние между дисками статора и ротором генератора следует, используя шпилечно-резьбовое соединение.

Это вариант конструкции, в которой диаметр ротора больше диаметра статора. Статор в этом случае крепится к неподвижной оси устройства.

Также для регулировки расстояния между дисками можно использовать распорные втулки (или шайбы), которые устанавливаются на неподвижную ось генератора.

Расстояние между магнитами и статором должно быть минимальным (1…2 мм). Клеить магниты на диски генератора можно обыкновенным суперклеем. Правильнее всего осуществлять наклейку магнитов, используя заранее заготовленный шаблон (например, из фанеры).

Вот, что показали предварительные испытания генератора, выполненные пользователем Aleksei2011 с помощью шуруповерта: при 310 об/м с устройства было снято 42 вольта (соединение – звездой). С одной фазы получается 22 вольта. Расчетное сопротивление одной фазы – 0.95 Ом. После подключения АКБ шуруповёрт смог раскрутить генератор до 170 об/м, ток зарядки при этом составил 3.1А.

После длительных экспериментов, которые были связаны с модернизацией рабочего винта и другими менее масштабными усовершенствованиями, генератор продемонстрировал свои максимальные характеристики.

Aleksei2011

Наконец, к нам пришёл ветер, и я зафиксировал максимальную мощность ветряка: ветер усилился, а порывы временами достигали 12 – 14м/с. Максимальная зафиксированная мощность – 476 Ватт. При ветре 10м/с ветряк выдаёт примерно 300 Ватт.

Ветроэнергетическая установка из автомобильного генератора

Популярным решением среди людей, практикующих изготовление ВЭУ своими руками, является переделка автомобильного генератора под альтернативные нужды. Несмотря на всю привлекательность подобной затеи, следует отметить, что автомобильный генератор в том виде, в котором он устанавливается на двигатель транспортного средства, довольно проблематично использовать в составе ветроэнергетической установки. Разберемся – почему:

  1. Во-первых, обмотка катушек стандартного автомобильного генератора состоит всего из 5…7 витков. Следовательно, чтобы такой генератор начал давать зарядку АКБ, его ротор необходимо раскрутить примерно до 1200 об/мин.
  2. Во-вторых, магнитная индукция в стандартном автомобильном генераторе возникает благодаря катушке возбуждения, которая встроена в ротор устройства. Чтобы такой генератор смог работать без подключения к дополнительному источнику питания, его необходимо оснастить постоянными магнитами (желательно – неодимовыми) и внести определенные коррективы в обмотку статора.

Михаил26

Переделанный автогенератор (на магниты) имеет право на жизнь. У меня сейчас два таких. На ветре 8 м/с с двухметровыми винтами дают честные 300 Ватт каждый.

Переделка автомобильного генератора под ВЭУ требует определенной сноровки. Поэтому приступать к ней желательно, имея за плечами опыт перемотки асинхронных двигателей или генераторов со стандартным цилиндрическим статором (и те, и другие при желании можно превратить в альтернативную энергетическую установку). Переделка автомобильного генератора имеет свои нюансы. Понять их будет намного проще, если обратиться , которые успели достичь в этой сфере определенных успехов.

Защита кабеля от перекручивания

Как известно, ветер не имеет постоянного направления. И если ваш ветрогенератор будет вращаться вокруг своей оси подобно флюгеру, то без дополнительных мер защиты кабель, идущий от ветрогенератора к другим элементам системы, быстро перекрутится и в течение нескольких дней придет в негодность. Предлагаем вашему вниманию несколько способов защиты от подобных неприятностей.

Способ первый: разъемное соединение

Наиболее простой, но совершенно непрактичный способ защиты заключается в установке разъемного кабельного соединения. Разъем позволяет распутать скрутившийся кабель вручную, отключив ветрогенератор от системы.

w00w00 Пользователь FORUMHOUSE

Я знаю, что некоторые внизу ставят что-то типа штепселя с розеткой. Закрутило кабель – отключил от розетки. Затем – раскрутил и воткнул вилку обратно. И мачту опускать не надо, и токосъёмники не нужны. Я это на форуме по самодельным ветрякам прочитал. Судя по словам автора, все работает и не перекручивает кабель слишком уж часто.

Способ второй: использование жесткого кабеля

Некоторые пользователи советуют подключать к генератору толстые, упругие и жесткие кабели (например, сварочные). Метод, на первый взгляд, ненадежный, но имеет право на жизнь.

user343 Пользователь FORUMHOUSE

Нашел на одном сайте: наш способ защиты заключается в использовании сварочного кабеля с жестким резиновым покрытием. Проблема скрученных проводов в конструкции малых ветровых турбин сильно переоценена, а сварочный кабель #4...#6 имеет особые качества: жесткая резина не дает кабелю скручиваться и препятствует повороту ветряка в одном и том же направлении.

Способ третий: установка токосъемных колец

На наш взгляд, полностью защитить кабель от перекручивания поможет только установка специальных токосъемных колец. Именно такой способ защиты реализовал в конструкции своего ветрогенератора пользователь Михаил 26.

Защита ветрогенератора от бури

Речь идет о защите устройства от ураганов и сильных порывов ветра. На практике она реализуется двумя способами:

  1. Ограничением оборотов ветроколеса с помощью электромагнитного тормоза.
  2. Уводом плоскости вращения винта от прямого воздействия ветрового потока.

Первый способ основан на к ветрогенератору. О нем мы уже рассказывали в одной из предыдущих статей.

Второй способ предполагает установку складывающегося хвоста, позволяющего при номинальной силе ветра направлять винт навстречу ветровому потоку, а во время бури, наоборот – уводить винт из-под ветра.

Защита складыванием хвоста происходит по следующей схеме.

  1. В безветренную погоду хвост расположен немного под наклоном (вниз и в сторону).
  2. При номинальной скорости ветра хвост выпрямляется, а винт становится параллельно воздушному потоку.
  3. Когда скорость ветра превышает номинальные значения (например, 10 м/с), давление ветра на винт становится больше, чем сила, создаваемая весом хвоста. В этот момент хвост начинает складываться, а винт уходит из-под ветра.
  4. Когда скорость ветра достигает критических значений, плоскость вращения винта становится перпендикулярно потоку ветра.

Когда ветер ослабевает, хвост под собственной тяжестью возвращается в исходное положение и поворачивает винт навстречу ветру. Для того чтобы хвост смог вернуться в исходное положение без дополнительных пружин, используется поворотный механизм с наклонным шкворнем (шарниром), который устанавливается на оси поворота хвоста.

Оптимальная площадь хвостового оперения составляет 15%...20% от площади ветроколеса.

Вашему вниманию представлен наиболее распространенный вариант механической защиты ветрогенератора. В том или ином виде он успешно используется на практике пользователями нашего портала.

WatchCat Пользователь FORUMHOUSE

При шторме тормозить винт надо его уводом из-под ветра. У меня, к примеру, при слишком сильном ветре ветряк опрокидывается винтом вверх. Не самый лучший вариант, ведь возврат в рабочее положение сопровождается заметным ударом. Но за десять лет ветряк не сломался.

Несколько слов о правильной установке ветрогенератора

Выбирая место и высоту мачты, которые бы оптимально подошли для установки ветрогенератора, следует ориентироваться на самые разные факторы: рекомендуемая высота, наличие препятствий вблизи ВЭУ, а также собственные наблюдения и замеры.

Для того чтобы рассчитать оптимальную высоту мачты для домашней ВЭУ, необходимо к высоте ближайшего препятствия (дерева, здания и т. д.), которое находится в радиусе 100 метров от мачты ветряка, прибавить еще 10 метров. Таким образом вы получите высоту нижней точки ветроколеса.

Leo2 Пользователь FORUMHOUSE

В США, например, минимально рекомендованная высота мачты для ВЭУ мощностью несколько кВт – 15 м, но чем выше, тем лучше. Нижняя часть ветроколеса должна быть, как минимум, на 10 м выше ближайшего самого высокого препятствия. Конечно, предварительно необходимо обследовать местность и выбрать оптимальную высоту мачты. На глаз это может сделать только очень опытный специалист. Во всех других случаях нужно проводить тщательные замеры в течение года (как минимум).

В процессе установки самодельных ветрогенераторов теория очень часто расходится с практикой, поэтому, в среднем, самодельные мачты имеют высоту от 6 до 12 метров. Основное преимущество самодельных вышек (мачт) заключается в том, что если какие-либо параметры не будут соответствовать вашим потребностям, конструкцию, габариты и высоту установки в любой момент можно изменить.

Перед осуществлением сварочных работ, связанных с ремонтом или модернизацией конструкции, генератор необходимо отключить и снять с мачты. В противном случае под действием сварочных токов постоянные магниты могут выйти из строя (размагнититься).

Богатый опыт пользователей FORUMHOUSE, собран в одном из разделов нашего строительного портала. Если вы всерьез интересуетесь альтернативной энергетикой, рекомендуем прочитать статью, посвященную (батарей). Наверняка, вас заинтересует и небольшое видео об особенностях правильного построения мощной и функциональной системы электроснабжения загородного дома , которая по классической схеме подключается к стандартной трансформаторной подстанции.

Ветряные электрогенераторы продолжают набирать свою популярность. Ими чаще всего интересуются люди, проживающие в сельской местности и имеющие возможность устанавливать на своих участках столь внушительные конструкции. Но, учитывая высокую стоимость данного оборудования, позволить себе его покупку может далеко не каждый. Давайте посмотрим, как сделать ветрогенератор своими руками и сэкономить деньги на создании собственного альтернативного источника электрической энергии.

Ветрогенератор – источник электроэнергии

Тарифы на коммунальные услуги поднимаются как минимум один раз в год. А если присмотреться, то в некоторые годы та же электроэнергия поднимается в цене два раза – цифры в платежных документах растут как грибы после дождя. Естественно, все это ударяет по карману потребителя, доходы которого не показывают столь устойчивого роста. А реальные доходы, как показывает статистика, показывают тенденцию к падению.

Еще совсем недавно бороться с ростом тарифов на электроэнергию можно было одним простым, но незаконным способом – с помощью неодимового магнита. Это изделие прикладывалось к корпусу расходомера, в результате чего тот останавливался. Но пользоваться данной методикой мы настоятельно не рекомендуем – это небезопасно, незаконно, а штраф при поимке будет таким, что мало не покажется.

Схема была просто великолепная, но впоследствии она перестала работать по следующим причинам:

Участившиеся контрольные обходы стали массово выявлять недобросовестных хозяев.

  • Участились контрольные обходы – по домам ходят представители контролирующих органов;
  • На счетчики стали наклеиваться специальные стикеры – под действием магнитного поля они темнеют, разоблачая нарушителя;
  • Счетчики стали невосприимчивыми к магнитному полю – здесь устанавливаются электронные учетные узлы.

Поэтому люди стали уделять внимание альтернативным источникам электроэнергии, например, ветрогенераторам.

Еще один способ разоблачить нарушителя, ворующего электроэнергию – провести экспертизу уровня намагниченности счетчика, которая с легкостью выявляет факты хищения.

Ветряки для дома становятся привычным явлением в районах, где часто дуют ветра. Ветровой электрогенератор использует для выработки электроэнергии энергию ветровых потоков воздуха. Для этого они оснащаются лопастями, которые приводят в движение роторы генераторов. Полученная электроэнергия преобразуется в постоянный ток, после чего передается потребителям или запасается в аккумуляторных батареях.

Ветрогенераторы для частного дома, как самодельные, так и заводской сборки, могут основными или вспомогательными источниками электроэнергии. Вот типичный пример работы вспомогательного источника – он греет воду в бойлере или питает низковольтные домашние светильники, в то время как остальная домашняя техника работает от основной электросети. Также возможна работа как основного источника электричества в домах, не подключенных к электрическим сетям. Здесь они питают:

  • Люстры и светильники;
  • Крупную бытовую технику;
  • Отопительные приборы и многое другое.

Соответственно, для того чтобы обогревать свое жилье, необходимо сделать или приобрести ветряную электростанцию на 10 кВт – этого должно хватить на все нужды.

Ветровая электростанция может питать как традиционные электроприборы, так и низковольтные – они работают от 12 или 24 вольт. Ветряной генератор на 220 В выполняется по схеме с применением инверторных преобразователей с накоплением электроэнергии в аккумуляторах. Ветрогенераторы на 12, 24 или 36 В устроены проще – здесь применяются более простые контроллеры заряда батарей со стабилизаторами.

Самодельный ветрогенератор для дома и его особенности

Прежде чем мы расскажем, как сделать ветряк для получения электричества, поговорим о том, почему нельзя воспользоваться заводской моделью. Заводские ветрогенераторы действительно более эффективнее своих самодельных аналогов. Все, что можно сделать на производстве, будет надежнее того, что можно сделать в кустарных условиях. Это правило работает и в отношении ветрогенераторов.

Самостоятельное изготовление ветрогенератора выгодно своей дешевизной. Заводские образцы мощностью от 3 кВт до 5 кВт обойдутся в 150-220 тыс. рублей, в зависимости от производителя. Столь высокая цена и объясняет недоступность магазинных моделей для большинства потребителей, ведь она влияет и на срок окупаемости – в некоторых случаях он достигает 10-12 лет, хотя некоторые модели «отбивают» себя намного раньше.

Заводские ветряные электростанции для дома более надежные и реже ломаются. Зато каждая поломка может привести к гигантским расходам на запасные узлы. Что касается самоделок, то их легко отремонтировать самостоятельно, так как собираются они из подручных материалов. Этим и оправдывается далеко не самая совершенная конструкция.

Да, сделать ветрогенератор на 30 кВт своими руками будет очень сложно, но любой человек, умеющий работать с инструментами, сможет собрать маленький ветряк небольшой мощности и обеспечить себя необходимым количеством электроэнергии.

Схема самодельного ветрогенератора – основные узлы

Сделать самодельный ветрогенератор в домашних условиях сравнительно легко. Ниже вы можете увидеть простой чертеж, объясняющий расположение отдельных узлов. Согласно этому чертежу, нам необходимо сделать или подготовить следующие узлы:

Схема самодельного ветряка.

  • Лопасти – они могут быть изготовлены из самых разных материалов;
  • Генератор для ветрогенератора – можно приобрести готовый или сделать самостоятельно;
  • Хвостовая часть – направляет лопасти по направлению ветра, позволяя добиться максимального КПД;
  • Мультипликатор – повышает обороты вращения вала (ротора) генератора;
  • Крепежная мачта – на ней будут удерживаться все вышеперечисленные узлы;
  • Натяжные тросы – удерживают всю конструкцию и не дают упасть от порывов ветра;
  • Контроллер заряда, аккумуляторы и инвертор – обеспечивают преобразование, стабилизацию и накопление полученной электроэнергии.

Мы попробуем сделать с вами простой роторный ветрогенератор.

Пошаговая инструкция по сбору ветрогенератора

Сделать ветряк из пластиковых бутылок сможет даже ребенок. Он будет весело вращаться под дуновением ветра, издавая шум. Существует гигантское количество всевозможных схем постройки таких ветряков, в которых ось вращения может располагаться как вертикально, так и горизонтально. Электричества такие штуки не дают, зато прекрасно разгоняют кротов на приусадебных участках, которые вредят растениям и повсюду роют свои норки.

Самодельный ветрогенератор для дома чем-то похож на такой вот бутылочный ветряк. Только размерами он побольше, да и конструкцией посерьезней. Но если приделать к такому ветрячку небольшой моторчик, то он сможет стать источником электроэнергии и даже запитать какую-нибудь электрическую штуку, например, светодиод – на большее его мощности не хватит. Глянув на схему такой «игрушки», вы сможете понять, как сделать полноценный ветрогенератор.

Делаем генератор для ветряка

Для того чтобы собрать ветряную электростанцию, нам потребуется генератор, причем с самостоятельным возбуждением. Иными словами, в его конструкции должны присутствовать магниты, наводящие электроэнергию в обмотках. Именно так устроены некоторые электродвигатели, например, в шуруповертах. Но сделать приличный ветрогенератор из шуруповерта не получится – мощность будет просто смешной, хватит максимум на работу небольшой светодиодной лампы.

Сделать ветряную электростанцию из автогенератора тоже не получится – здесь используется обмотка возбуждения, питающаяся от аккумулятора, поэтому он нам не подходит. Из вентилятора бытового у нас получится сделать разве что пугач для птиц, атакующих огород. Поэтому нужно поискать нормальный самовозбуждающийся генератор подходящей мощности. А еще лучше потратиться и приобрести покупную модель.

Генератор действительно выгоднее купить, чем сделать – КПД заводского образца будет более высоким, нежели у самоделки.

Давайте посмотрим, как сделать генератор для нашего ветряка своими руками.

Его максимальная мощность составляет 3-3,5 кВт. Для этого нам понадобятся:

  • Статор – он изготавливается из двух кусков листового металла, раскроенных в форме окружностей диаметром 500 мм. На каждую окружность по краю (немного отступив от края) наклеиваются 12 неодимовых магнитов диаметром 50 мм. Их полюса должны чередоваться. Аналогичным образом готовим вторую окружность, но только полюса здесь должны располагаться со сдвигом;
  • Ротор – он представляет собой конструкцию из 9 катушек, намотанных медным проводом диаметром 3 мм в лаковой изоляции. В каждой катушке делаем по 70 витков, хотя в некоторых источниках рекомендуется делать по 90 витков. Для размещения катушек необходимо сделать основу из немагнитного материала;
  • Ось – ее необходимо сделать точно по центру ротора. Причем биений быть не должно, конструкцию нужно тщательно отцентровать, иначе ее быстро разобьет ветром.

Размещаем статоры и ротор – сам ротор вращается между статорами. Между этими элементами выдерживается расстояние 2 мм. Все обмотки мы соединяем по нижеприведенной схеме, чтобы у нас получился однофазный источник переменного тока.

Изготавливаем лопасти

В этом обзоре мы делаем довольно мощный ветрогенератор – его мощность составит до 3-3,5 кВт при сильном ветре или до 1,5 или 2 кВт при ветре средней силы. Причем он получится достаточно бесшумным, в отличие от генераторов на электродвигателях. Далее нужно подумать о расположении лопастей. Мы с вами задумали сделать простой трехлопастной горизонтальный ветрогенератор. Можно было бы подумать и над вертикальным ветрогенератором, но в этом случае коэффициент использования энергии ветра будет более низким – в среднем 0,3.

Если сделать вертикальный ветрогенератор, то у него будет лишь одно преимущество – он сможет работать при любом направлении ветра.

В домашних условиях проще всего сделать простые лопасти. Для их изготовления можно использовать различные материалы:

  • Дерево – правда, со временем оно может потрескаться и рассохнуться;
  • Полипропилен – этот вид пластика подходит для маломощных генераторов;
  • Металл – надежный и долговечный материал, из которого можно сделать лопасти любого размера (хорошо подходит дюралюминий, используемый в авиации).

Прикинуть диаметр лопастей поможет небольшая таблица. Уточните примерную скорость ветра в вашей местной и узнайте, какого диаметра нужно сделать лопасти для ветрогенератора.

Сделать лопасти для ветрогенератора не так уж и сложно. Гораздо сложнее сделать так, чтобы вся наша конструкция получилась сбалансированной – иначе ее быстро разобьют сильные порывы ветра. Балансировка выполняется путем коррекции длины лопастей. После этого объединяем лопасти с ротором нашего ветрогенератора и устанавливаем конструкцию на монтажной площадке, к которой крепится хвостовая часть.

Запуск и проверка

Самое главное в дальнейшем – выбрать правильное место для установки мачты. Она должна располагаться строго вертикально. Генератор с лопастями размещается как можно выше, где ветер более сильный. Проследите, чтобы рядом не было лесопосадок, отдельно стоящих деревьев, домов и крупных сооружений, загораживающих воздушные потоки – при наличии каких-либо помех разместите ветрогенератор на удалении от них.

Как только ветрогенератор придет в движение, необходимо сделать следующее – подключить к отводу генератора мультиметр и проверить наличие напряжения. Теперь система готова к полноценной эксплуатации, остается только определиться, какое напряжение будет подаваться в дом и как это будет происходить.

Подключение потребителей

У нас уже получилось сделать малошумный ветряк, причем довольно мощный. Настало время подключить к нему электронику. Собирая ветрогенераторы своими руками на 220В, необходимо позаботиться о приобретении инверторных преобразователей. КПД данных приборов достигает 99%, поэтому потери на преобразовании подаваемого постоянного тока в переменный ток с напряжением 220 Вольт будут минимальными. Итого в системе будут три дополнительных узла:

  • Блок аккумуляторов – накапливает излишки генерируемой электроэнергии впрок. Эти излишки используются для питания потребителей в периоды безветрия или в моменты, когда он дует очень слабо;