Лопасти
По форме лопасти могут быть:
- Крыльчатого вида.
- Парусного типа.
Парусные – плоские, это менее продуктивная схема. Они не учитывают аэродинамические силы, а вращаются только под напором ветряного потока.
Только 10 % энергии ветра будет преобразована в электрическую.
У крыльчатого типа наружные и внутренние поверхности различаются по площади
Также важно расположить лопасти под углом 6-10 ° к ветру
Какой материал использовать на лопасти
На старинных мельницах изготавливался тонкий деревянный каркас из жердей с перемычками, на который натягивались полотняные «крылья». Когда ткань ветшала, её заменяли. Как вариант, можно использовать плотные материалы, такие, как брезент.
Но есть и альтернативы, как можно сделать лопасти для ветрогенератора своими руками:
Для небольшого пропеллера можно сделать пластиковые лопасти, разрезав на части трубу ПВХ.
«Паруса» вырезают из фанеры.
Крупный агрегат можно снабдить лопастями из деревянных досок (не важно, что каждая лопасть будет тяжёлой, главное, чтобы они уравновешивали друг друга).
Можно использовать лёгкий металл, например дюралюминий.
Если ветер в местности порывистый, предпочтительнее делать увесистые лопасти, тогда система будет работать более стабильно.
Диаметр используемой трубы должен ровняться пятой части её длины. Отрезок разрезается вдоль на 4 части, в основании вырезается квадрат 5х5 (это будет место крепления), а затем делается косой срез, заужающий лопасть от основания к концу. Рваный край обрабатывается наждаком.
Ключевые узлы
Как говорилось, ветряной генератор можно сделать в домашних условиях. Надо подготовить определенные узлы для его надежного функционирования. Они включают:
- Лопасти. Изготавливать их можно из разных материалов.
- Генератор. Его тоже можно собрать собственноручно или же купить готовый.
- Хвостовая зона. Используется для движения лопастей по направлению вектора, обеспечивая предельно возможный КПД.
- Мультипликатор. Увеличивает скорость вращения ротора.
- Мачта для крепежа. Она играет роль элемента, на котором зафиксированы все указанные узлы.
- Натяжные тросы. Необходимы для фиксации конструкции в целом и защиты от разрушения под воздействием ветра.
- Аккумулятор, инвертор и контроллер заряда. Способствуют преобразованию, стабилизации энергии и ее накапливанию.
Новичкам следует рассматривать простые схемы роторного ветрогенератора.
Тестирование генератора
Перед установкой готового генератора на осевую конструкцию или мачту нужно его протестировать. Для тестирования понадобится дрель или шуруповерт, а также какая-нибудь нагрузка, например, обычная лампочка, которую вы используете в быту. Подсоедините их к вашему агрегату и посмотрите, на каких оборотах лампочка горит ярко и ровно.
Если тестирование показывает хорошие результаты, то можно приступать к монтажу ветряка. Для этого необходимо изготовить лопастные элементы, осевую конструкцию, подобрать аккумулятор. Подробнее о том, как собрать ветрогенератор, можно почитать здесь.
Как сделать ветрогенератор своими руками
Основой создания ветрогенератора является грамотно сделанный проект и подготовленный чертёж
Это очень важно, потому что без чёткого представления о том, как должен выглядеть прибор, будет трудно построить его правильно, не нарушив порядок монтажа всех элементов
Чертежи и схемы
Начинать нужно с составления общего эскиза ветротурбины, пометив ключевые элементы: башню, генератор, деревянное основание, лопасти и ступицу, которая соединяет их вместе. Самостоятельно составленная схема может быть не сильно подробной: в этом нет необходимости. Её следует использовать для общего представления о том, каким будет расположение различных частей ветряного двигателя, и как конструкция будет выглядеть на завершающих этапах.
Схема сборки ветроэлектрического генератора
После подготовки схемы нужно выставить правильные размеры ветрогенератора. Они должны включать в себя высоту, длину и ширину деревянного основания, которое соединяет генератор и хвостовой плавник с башней. Также определить размеры для лопастей из металлических труб или труб из ПВХ, в зависимости от того, какой материал будет использоваться. Отдельные измерения нужны для хвостового плавника: высота, ширина и длина, а также диаметр – для лезвий, которые определяют размер ветровой турбины.
После того как будет готов чертёж и черновой набросок устройства с выставленными размерами, можно переходить к подготовке материалов и инструментов для работы.
Принцип работы ветряного генератора и виды оборудования
Расчет мультипликатора
Генераторная установка имеет наклонную токоскоростную характеристику: с ростом оборотов ротора увеличивается максимальная отдаваемая им мощность. Следовательно, чтобы обеспечить наибольшую эффективность тихоходного ветрогенератора, нам понадобится мультипликатор с большим коэффициентом повышения.
Для самодельной конструкции наиболее оптимальное решение – это ременной мультипликатор: он прост в изготовлении и требует минимума станочных работ. Коэффициент повышения оборотов у него будет равен отношению диаметра ведущего шкива, связанного с осью винта, к диаметру ведомого шкива генератора. При необходимости передаточное число будет легко скорректировать заменой одного из шкивов.
При проектировании мультипликатора нужно учитывать как средние обороты лопастного узла, так и токоскоростную характеристику генератора. Если мы используем серийный автомобильный генератор, то ее без труда можно найти в Интернете, с самодельными же конструкциями, скорее всего, придется идти методом проб и ошибок.
Для примера возьмем распространенный тракторный генератор, о котором уже писали выше.
Взяв расчетную мощность нашей ветроустановки в 90 ватт, найдем точку на графике, соответствующую выходу генератора на эту мощность. При номинальном напряжении 14 В нам потребуется токоотдача не менее 6,5 А – согласно графику, это произойдет при оборотах чуть выше 1000 об/мин. Пусть винт нашей конструкции вращается ветром со скоростью 60 об/мин (ветер средней силы). Значит, нам потребуется как минимум двадцатикратное соотношение диаметров шкивов – для 70-миллиметрового шкива генератора шкив ветряка должен будет иметь диаметр почти полтора метра, что неприемлемо. Это недвусмысленно намекает, насколько мала эффективность ветрогенераторов такого типа – без сложного многоступенчатого редуктора, который сам по себе приведет к большим потерям мощности, вывести автомобильный генератор на рабочий режим практически невозможно.
Для сравнения, посмотрим на характеристики генераторов, используемых в ветрогенераторах промышленного изготовления. Например, генератор на постоянных магнитах ГВУ1000, по конструкции аналогичный описанной выше самоделке из автомобильного тормозного диска, всего при 200 оборотах в минуту выдает мощность в 1 киловатт. С другой стороны, обратной стороной является его значительные вес (34 кг) и цена (почти 70 тысяч рублей).
Вертикалки
Ветряки с вертикальной осью вращения являются наиболее подходящей для самостоятельного изготовления группой устройств. Они имеют простую, понятную конструкцию. Не нуждаются в большом количестве узлов вращения, нетребовательны к направлению ветра. Возможности этой группы породили большое количество вариантов конструкции, некоторые из которых следует рассмотреть подробнее.
ВС
Ветрогенератор Савониуса — одна из наиболее старых разработок, увидевших свет в 20-х годах прошлого столетия. Устройство состоит из двух лопастей достаточно большой площади, изогнутых в продольном направлении. В поперечном сечении они напоминают латинскую букву S. При этом, они слегка сдвинуты друг к другу, несколько перекрывая рабочие стороны.
При воздействии потока ветра одна из лопастей получает усилие на рабочую часть, а вторая — на обратную сторону. Форма лопасти способствует рассечению потока, часть которого уходит в сторону, а другая часть соскальзывает на рабочую поверхность второй лопасти, увеличивая вращающий момент.
Дарье
Конструкция Дарье была предложена почти одновременно с ротором Савониуса. Ее основа — лопасти, имеющие форму крыла самолета и расположенные вертикально по касательной к окружности вращения. Требуется нечетное число лопастей, иначе возникнет чрезмерно высокое уравновешивающее усилие. Подъемная сила лопастей способствует возникновению высокой скорости вращения, превышающей этот показатель в 3-4 раза по сравнению с ротором Савониуса.
Математического описания работы устройства до сих пор не имеется, но разработки, выполненные на основе конструкции, существуют и постоянно пополняются. Существует большое количество моделей частных ветрогенераторов с мощностью, достаточной для обеспечения небольшого дома.
Ортогонал
Ортогональные конструкции являются наиболее эффективными из всех базовых моделей вертикальных ветряков. Они обладают высокими скоростями, чувствительностью, производительностью. Конструкция состоит из нескольких лопастей (обычно три и больше), расположенных на некотором расстоянии от оси параллельно ей. Рассмотренный выше ротор Дарье — один из представителей ортогональных устройств. К недостаткам можно отнести высокие нагрузки на узел вращения, способствующие быстрому выходу из строя движущихся деталей.
Геликоид
Геликоидные конструкции созданы на основе базовой модели ортогонального типа, но со значительными изменениями геометрии лопастей. Они изогнуты по окружности вращения, получив форму, приближенную к спиральной. В результате достигается значительная стабилизация вращения, снижается износ движущихся элементов, конструкция в целом приобретает долговечность, прочность и надежность.
Более плавный режим вращения обеспечивает равномерную выработку электрического тока, что позволяет использовать устройства для прямого питания некоторых потребителей (осветительных устройств, насосов и т.д.). Для самостоятельного изготовления конструкция представляет достаточно трудную задачу из-за сложной геометрической формы лопастей.
Бочка-загребушка
Это — «народное» название многолопастного карусельного (вертикального) ветрогенератора. Устройство имеет хороший баланс, эффективно захватывает поток ветра, низкий уровень шума. Для желающих попробовать силы в изготовлении ветряк своими руками этот вариант конструкции рекомендуется как один из базовых типов конструкции. Лопасти делаются из листовой оцинкованной стали, разрезанных вдоль бочек или иного подручного материала.
Каркас — сваривается из металлического профиля — уголка, трубы и т.п. Особенность устройства в его неуязвимости для сильных порывов ветра — вокруг крыльчатки при усилении потока образуется вихревой кокон, препятствующий проникновению ветра внутрь крыльчатки. Поток просто обтекает устройство, как трубу.
Ветрогенератор Ленца
Особенность конструкции Ленца состоит в использовании вместо подшипников сильных неодимовых магнитов. Они удерживают узел вращения в «подвешенном» состоянии, что обеспечивает легкость вращения. Отсутствие трения способствует высокой долговечности оборудования. Показатели весьма впечатляющие — старт вращения происходит при скорости ветра от 0,17 м/с, а на номинальную производительность ветряк выходит уже при 3,4 м/с.
Вертикальный ветрогенератор
Роторный ветрогенератор своими руками
Бытовой ветрогенератор собирается из дюралевых либо металлических труб небольшого сечения, соединенными болтами М6-М12 сквозь поперечные сквозные отверстия.
Учитывая условия повышенной вибрации, вызванной вращением ротора, соединения должны быть стойкими и прочными. Ротор изготавливается из труб, скрепленных крест накрест и формирующих крестовину. Растяжки придают этому сооружению нужную жесткость.
Каркасом для лопастей ротора, покрытых плотной тканью, служат поворотливые части (2 на рис. ниже) крестовины ротора и ребра жесткости (1). Ограничители вращения (3) лопастей монтируются к крестовине ротора намертво. Блок подшипников (4) устанавливается на опорную мачту (5) с помощью кронштейна (6) из металлической полосы. Опорная мачта гарантирует оси ротора (7) вспомогательную жесткость.
Положение подшипников (8 и 9 на рисунке ниже) на оси ротора фиксируется муфтами (10, 11, 12). Тогда как муфта (11) служит еще и для соединения комбинированных частей оси ротора.
Использование в блоке (4) двух подшипников вызвано необходимой жесткостью крепления оси в блоке, с малым трением во время работы. Растяжки, прицепленные к блоку, удерживают вертикальное положение оси ротора и обеспечивают жесткость роторному ветряку. Жестяной выступ (13) защищает подшипник блока от попадания влаги.
Подшипник (14) принимает вибрацию оси ротора в блоке (15) и снижает нагрузку на опорный подшипник (16). Стержень 17 играет роль основного крепления установки и заодно заземление ротора. В качестве повышающего редуктора используется система из шестеренок от цепного велосипеда. От выбора диаметра шестерен этот редуктор передает вращение с коэффициентами от 1 : 5 до 1 : 12.
Разбор ошибок конструирования
Сборка ветрогенератора в бытовых условиях собственными руками – дело, конечно же, не безошибочное. Даже в конструкциях промышленных ветряков инженерами допускаются ошибки. Но на ошибках учатся, о чём подтверждают вполне состоявшиеся бытовые конструкции.
Итак, среди ошибок при устройстве бытовых ветряных генераторов часто фигурирует такая деталь, как отсутствие в конструкции генератора модуля торможения. Стандартное исполнение таких приборов (автомобильных или тракторных) такой детали не предусматривает. Значит, генератор необходимо дорабатывать.
Однако не каждому «конструктору» хочется заниматься этим тонким делом. Многие игнорируют эту деталь, надеясь на «авось». Как результат – при сильном ветре винт раскручивается до неимоверно высоких скоростей. Подшипники генератора не выдерживают, разбивают посадочные места алюминиевых крышек. Происходит клин ротора.
Разрушенный ветрогенератор по причине недоработок в конструкции. Ошибки конструирования и монтажа подобных конструкций приводят к тяжёлым последствиям
К этой же теме относится недоработка, связанная с отсутствием ограничителя поворота флюгера. Нередко этот компонент попросту забывают установить и вспоминают только тогда, когда потоки ветра начинают раскручивать «петушка» вокруг своей оси, как юлу в передаче «Что? Где? Когда?». Результат плачевный.
Минимум ущерба – перекручивание и обрыв электрического кабеля, а в тяжёлых случаях – разнос всей конструкции.
Другая примечательная ошибка сборки – неправильный расчёт точки центра тяжести на основании флюгера. В этом случае устройство какое-то время может функционировать нормально. Но со временем образуется перекос на подшипниковом узле, свобода вращения ограничивается, эффективность конструкции по отдаче энергии резко снижается.
О том, как правильно рассчитать ветрогенератор, узнаете из предложенной нами статьи.
Нередко током, полученным от генератора, пытаются напрямую питать аккумуляторную батарею. Совсем скоро начинают удивляться – почему аккумулятор не держит заряд или обнаруживают пробой 2-3 банок.
Это банальная и естественная ошибка, так как в любом случае заряд АКБ должен проходить в условиях определённых токов и напряжений. Здесь нужен контроль этого процесса.
Домашним мастерам, заинтересованным темой сборки ветрогенератора, предлагаем ознакомиться еще с одним оригинальным вариантом. В предложенной статье описано изготовление генерирующей установки из бросовых деталей стиралки.
Ветровое колесо
Лопасти, пожалуй, самая важная часть ветрогенератора. От конструкции будет зависеть работа остальных узлов устройства. Изготавливают их из разных материалов. Даже из пластиковой канализационной трубы. Лопасти из трубы просты в изготовлении, стоят дёшево и не подвержены воздействию влаги. Порядок изготовления ветроколеса следующий:
- Необходимо рассчитать длину лопасти. Диаметр трубы должен быть равен 1/5 от общего метража. К примеру, если лопасть будет метровая, то подойдёт труба диаметром 20 см.
- Разрезаем трубу лобзиком вдоль на 4 части.
- Из одной части изготавливаем крыло, которое послужит шаблоном для вырезания последующих лопастников.
- Заусенца на краях сглаживаем абразивом.
- Лопасти фиксируют к алюминиевому диску с приваренными полосами для крепления.
- Далее к этому диску прикручивается генератор.
Лопасти для ветрового колеса
После сборки ветроколесо нуждается в балансировке. Его закрепляют на штативе горизонтально. Операцию проводят в закрытом от ветра помещении. В случае правильно проведённой балансировки колесо не должно двигаться. Если же лопасти вращаются сами, то их требуется подточить до придания равновесия всей конструкции.
Только после успешного завершения данной процедуры следует перейти к проверке точности вращения лопастей, они должны крутиться в одной плоскости без перекоса. Допускается погрешность в 2 мм.
Схема сборки генератора
Виды ветряных электростанций
По типу потребителей различают автономные ветрогенераторы и установки сетевого назначения. Первые осуществляют энергоснабжение удалённых от центральных электрических сетей потребителей.
Вторые – могут насчитывать несколько десятков/сотен ветряков, которые образуют единую систему и отдают энергию в общую сеть. Мощность автономных агрегатов редко превышает 75 кВт, в то время как мощность сетевых установок стартует с отметки 100 кВт.
В зависимости от типа конструкции различают ветряные генераторы:
- с вертикальной осью вращения;
- с горизонтальной осью вращения.
Эти устройства используются для разных условий эксплуатации, но чаще всего встречаются модели с горизонтальной осью. Они работают как обычные флюгеры и имеют схожее строение. Ось ротора вращается параллельно земной поверхности.
Такие агрегаты отличаются высокими показателями КПД (около 40%), простой регулировкой мощности и более доступной ценой, но также характеризуются высоким уровнем создаваемого шума и вибраций. Помимо этого, их необходимо ориентировать на направление ветра.
Для монтажа ветряка с горизонтальным расположением ротора нужно примерно 120 м свободного пространства и мачта высотой не меньше 8 м
Ветряные генераторы с вертикальной осью вращения имеют более компактную конструкцию, они менее восприимчивы к воздействию факторов окружающей среды.
В устройствах этого типа турбина расположена перпендикулярно по отношению к плоскости Земли. Подобные конструкции запускаются даже от слабого ветра и не зависят от направления движения воздушных потоков.
Низкий уровень создаваемого шума (до 30 дБ) даёт возможность устанавливать вертикальные ветротурбины на крышах зданий
Однако есть и существенный минус – КПД таких генераторов составляет всего 15%. Кроме того, они стоят дороже, чем модели с горизонтальной осью вращения.
Модели ветрогенераторов различаются между собой не только расположением вращательной оси, но и:
- количеством лопастей – бывают ветряки с двумя и тремя лопастями, встречаются и многолопастные модификации;
- материалами изготовления функциональных деталей – с парусными и жёсткими лопастями;
- шагом винта – регулируемый или фиксированный.
Вращение многолопастных стационарных ветряков начинается даже при слабом ветре, а вот для работы двух- и трёхлопастных устройств нужен более сильный ветер. В то же время каждая дополнительная лопасть в конструкции создаёт большее сопротивление колеса, в результате чего становится сложнее достигнуть стандартных рабочих оборотов генератора.
В зависимости от материала изготовления лопастей для ветроустановки, могут возникнуть определённые сложности в работе. Парусные элементы проще в изготовлении, поэтому и стоят дешевле.
Но если необходимо обеспечить надёжное функционирование ветротурбины для автономного электроснабжения, стоит отдавать предпочтение конструкциям с жёсткими лопастями, изготовленными из металла или армированного стеклопластика.
Что касается шага винта, то здесь также не всё так просто. Изменяемый шаг позволяет заметно расширить диапазон эффективных скоростей для работы ветряной станции и это большой плюс. Но в то же время такой механизм снижает общую надёжность стационарной установки и значительно утяжеляет ветроколесо, усложняя эксплуатацию агрегата.
Применение ветряных электрогенераторов в домашних условиях
Исходя из вышеперечисленных факторов возникает вопрос: по какой причине в каждом доме не установить ветряк? Ответ состоит из двух основных пунктов:
- Цена. Стоимость устройств достаточной мощности очень велика. Например, стоимость агрегата мощностью 2 КВт и напряжением в 24 В составляет от 75000 руб.;
- Средняя сила ветра в большинстве регионах не достигает и 4 м/с.
Карта средней годовой скорости ветра в России
То есть использование ветряков, как основной источник энергии – нерационально. В стандартном доме, при одновременной эксплуатации всех бытовых приборов потребляется до 1 КВт в час, а при работе мощных электроинструментов, эта цифра возрастает, увеличивая требуемое напряжение в сети.
Монтаж всей системы обойдется минимум в 400000 рублей, и при непостоянной скорости ветра, этот способ электроснабжения теряет актуальность.
Наглядный пример схемы с устройством высокой мощности
Целесообразно применение собранных своими руками 220-вольтных ветряков, как альтернативный источник энергии. В совокупности с солнечными панелями, топливным генератором достаточной мощности или с центральной электросетью.
Схема совокупности ветряка и городского электроснабжения
Электрическая система с применением трех источников
Ветряк своими руками. Забава или реальная экономия?
Скажем сразу, что сделать ветрогенератор своими руками полноценным и эффективным непросто. Грамотный расчет ветрового колеса, передаточного механизма, подбор подходящего по мощности и оборотам генератора – отдельная тема. Мы дадим лишь краткие рекомендации по основным этапам данного процесса.
Генератор
Автомобильные генераторы и электродвигатели от стиральных машин с прямым приводом для этой цели не подходят. Они способны генерировать энергию от ветрового колеса, но она будет незначительной. Автогенераторам для эффективной работы нужны очень высокие обороты, которые не может развить ветряк.
В моторах для стиралок другая проблема. Там стоят ферритовые магниты, а для ветрогенератора нужны более производительные – ниодимовые. Процесс их самостоятельного монтажа и намотки токоведущих обмоток требует терпения и высокой точности.
Мощность устройства, собранного своими руками, как правило, не превышает 100-200 Ватт.
В последнее время среди самодельщиков пользуются популярностью мотор-колеса для велосипедов и скутеров.
С позиций ветроэнергетики это мощные ниодимовые генераторы, оптимально походящие для работы с вертикальными ветровыми колесами и зарядки аккумуляторов. С такого генератора можно снимать до 1 кВт ветровой энергии.
Какой выбрать генератор для ветряка
Бытовые ветряки должны быть малошумные. Поэтому, лучше использовать в качестве генератора для ветроустановок малооборотный (тихоходный) двигатель. Такой двигатель способен совершать от 350 до 700 оборотов в минуту. Кроме того, низкооборотный двигатель можно использовать даже на однолопастном ветряке. Также малооборотистый генератор можно делать из шагового двигателя.
Чтобы повысить обороты ветряка можно использовать мультипликатор: он позволит ускорить вращение лопастей в 5-10 раз.
Особой популярностью пользуются дисковые двигатели на неодимовых магнитах. Магниты, при этом, могут быть разных размеров и, соответственно, мощности. Изготавливается такой генератор достаточно просто, но себестоимость его достаточно высока.
Для того, чтобы запустить пропеллер можно использовать педальный велогенератор.
Многие делают маломощный генератор из бензогенератора, автомобильного или тракторного генератора, аккумулятора от шуруповерта. При этом следует учитывать, что на конструкцию с генератором из тракторного и автогенератора нужно будет установить редуктор, понижающий обороты.
В заключение
При правильном подборе элементов для самодельного ветрогенератора, вы можете смастерить хорошую модель, обеспечивающую весь дом бесперебойным напряжением.
Если не уверены в своих силах или не хватает инструмента, можно купить бытовой ветряк, который окупиться за счет экономии на электроэнергии. Такое оборудование становится все популярнее в условиях современной экономии, оно прекрасно подходит для частных домов.
Самодельные ветрогенераторы обычно не шумные и надежные, однако, производительность значительно ниже, чем у покупных. Выбирайте и монтируйте оборудование по своему вкусу.
