Оригинальная кровля и дизайнерские крыши: Vetrogenerator. Как самому сделать ветрогенератор, ветряной двигатель, электростанцию или проще ветряк своими руками из подручных материалов в домашних условиях

Общий принцип работы

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

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

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

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

На видео рассказывается про ветрогенератор, изготовленный своими руками

Расчет лопастного ветрогенератора

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

Энергия ветра может быть определена по формуле
P=0.6*S*V ³, где S — это площадь круга, описываемого концами лопастей винта (площадь ометания), выраженная в квадратных метрах, а V — расчетная скорость ветра в метрах в секунду. Также нужно учитывать КПД самого ветряка, который для трехлопастной горизонтальной схемы составит в среднем 40%, а также КПД генераторной установки, составляющий на пике токоскоростной характеристики 80% для генератора с возбуждением от постоянных магнитов и 60% — для генератора с обмоткой возбуждения. Еще в среднем 20% мощности израсходует повышающий редуктор (мультипликатор). Таким образом, окончательный расчет радиуса ветряка (то есть длины его лопасти) для заданной мощности генератора на постоянных магнитах выглядит так:
R=√(P/(0.483*V³ ))

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

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

После окончательной пакраски мачты я установил лопасти на мотор-генератор и поднял всю ветроустанову в «боевое» положение. Ветрогенератор сразу ожил и начинал вращаться от небольшого верерка.

Для удобства я разместил всю электронику вместе с аккумуляторами в таком вот пластмассовом ящичке. Внутри находится аккумуляторная батарея, которую параллельно питают генератор и солнечная батарея. Я просто взял два используемых на катерах 12 В аккумулятора, которые можно найти в любом магазине, торгующем автомобильными аккумуляторами. По бокам ящика я сделал два отверстия под 12-ти вольтовые вентиляторы, вынутые из старых компьютеров Mac G4s (на фото не показаны).

Для того чтобы генератор не переходил в режим мотора я поставил диод, который запирает возможность потребления така мотор-генератором, ток в этом случае течёт только от генератора на аккумулятры, а обратную связь блокирует диод встроеный в силовой кабель питания идущий от мачты.

Далее я начил экспериментировать с лапастями, пробывал различные вареанты. Ставил даже два комплекта лопастей, но ветряк работал на очень маленьких оборотах и ничего не вырабатывал. Так-как всё-таки этот мотор не рассчитан на работу в качестве генератора, он не хотел генерировать ток на небольших оборотах, и я продлжил далее.

Поискав инфу по этим вопросам я узнал, что узкие лопасти более оборотистые, и попробывал сдлать уже комплект белых лопастей, которые были по длиньше и это дало свои результаты, теперь ветрогенератор набирает значительно больше оборотов и начинает давать достаточно хорошее напряжение для зарядки аккумуляторов.

Единственный минус в том, что он не работает на малом ветру. Вероятно чтобы его одаптировать надо ставить мультипликатор.

Ниже список всех использованых материалов при построени ветрогенератора

Стальной лист размером 254 ? 356 мм
Стальная трубка диаметром 6.3 мм, длиной 254 мм
Фланец 1-1/4″ Стальная труба прямоугольного сечения 25 мм, длиной 910 мм
Диск от циркулярной пилы с внутренним отверстием 12.7 мм
Оправка 15.9 мм? 12.7 мм для соединения диска с валом мотора
Два металлических автомобильных хомута
Отрезок ПВХ трубы диаметром 100 мм, длиной 200 мм
Отрезок ПВХ трубы диаметром 200 мм, длиной 760 мм (подойдет и труба диаметром 160 мм)
Мотор постоянного тока с постоянными магнитами (предпочтительно мотор от бегущей дорожки 30 В или 260 В, 5 А)
Восемь 6 мм болтов с гаками и шайбами
Два самореза по металлу диаметром 6.3 мм
Выпрямительный диод на 10…40 А (чем мощнее, тем лучше)

Большинство перечисленных выше деталей (за исключением мотора) можно за один раз приобрести в магазине «Все для дома». Что касается моторов, самыми популярными типами считаются старые моторы, выпускавшиеся фирмой Ametek. Впрочем, подойдет практически любой коллекторный двигатель постоянного тока. Единственное что нужно требовать это чтобы он довал не менее 1 вольт на каждые 25об/м.

Таким образом мотор при 300об/м сможет давать более 12-ти вольт и заряжать аккумулятор. Так-же можно повысить скорость вращения генератора поставив мультипликатор 1:3 или 1:4, но это усложнит процесс изготовления и приведёт к существенному увеличению диаметра лопастей. Обычно для таких мультипликаторов используют готовые редукторы от отрезных машинок.

Мощности самодельного ветрогенератора будет достаточно для зарядки аккумуляторных батарей разнообразной техники, обеспечения освещения и в целом работы бытовых электроприборов. Установив ветрогенератор, вы избавите себя от расходов на электроэнергию. При желании рассматриваемый агрегат можно собрать своими руками. Нужно лишь определиться с основными параметрами ветрогенератора и сделать все в соответствии с инструкцией.

Конструкция ветрогенератора включает в себя несколько лопастей, вращающихся под воздействием ветряных потоков. В результате такого воздействия создается энергия вращения. Образовавшаяся энергия посредством ротора поступает на мультипликатор, который в свою очередь передает энергию на электрогенератор.

Также существуют конструкции ветрогенераторов без мультипликаторов. Отсутствие мультипликатора позволяет существенно повысить производительнос ть установки.

Ветрогенераторы можно устанавливать как по отдельности, так и группами, объединенными в ветропарк. Также ветродвигатели можно комбинировать с дизельными генераторами, что позволит экономить топливо и обеспечить максимально эффективную работу системы электрообеспечен ия дома.

Что нужно знать до начала сборки ветрогенератора?

Перед началом сборки ветрогенератора вам нужно определиться с рядом основных моментов.

Первый шаг. Выберите подходящий тип конструкции ветродвигателя. Установка может быть вертикальной и горизонтальной. В случае самостоятельной сборки лучше отдавать выбор в пользу именно вертикальных моделей, т.к. они более просты в изготовлении и балансировке.

Второй шаг. Определите подходящую мощность. В этом моменте все индивидуально – ориентируйтесь на собственные потребности. Для получения большей мощности нужно увеличивать диаметр и массу рабочего колеса.

Увеличение этих характеристик приведет к возникновению определенных сложностей на этапе закрепления и балансировки колеса ветрогенератора. Учитывайте данный момент и объективно оценивайте свои возможности. Если вы новичок, рассмотрите вариант с установкой нескольких ветрогенераторов средней мощности вместо одного очень производительног о агрегата.

Третий шаг. Подумайте, сможете ли вы самостоятельно изготовить все элементы ветрогенератора. Каждая деталь должна быть точно просчитана и сделана в полном соответствии с заводскими аналогами. При отсутствии необходимых навыков лучше купите готовые элементы.

Четвертый шаг. Выберите подходящие аккумуляторные батареи. От автомобильных аккумуляторов лучше отказаться, т.к. они недолговечны, взрывоопасны и требовательны в уходе и обслуживании.

Более предпочтительным вариантом являются герметичные аккумуляторы. Они стоят в пару раз дороже, зато служат в несколько раз дольше и в целом отличаются более высокими характеристиками.

Отдельное внимание уделите выбору подходящего количества лопастей. Самыми популярными являются ветрогенераторы с 2-мя и 3-мя лопастями. Однако у подобных установок есть ряд недостатков.

При работе генератора с 2-мя или 3-мя лопастями имеют место мощные центробежные и гироскопические силы. Под воздействием упомянутых сил существенно возрастает нагрузка на основные элементы ветрогенератора. При этом в некоторых моментах силы действуют в противовес друг другу.

Чтобы нивелировать поступающие нагрузки и сохранить конструкцию ветрогенератора в целостности, нужно выполнить грамотный аэродинамический расчет лопастей и изготовить их в точном соответствии с расчетными данными. Даже минимальные погрешности в несколько раз уменьшают КПД установки и повышают вероятность скорой поломки ветрогенератора.

При работе быстроходных ветродвигателей создается много шума, в особенности, если идет речь о самодельных установках.Чем больший размер будут иметь лопасти, тем сильнее будет шум. Этот момент накладывает ряд ограничений. К примеру, установить настолько шумную конструкцию на крыше дома уже не получится, если, конечно, владельцу не нравится ощущение жизни в условиях аэродрома.

Учитывайте, что с увеличением количества лопастей будет повышаться уровень вибрации, образующейся во время работы ветрогенератора. Двухлопастные установки более сложны в балансировке, особенно для неопытного пользователя. Следовательно, шума и вибрации от ветряков с двумя лопастями будет очень много.

Отдайте выбор в пользу ветрогенератора на 5-6 лопастей. Практика показывает, что такие модели являются наиболее оптимальными для самостоятельного изготовления и использования в домашних условиях.

Винт рекомендуется делать диаметром порядка 2 м. С работой по его сборке и балансировке справится практически любой желающий. Набравшись опыта, можете попробовать собрать и установить колесо с 12-ю лопастями. Сборка такого агрегата потребует больше усилий. Расход материалов и временные затраты тоже увеличатся. Однако 12 лопастей позволят даже при несильном ветре в 6-8 м/с получать мощность на уровне 450-500 Вт.

Учитывайте, что при 12 лопастях колесо будет довольно тихоходным, а это может привести к различным проблемам. К примеру, вам придется собрать специальный редуктор, более сложный и дорогой в изготовлении.

Таким образом, лучшим вариантом для начинающего домашнего мастера является ветрогенератор с колесом диаметром 200 см, оснащенным лопастями средней длины в количестве 6 штук.

Комплектующие и инструменты для сборки

Сборка ветряка потребует наличия множества различных комплектующих и дополнительных приспособлений. Соберите и купите все необходимое заранее, чтобы вам не пришлось отвлекаться на это в будущем.

В зависимости от условий конкретной ситуации перечень необходимых инструментов может немного меняться. В этом моменте вы самостоятельно сориентируетесь по ходу выполнения работы.

Пошаговое руководство по сборке ветрогенератора

Сборка и установка самодельного ветрогенератора выполняется в несколько этапов.

Первый этап. Подготовьте трехточечное бетонное основание. Глубину и в целом мощность фундамента определяйте в соответствии с типом грунта и климатическими условиями в месте строительства. Дайте бетону набрать прочность в течение 1-2 недель и установите мачту. Для этого заройте опорную мачту в землю примерно на 50-60 см и зафиксируйте с помощью растяжек.

Второй этап. Подготовьте ротор и шкив. Шкив представляет собой фрикционное колесо. По окружности такого колеса расположена канавка либо обод. При выборе диаметра ротора нужно ориентироваться на среднегодовое значение скорости ветра. Так, при средней скорости в 6-8 м/с ротор диаметром 5 м будет более эффективен, чем ротор на 4 м.

Третий этап. Изготовьте лопасти будущего ветрогенератора. Для этого возьмите бочку и разделите ее на несколько одинаковых частей в соответствии с выбранным количеством лопастей. Разметьте лопасти при помощи маркера, а затем вырежьте элементы. Для резки прекрасно подойдет болгарка, также можно использовать ножницы по металлу.

Четвертый этап. Скрепите днище бочки со шкивом генератора. Для крепления используйте болты. После этого вам нужно отогнуть лопасти на бочке. Не переборщите, иначе готовая установка будет работать нестабильно. Установите подходящую скорость вращения ветрогенератора путем изменения изгибов лопастей.

Пятый этап. Подключите провода к генератору и соберите их в цепь в дозе. Закрепите генератор на мачте. Провода подключите к генератору и мачте. Соберите генератор в цепь. Также подключите к цепи аккумулятор. Учитывайте тот факт, что максимально допустимая длина проводов в случае с такой установкой составляет 100 см. Подключите нагрузку при помощи проводов.

На сборку одного генератора уходит в среднем 3-6 часов, в зависимости от имеющихся навыков и в целом работоспособност и мастера.

Ветрогенератор требует регулярного ухода и обслуживания.

1. Через 2-3 недели после установки нового генератора нужно демонтировать прибор и убедиться в надежности имеющихся креплений . В целях собственной безопасности проверяйте крепления исключительно при слабом ветре.
2. Смазывайте подшипники как минимум 1 раз в 6 месяцев. При появлении первых признаков нарушения балансировки колеса сразу же снимите его и устраните имеющиеся неисправности. Самым частым признаком разбалансировки является нехарактерное дрожание лопастей.
3. Не менее чем раз в 6 месяцев проверяйте щетки токоприемника . Каждые 2-6 лет красьте металлические элементы установки. Регулярная покраска защитит металл от разрушения под воздействием коррозии.
4. Следите за состоянием генератора . Регулярно проверяйте, не перегревается ли генератор во время работы. Если поверхность установки нагревается до такого состояния, что на ней становится очень трудно держать руку, отнесите генератор в мастерскую.
5. Контролируйте состояние коллектора . Любые загрязнения нужно в кратчайшие сроки удалять с контактов, т.к. они существенно снижают эффективность работы установки. Следите и за механическим состоянием контактов. Перегрев агрегата, сгоревшие обмотки и прочие подобные дефекты – все это должно сразу же устраняться.

Таким образом, в сборке ветрогенератора нет ничего сложного. Достаточно лишь подготовить все необходимые элементы, собрать установку по инструкции и подключить готовый агрегат к электросети. Правильно собранный ветрогенератор для дома станет надежным источником бесплатной электроэнергии. Следуйте полученному руководству и все получится.

Удачной работы!

Видео – Ветрогенераторы для дома своими руками

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.

Самодельный ветряк

Когда случилась перестройка, многим пришлось менять профессию и болезненно искать новое приложение рукам и уму. Среди многих других попыток были у меня и ветряки .

Я добросовестно посвятил этому год с лишним. Довольно быстро понял, что без основательной учебы ничего путного не выйдет. Много было непонятного, но постепенно прояснялось. Наконец, седьмой по счету экземпляр заработал более-менее в соответствии с расчетными характеристиками.

Ветряк задумывался, как источник энергии для дачи с посещением неполную неделю. Замышлялся, как коммерческий продукт. Отсюда и размеры.

ветрогенератор своими руками

Диаметр турбины 1.15 - 1.17м, трехлопастная. Наиболее дискутируемый вопрос количества лопастей решился между двух и трех в пользу трех из-за того, что хотелось, чтобы турбина увереннее работала при слабом ветре. Расчетная скорость 600 - 700 об/мин.

Генератор - коллекторный двигатель 36В с постоянными магнитами болгарского производства. Кажется, эти двигатели массово применялись в ЭВМ семейства ЕС.

Диаметр двигателя 80мм, длина что-то около 140мм?

Старательно снял его характеристики на стенде, используя тахометр, калиброванные нагрузки и прочее. Получил зависимость напряжения от скорости (2.22В*об/с), внутреннее сопротивление (2.5Ом) и вентиляторные потери (механические на трение и перемешивание воздуха).

Оптимальное передаточное число мультипликатора планировалось 4, но из-за желания выполнить его компактно в одну ступень, остановился на 3.33. (Хотя и 4 пробовал). Шестерни нарезал косозубые, меньше шумят. Картер сделать не получилось, хотя для серии это, наверно, нужно. Мазать пару раз в месяц солидолом - несолидно.

Поворотный механизм - свободный ход на резьбе. Угол поворота после 2 - 3 оборотов ограничивался упругостью кабеля. Это оказалось самым простым и надежным решением. Головка вращается на длинной резьбе по полудюймовой трубе через муфту. Конечно, небольшой люфт в этом месте есть. Первоначально муфта делалась длиннее (60 - 70мм) и для облегчения хода на резьбе делалась проточка, оставлялись только верхние и нижние витки (по 2 - 2.5 нитки). Потом оказалось, что люфт не так уж и страшен и узел был упрощен.

Кабель от генератора пропускался в отрезок вертикальной трубы (что-то около 500мм) и выходил через тройник в месте крепления головки к мачте. Упругости полуметрового толстого отрезка кабеля и хватало, чтобы не давать головке поворачиваться в горизонтальной плоскости более, чем на 1.5 - 2 оборота.

Пробовал и безхвостовой вариант, с набегом потока на турбину сзади, но все-таки остановился на классике - с хвостовым флюгером приблизительно 200х400мм, вынесенным на 70-сантиметровом отрезке полудюймовой трубы. Хвостовая труба уравновешивает генераторную головку в горизонтальной плоскости. Вся конструкция закрыта пластиковой канализационной трубой 100(106) мм. Сзади генератора - вертикальный узел поворота и 400мм отрезок полудюймовой трубы для крепления к мачте стандартной муфтой. Там же расположены выходные клеммы генератора. Провод снижения идет далее по мачте снаружи, хотя, можно до самой земли провести его в трубе.

Кожухом отлично работал отрезок канализационной пластиковой трубы 100 (106?) мм. Стопорился одним саморезом снизу. Впереди и сзади кожух был открытым. В приблизительно 8 - 10мм зазор меж кожухом и передним обтекателем заходил воздух для охлаждения генератора, сзади кожух нависал над креплением хвостовой балки на 20 - 25мм, чтобы вода на резьбу не капала.

Хвост на трубе полдюйма пластиковой с хвостовой лопастью (приблизительно 200х400мм) утерян. Стыковался с небольшим грузиком и регулировался по длине, чтобы уравновесить головку на мачте в целом.

При массе генератора 2.5кг вся головка без турбины имеет массу порядка 5кг. Мне показалось, что это неплохой результат.

Особо стоит упомянуть турбину. Пожалуй, технологически самый непростой узел. Вся попавшая под руки литература была написана людьми совершенно далекими от аэродинамики. Большинство советчиков приводили популярные авиационные профили CLARK Y, BC2 и прочее. Методы расчета самолетных винтов и больших турбин совершенно не годились для маленькой тихоходной турбины, ориентированной на работу при слабых и средних ветрах (3-6м/с). Стандартная же технология изготовления лопастей тоже была достаточно трудоемка и, главное, не гарантировала высокой точности и повторяемости профиля.

Что касаемо профиля, то при данных числах Рейнольдса 40 000 - 60 000 самым лучшим оказался профиль типа Купфер, Гетинген 420 и тому подобное. Это знают авиамоделисты. Грубо говоря, это просто дужка, профиль крыла "Фармана" или "Ньюпора" времен первой мировой. При слабых ветрах он дает момент, почти в 1.5 раза больше, чем традиционные, каплевидные. При больших скоростях начинается срыв потока и турбина отчасти саморегулируется.

Профиль потянул за собой и технологию.

Выстругивалась по теоретическому чертежу и лекалам болванка с поверхностью нижней части лопасти. Далее на нее через слой полиэтилена накладывались слои дубового шпона на клею. У комля до 10, у конца - 3 - 4 слоя. Весь пирог тщательно уматывался резиновой лентой и оставлялся на сутки - двое.

После схватывания клея, полуфабрикат лопасти снимался с болванки и сравнительно просто дорабатывался в концевой части и по кромкам шлифовкой. В конце, если требовалась долговечность, все это можно еще оклеить одним слоем стеклоткани на эпоксидке.

На снимке справа - болванка для выклейки лопастей. К ней плотно приматывается резиновой лентой проклеенный пакет дубового шпона. У комля 8 - 10 слоев, у самого конца лопасти 3 - 4. Потом ступенчатость слоев убирается шлифовкой и подшлифовываются кромки. Ну, и форма в плане корректируется по шаблону. Лопасти получаются легкими, жесткими и достаточно одинаковыми, легко балансируются. Впрочем, дуб - слишком серьезно. Можно вполне и что-то полегче. Вообще я без ума от липы... Ну, и оклеить это стеклотканью тоже не мешает, если нужна долговечность.

Слева лежат две оклееные стеклопластиком цельноструганные лопасти из липы от другой, более ранней модели с заклеенными кулачками механизма изменения шага винта. При всей неказистости 2000об/мин как-то вполне выдержали..

Один сезон выдержит и тщательно прогрунтованная и выкрашенная ПФ115 деревяшка. После зимнего хранения в неотапливаемом помещении особого коробления не отмечено. Но хранить турбину нужно подвешенной за ось. Ставить к стене на лопасть - нельзя.

Турбина одевалась на резьбе на вал и сама докручивалась до упора.

Все это в сборе устанавливалось на 5-метровой высоте на мачте из отрезков труб полдюйма, три четверти, дюйм, соединенных муфтами-переходниками. Мачта имела поворотное крепление у земли и четырехтросовую одноярусную систему растяжек из капронового шнура порядка 5мм. Такая конструкция позволяет поднимать/опускать мачту одному человеку.

Нагрузкой служил 12- вольтовой щелочной аккумулятор 55Ач, подключенный просто через 10А диод. Плюс вольтметр и амперметр..

Разрабатывался замысловатый контроллер, как развитие и дополнение. Рабочее напряжение генератора для съема максимума мощности должно меняться. Наивыгоднейший в этом смысле режим - фиксированный ток при меняющемся напряжении. Работа же через диод просто на аккумулятор дает как раз, наоборот - относительно постоянное напряжение при меняющемся токе заряда.

И, пока контроллер периодически привозился, примерялся и увозился домой, обнаружилось, что без контроллера турбина имеет некоторые интересные качества.

Запуск очень легкий, при менее 3м/c. Далее, турбина быстро набирает обороты до начала зарядки (порядка 13 - 14В). После этого рост оборотов идет очень медленно, растет только момент на валу турбины и зарядный ток. Растут, конечно, и потери в самом генераторе и проводах снижения. Но генератор на сильном ветру эффективно охлаждается самим ветром через специально предусмотренные каналы. Характерно, что шумит турбина при разгоне, как только появляется зарядный ток, шум резко уменьшается. В общем, шумит довольно слабо. Когда спишь на даче при сильном ветре, вполне маскируется шумом деревьев, если не знаешь, что турбина установлена.

Я очень опасался, что во время какого-нибудь шквала генератор просто сгорит. Потом посчитал все возможные потери и пришел к выводу, что при теплоемкости конструкции ему нужно минут сорок, чтобы нагреться просто, как болванка, до градусов 70 - 80.

Ветряк все лето проработал под присмотром. оставлять его нельзя было из-за нравов нашего народа и еще: я опять-таки боялся шквала, бури. Однажды, ветер поднялся до 30 - 35м/c. Точного анемометра под руками не было, но я тогда уже прекрасно ориентировался по самой турбине. Достаточно однажды сделать 2 - 3 замера напряжения на эталонную нагрузку по анемометру и сделать таблицу - ветряк сам себе анемометр. Турбина давала 900об/мин, генератор выдавал порядка 150 - 170Вт при 5 - 7А (половина мощности пропадала в слишком тонких проводах снижения порядка 20м) мачту и меня самого ветер при порывах шатал. Я опасался, что все это разлетится вдребезги, но испытания есть испытания.

Я раз десять уверенно останавливал турбину "на полном скаку", замыкая выход генератора накоротко. Ток при этом падал до 2 - 3А и обороты до 1 - 2 в с. Потом, все-таки где-то срезало шплинт и все это засвистело вразнос, пришлось срочно мачту опускать.

Основной вывод из этого эксперимента - маломощную турбину можно уверенно стопорить генератором при сильном ветре. Дополнительные тормоза не нужны. Это потом легко поясняется и в теории.

Я опустил тут многие эксперименты. Работал два сезона плотно. Опробовал и Савониусы, и вертикальные лопасти и еще несколько конструкций. Турбины от 2 до 12 лопастей, автоматы увода из-под ветра и прочее. Делал и генератор на постоянных магнитах, делал сервопривод изменяемого шага лопастей турбины и прочее. Не успел только однолопастник построить.

Могу сказать с уверенностью

1. Ветряк - весьма дорогое удовольствие, если речь идет не о игрушке. В моем случае это только освещение, небольшой электроинструмент (8 - 12 квт*ч в месяц). Для тех, кто на даче привык утюгом фуфайки гладить - бензоагрегат много дешевле.

2. Ничего лучше, чем классическая пропеллерная турбина, просчитанная еше в 20-е годы прошлого века в ветроэнергетике нет и быть не может. Изобретения тут делаются ради самих изобретений.

3. Ветряк - не дело одиночек. Ветряк - СИСТЕМА. Без глубокого понимания всех процессов, без знания основ механики, аэродинамики, электротехники - лучше не связываться с работой такой сложности. Это не для любителей, если хочется что-то в конце получить реально работающее.

Была попытка сделать более тихоходную турбину с двухступенчатым мультипликатором где-то 1 к 5. И бесхвостый вариант с ориентацией за счет парусности самой турбины ("спиной к ветру", уравновешивающей трубой вперед).

Но мультипликатор оказался сложным, а турбина не хотела при слабом ветре разворачиваться. Я тут еще и винт изменяемого шага с сервоприводом реализовал (где-то ранее на снимке лопасти от него). Но сервопривод оказался слишком медлительным, чтобы оперативно реагировать на порывы ветра. И жужжал бесконечно. Потом, по мере продвижения понял, что для такой блохи это лишнее.

Работа была интересной, но пришлось уйти к реалиям. Коммерческий проект такой ВЭС еще нуждался в доработке, собственные ресурсы начинали таять, а тут подвернулось то, что мне было хорошо знакомо - импульсные источники. Вот этим сейчас и занимаюсь уже пятый год.

На сегодня, как мне представляется, мечты о ветряке, подогревающем пол и питающем утюги с водонагревателем пока нужно отставить. Это технически возможно, но стоит столько, что фантазия обывателя не выдерживает.

А вот такие маленькие для дачи могли бы иметь определенный успех. Это тоже недешево, но кому нужен свет, маленький телевизор, мобилка и ноутбук - вполне.

Это порядка 10 - 15кВт.час в месяц.

Энергия ветра, Ветрогенератор своими руками, альтернативная энергия, ветрогенератор, ветряк своими руками, самодельный ветряк, мощьность ветрогенератора