1. Основные понятия
2. Какой нужен генератор?
3. Выбор по ветру
4. О безопасности
5. Ветер, аэродинамика, КИЭВ
6. Чего ожидать от классики?
7. Вертикалки
8. Лопастники
9. Мини и микро
10. Парусники
11. Самодельный генератор
12. Вывод

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.

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.

Сделать же каркас (рангоут) для парусного ротора несложно. Кроме того, парусные ВСУ безопасны, а звуков от них, инфра- и слышимых, не обнаруживается. И высоко понимать ротор не нужно, достаточно одного диаметра колеса.

Видео: технология производства ветрогенераторов

Ветрогенератор из автомобильного генератора - неплохая альтернатива заводскому устройству, которое стоит от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч рублей. Для сборки понадобится соорудить лопасти, мачту и немного изменить конструкцию автогенератора.

О самодельных ветряках для дома

Особый интерес к ветряной энергии проявляется на уровне бытовой сферы. Это понятно, если краем глаза взглянуть на очередной счёт за потреблённую энергию. Поэтому разного рода умельцы активизируются, используя все возможности получения электричества недорого.

Одна из таких возможностей, вполне реальная, тесно связана с ветряком из автомобильного генератора. Уже готовый прибор – автомобильный генератор – достаточно лишь оснастить правильно сделанными лопастями, чтобы иметь возможность снимать с клемм генератора какое-то значение электрической энергии.

Правда эффективно работать он будет лишь при условии наличия ветреной погоды.

Пример из практики бытового применения ветряных генераторов. Удачно разработанная и вполне эффективная практическая конструкция ветряка. Установлен трёхлопастной винт, что редкость для бытовых аппаратов

Использование фактически любого автомобильного генератора приемлемо для конструирования ветряка. Но подобрать для дела обычно стараются модель мощную, способную выдавать большие токи. Здесь на пике популярности конструкции генераторов от грузовых автомобилей, крупных пассажирских автобусов, тракторов и т.п.

Помимо генератора, для изготовления ветряка потребуется ещё ряд комплектующих деталей:

• винт двух- или трёх- лопастной;
• автомобильный аккумулятор;
• электрический кабель;
• мачта, элементы опоры, крепёж.

Конструкция винта на две или три лопасти считается наиболее оптимальной для классического ветряного генератора. Но бытовой проект зачастую далёк от инженерной классики. Поэтому чаще всего на домашнюю конструкцию стараются подобрать уже готовые винты.

Крыльчатка от вентилятора легкового автомобиля, которая будет использована в качестве винта ветряной домашней установки. Лёгкость и большая полезная площадь для воздушной силы позволяют применять такие варианты

Таким, к примеру, может стать крыльчатка от внешнего блока сплит-системы кондиционирования воздуха или от вентилятора того же автомобиля. Но когда есть желание следовать традициям конструирования ветрогенераторов, придётся сооружать пропеллер ветряка от начала до конца своими руками.

Перед принятием решения о сборке и установке ветрогенератора стоит оценить климатические данные участка и рассчитать окупаемость. Существенную помощь в этом окажет информация весьма интересной статьи, рекомендуемой нами к ознакомлению.

Конструкция ветрогенератора

Существует огромное видовое разнообразие ветрогенераторов и чертежей их изготовления. Но любая конструкция включает в себя следующие обязательные элементы:

• генератор;
• лопасти;
• накопительная батарея;
• мачта;
• электронный блок.

Обладая некоторыми навыками, можно смастерить ветрогенератор своими руками

Кроме этого, необходимо заранее продумать систему управления и распределения электроэнергии, начертить схему монтажа.

Преимущества и недостатки использования автомобильного генератора

Использование автомобильного генератора как элемента ветроэлектростанции дает существенные преимущества:

• Имеется готовый генератор, который может использоваться без вмешательства в конструкцию или с некоторой модернизацией.
• Автомобильный генератор выдает стабильное напряжение, что важно для ветряков с их постоянно меняющейся скоростью вращения.
• Используется стандартное оборудование, доступное и не нуждающееся во вмешательстве в конструкцию.
• Автомобильные генераторы широко распространены, что делает их ремонтопригодными и доступными для замены при необходимости.

Наряду с достоинствами имеются и некоторые недостатки:

• Автомобильный генератор нуждается в высокой скорости вращения, что требует использования повышающего редуктора или изменений в конструкции устройства.
• Ресурс автомобильного генератора ограничен примерно 4000 часами работы (в среднем). Даже новый генератор не выдержит и года непрерывной работы и потребует ремонта.
• Система возбуждения некоторых генераторов требует подачи напряжения на катушку, что вынуждает изменять конструкцию и устанавливать постоянные магниты.

Несмотря на имеющиеся недостатки, автомобильный генератор считается оптимальным вариантом, возможным при самостоятельном создании ветроэлектростанции.

Изготавлииваем 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:

1. 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.
2. Разрезаем трубу лобзиком вдоль на 4 части.
3. Из одной части изготавливаем крыло, которое послужит шаблоном для вырезания последующих лопастников.
4. Заусенца на краях сглаживаем абразивом.
5. Лопасти фиксируют к алюминиевому диску с приваренными полосами для крепления.
6. 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

Изготовление мачты

Для изготовления мачты подойдёт старая водопроводная труба диаметром не менее 15 см, длиной около 7 м. Если в пределах 30 м от предполагаемого места монтажа есть постройки, то высоту конструкции корректируют в сторону увеличения. Для эффективной работы ветроустановки лопастник поднимают выше препятствия минимум на 1 м.

Основание мачты и колышки для закрепления растяжек бетонируют. К кольям приваривают хомуты с болтами. Для растяжек применяют оцинкованный 6 мм трос.

Совет. Собранная мачта обладает немалым весом, при ручной установке понадобится противовес из трубы с грузом.

Переделываем атомобильный генератор

Для изготовления генератора ветряка подойдёт генератор от любого автомобиля. Их конструкции схожи между собой, а переделка сводится к перемотке провода статора и изготовлению ротора на неодимовых магнитах. В полюсах ротора высверливаются отверстия для фиксации магнитов. Устанавливают их, чередуя полюса. Ротор оборачивают бумагой, а пустоты между магнитами заливают эпоксидной смолой.

Автомобильный генератор

Таким же способом можно переделать двигатель от старой стиральной машины. Только магниты в этом случае во избежание залипания наклеивают под углом.

Новую обмотку перематывают по катушке на зуб статора. Можно сделать всыпную обмотку, это как кому удобно. Чем больше количество витков, тем эффективнее получится генератор. Мотают катушки в одном направлении по трёхфазной схеме.

Готовый генератор стоит опробовать и измерить данные. Если при 300 оборотах генератор выдаёт порядка 30 вольт, это хороший результат.

Генератор для ветряка из автомобильного генератора

Финальная сборка

Раму генератора сваривают из профильной трубы. Хвост изготавливают из оцинкованной жести. Поворотная ось представляет собой трубку с двумя подшипниками. Генератор крепят к мачте таким образом, чтобы расстояние от лопасти до мачты было не менее 25 см. В целях безопасности для финальной сборки и монтажа мачты стоит выбрать безветренный день. Лопасти под действием сильного ветра могут изогнуться и разбиться о мачту.

Чтобы использовать аккумуляторы для питания техники, которая работает от сети 220 В, потребуется установить инвертор преобразования напряжения. Ёмкость батареи подбирается индивидуально к ветрогенератору. Этот показатель зависит от скорости ветра на местности, мощности подключаемой техники и частоты пользования ею.

Устройство ветрогенератора

Чтобы батарея не вышла из строя от чрезмерной зарядки, понадобится контроллер напряжения. Его можно изготовить самостоятельно, если обладаете достаточными знаниями в электронике, или купить готовый. В продаже имеется множество контролеров для механизмов получения альтернативной энергии.

Совет. Чтобы лопастник не сломался при сильном ветре, устанавливают простое устройство – защитный флюгер.

Двухлопастной винт на генератор без переделки

В принципе если на генератор поставить скоростной двух-лопастной винт диаметром 1-1.2 метра, то такие обороты легко достигаются при ветре 7-8м/с. Значит можно сделать ветряк и не переделывая генератор, только работать он будет на ветре от 7м/с. Ниже скриншот с данными двух-лопастного винта. Как видно обороты такого винта при ветре 8м/с составляют 1339 об/м.

Так-как обороты винта растут линейно в зависимости от скорости ветра, то (1339:8*7=1171 об/м) при 7м/с начнётся зарядка АКБ. При 8 м/с ожидаемая мощность опять-же по расчёту должна быть (14:1200*1339=15.6 вольт) (15.6-13=2.6:0.4=6.5 ампер*13=84.5 ватт). Полезная мощность винта судя по скриншоту 100 ватт, по-этому он свободно потянет генератор и должен недогруженный выдать даже больше оборотов чем указано. В итоге 84 .5 ватт должно быть с генератора при 8 м/с, но катушка возбуждения потребляет около 30-40 ватт, значит в аккумулятор пойдёт всего 40-50 ватт энергии. Совсем мало конечно так-как переделанный на магниты генератор и перемотанный при этом-же ветре на оборотах 500-600 об/м выдаст в три раза больше мощности.

При ветре 10 м/с обороты будут (1339:8*10=1673 об/м), напряжение в холостую (14:1200*1673=19.5 вольт), а под нагрузкой АКБ (19.5-13=6.5:0.4=16.2 ампер*13=210 ватт). В итоге получится 210 ватт мощности минус 40 ватт на катушку и полезной мощности останется 170 ватт. При 12 м/с будет примерно так 2008 об/м, напряжение без нагрузки 23.4 вольта, ток 26 ампер, минус 3 ампер на возбуждение, и того 23 ампер ток зарядки аккумулятора, мощность 300 ватт.

Если сделать винт меньшего диаметра, то обороты ещё возрастут, но тогда винт не потянет генератор когда достигнет порог зарядки акб. Я посчитал разные варианты во время написания этой статьи и дву-лопастной винт оказался самым оптимальным для генератора без переделки.

В принципе если рассчитывать на ветра от 7м/с и выше, то такой ветрогенератор будет хорошо работать и выдавать 300 ватт при 12 м/с. При этом стоимость ветряка будет совсем небольшой, по сути только цена генератора, а винт и остальное можно сделать из того что есть. Только винт нужно делать обязательно по расчётам.

Переделанный правильно генератор начинает давать заряду уже с 4 м/с, при 5 м/с ток зарядки уже 2 ампера, при этом так-как ротор на магнитах, то весь ток идет в АКБ. При 7 м/с ток зарядки 4-5 ампер, а при 10 м/с уже 8-10 ампер. Получается что только при сильном ветре 10-12 м/с генератор без переделки может сравнится с переделанным, но он ничего не даст на ветре меньше 8 м/с.

Самовозбуждение автомобильного генератора

Чтобы генератор самовозбуждался без аккумулятора в ротор нужно поставить пару маленьких магнитиков. Если катушку возбуждения запитать от аккумулятора, то она постоянно и не зависимо от того вырабатывает энергию или нет ветрогенератор, будет потреблять свои 3 ампера и заряжать аккумулятор. Чтобы этого не происходило нужно поставить блокирующий диод, чтобы ток шол только в акб, а обратно не уходил.

Катушку возбуждения можно запитать от самого генератора, минус на от корпуса, а плюс от плюсового болтика. А в зубы ротора нужно поставить пару маленьких магнитиков для самовозбуждения. Для этого можно просверлить сверлом дырочки и на клей посадить маленькие неодимовые магнитики. Если нет неодимовых магнитов то можно вставить обычные ферритовые от динамиков, если маленькие, то просверлится и вставить, или проложить между когтей и залить эпоксидной смолой.

Так-же можно использовать так-называемую таблетку, то-есть реле-регулятор как в автомобиле, который будет отключать возбуждение если напряжение АКБ достигло14.2 вольта, чтобы не перезарядить. Ниже на рисунке схема самовозбуждения генератора. Вообще генератор сам возбуждается так-как ротор имеет остаточную намагниченность, но это происходит на высоких оборотах, лучше для надёжности добавить магниты. В схему включен реле-регулятор, но его можно исключить. Развязывающий диод нужен чтобы аккумулятор не разряжался так-как без диода ток будет течь в обмотку возбуждения (ротор).

Так-как ветрогенератор будет очень маленький с винтом диаметром всего 1 метр, то никакие защиты от сильного ветра не нужны и с ним ничего не случится если будет крепкая мачта и крепкий винт.

Есть генераторы на 28 вольт, но если их использовать для зарядки 12 вольт АКБ, то оборотов нужно в два раза меньше, около 600 об/м. Но так-как напряжение будет не 28 вольт, а 14, то катушка возбуждения будет давать только половину мощности и напряжение генератора будет меньше, по-этому ничего не получится из этого. Можно конечно попробовать в генератор, статор которого намотан на 28 вольт, поставить ротор на 12 вольт, тогда должно быть получше и зарядка начнётся раньше, но тогда нужны два одинаковых генератора чтобы заменить ротор, или искать отдельно ротор или статор.

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.

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.

Обслуживание устройства

Чтобы сделанный ветряк работал долгие годы и без перебоев, необходимо проводить периодический технический контроль и обслуживание.

1. Чистить, смазывать и регулировать токосъёмник нужно раз в 2 месяца.
2. Ремонтировать лопасти, если возникает вибрация и разбалансировка во время вращения.
3. Раз в 3 года красить антикоррозийной краской металлические элементы.
4. Проверять и регулировать крепления и трос мачты.

На эффективность работы прибора влияет местность, где установлен ветрогенератор (пустырь, наличие ветров). Но в любом случае иметь данный источник энергии, независимый от стационарного электроснабжения, никогда не будет лишним.

Видео

Интернет начинает «трещать по швам» от хвалебных статей авторов, предлагающих всем желающим использовать природную энергию ветра для получения бесплатного электричества.

Я предлагаю рассмотреть этот вопрос с практической точки зрения, оценить экономический эффект до того, как начнете создавать ветрогенератор для частного дома своими руками или даже приобретать заводскую модель.

Поговорим о трудностях, с которыми вам придется столкнуться: их необходимо предусмотреть и преодолеть. Тема сложная. Надо оценить аэродинамические и механические характеристики, сделать электротехнический расчет.

Промышленные ветрогенераторы: образец для подражания

Не секрет, что альтернативная энергетика действительно позволяет получать электричество буквально из ветра. В странах Европы промышленные ветрогенераторы занимают огромные площади и работают автономно на благо человека.

Они имеют огромные размеры, расположены на открытых всем ветрам участках, возвышаются над деревьями и местными предметами.

А еще ветряки установлены на удалении друг от друга. Поэтому случайные поломки и повреждения одного не могут причинить вреда соседним конструкциям.

Эти принципы создания ветровых генераторов будем брать за основу разработки самодельных устройств. Они созданы по научным разработкам,
опробованы уже длительной эксплуатацией, эффективно работают.

Начнем с анализа характеристик местности, на которой планируем создавать ветряную электростанцию.

Как определить скорость ветра: хватит ли его напора для бытового ветряка

Вопрос обсудим на основе научных фактов и уже допущенных ошибок многими владельцами частных домов

Теоретическая часть проекта: на что обратить внимание при выборе конструкции

Среднегодовое значение ветра для любой местности России или другой страны можно узнать на карте ветров. Эти данные имеются в широком доступе.

Если рассмотреть всю территорию, то мест для благоприятного пользования ветряной энергией со скоростью от 5 м/сек и выше у нас не так уж много, как в Европе.

Я объясняю эту ситуацию тем, что теплый воздух Гольфстрима, поднимаясь от нагретой воды, сразу устремляется в холодные районы. Чем выше перепад температур, тем больше его скорость.

Пройдя несколько тысяч километров над Европой, его сила слабеет. Наибольший перепад температур весной и осенью вызывает бури и ураганы.
Нам важно понимать, как определить скорость ветра правильно в своей местности.

Возьмем величину 5 м/сек за основу, и рассчитаем мощность ветрового потока для наиболее распространенного горизонтально расположенного осевого генератора.

Учтем, что его лопасти охватывают площадь круга S (м кв.) с диаметром D (м). Через нее проходит ветер со скоростью V (м/сек).

Ветровая энергия Рв рассчитывается по формуле:

ρ - это плотность воздушной массы (кг/м куб.)

Если взять усредненные значения, например, площадь 3 м кв и плотность
воздуха 1,25 кг/м 3 , то ветер, дующий со скоростью 5 м/сек, способен создать мощность чуть меньше, чем 2 киловатта.

Теперь наша задача - определить, какая ее часть сможет преобразоваться в полезную электрическую энергию. Грубо ее можно оценить по процентному соотношению в 30÷40%. Конструкция и технологические характеристики ветряного колеса просто не позволят эффективно взять больше.

Более точное определение находят формулой, учитывающей:

• коэффициент ε, определяющий долю использования ветряной энергии конструкцией ветряка. Максимальная величина, создаваемая быстроходными конструкциями, составляет 40-50%;
• КПД редуктора -∙максимум порядка 90%;
• КПД генератора ≈85%.

Величины всех этих коэффициентов у разных моделей генераторов ветряков сильно отличаются между собой. Я привел значения для промышленных изделий. У самодельщиков они будут значительно ниже.

Если подставить все эти цифры, то даже для заводской конструкции ветрогенератора, сделанной по точным чертежам и на промышленных станках, мы сможем при скорости 5 м/сек и описываемой площадью лопастями винта 3 метра квадратных получить меньше 700 ватт электрической энергии.

Какую ее часть сможет взять самодельный ветряк, остается только догадываться.

Мировые производители ветрогенераторов указывают, что для того, чтобы вырабатывать 3 кВт электроэнергии, а это оптимальная величина для частного дома, необходимо:

• снимать с ветряного колеса порядка 5,1 кВТ;
• иметь диаметр ротора 4,5 метра;
• располагать ветряк на высоте от 12 метров;
• использовать ветер со скоростью 10 м/сек.

Колесо должно начинать вращать генератор уже на 2 м/сек. Только в этом случае можно говорить об окупаемости всей конструкции и эффективном использовании мощности ветра.

Если же скорость снизится, хотя бы до 7 м/сек, то энергия ветрогенератора упадет на 50%. А теперь еще раз внимательно посмотрите на карту ветров России…

Однако не все так плохо. Теоретические расчеты можно проверить на практике. Для нашего случая продажа предлагает многочисленные конструкции измерительных приборов - анемометры.

Стоят они не дорого, имеют дополнительные функции измерения температуры, указания текущего времени. Их можно заказать в Китае.

Такой анемометр позволяет реально оценить силу ветра на вашей местности, чтобы проанализировать варианты эксплуатации будущей ветроэлектростанции (ВЭС). А их минимум 2:

1. частичное удовлетворение потребностей в электроэнергии;
2. полный переход на альтернативную энергетику.

Скрытая ошибка - слабый ветер: что умалчивают продавцы

Первая трудность

Обратите внимание на высоту размещения ветряного колеса относительно земли. Подумайте, почему все промышленные ветряки располагают от 25 метров и более.

Ведь это значительно усложняет их установку, эксплуатацию, обслуживание, ремонт. Приходится применять дорогую высотную технику, создавать прочные площадки для ее размещения.

А ответ прост: на высоте от 25 метров скорость ветра намного выше, чем у земли. Все таблицы и справочники с картами ветров создаются в первую очередь для промышленных установок, поднятых в зону 50-70м.

Если вы смонтируете свой самодельный ветрогенератор на 10 метрах, то ветер будет дуть слабее, чем указано в справочнике. А на большую высоту без специальных технических средств поместить ветряк весьма проблематично.

Работу ветряного колеса вызывает не столько скорость передвижения воздушной массы, сколько ее давление на лопасти колеса. А оно зависит еще от веса и плотности атмосферы.

Альтернативные энергетики давно учитывают соотношение, определяющее, что удвоение давления ветра увеличивает в восемь раз вырабатываемую ветрогенератором мощность.

Как влияет зона турбулентности

Работу ветряка, расположенного на небольшой высоте, может значительно осложнять зона турбулентности, которая зависит не только от рельефа местности и формы возвышенности, но и от скорости перемещения воздушных масс.

Молниезащита ветрогенератора

Работающая крыльчатка постоянно трется о воздух, накапливая статическое электричество, как и фюзеляж любого самолета во время полета. Авиаконструкторы успешно решают этот вопрос различными способами.

Промышленные ветрогенераторы тоже снабжены действенной защитой от молнии, разряды которой могут возникнуть в любой момент грозоопасного периода.

Большинство же владельцев частных домов даже не задумывается об этой проблеме, а зря. В лучшем случае у отдельных хозяев можно встретить , чего явно не достаточно.

Подняв над крышей своего жилища железную конструкцию, которая к тому же вырабатывает электрическое напряжение, они уже создали отличный молниеприемник. Он будет надежно притягивать на себя огромные токи атмосферных разрядов.

Если не обеспечить действенный путь их отвода мимо здания на потенциал земли, то придется постоянно испытывать судьбу, подвергать себя неожиданной опасности.

Как лукавят производители ветряков

Окончательные испытания заводские модели проходят в аэродинамической трубе при идеальной ламинарности потока с равномерной структурой его направленности и высокой плотности.

В реальных условиях частного дома таких условий просто нет. Они больше подходят для движения воздушных масс у промышленных установок, расположенных на большой высоте.

Для самодельных ветрогенератов, смонтированных даже на 10 метрах, условия турбулентности и слабый ветер могут сильно ограничивать раскрутку ротора.

Рельеф местности влияет на удельную мощность. Например, непосредственно под холмом она резко снижается, а на его вершине создаются идеальные условия за счет сжатия аэродинамических характеристик и повышения давления.

Также будут сказываться хозяйственные застройки, деревья сада, заборы, соседние здания.

Ветряки для дома своими руками: обзор конструкций

Как вы уже поняли, самая первая часть, которая воспринимает энергию ветра - это ветряное колесо. Без него не обходится ни одна схема ветряка для дома.

Его можно выполнить:

• с вертикальной осью вращения;
• или горизонтальной.

Вертикальный ветрогенератор

Покажу фотографией одну из легких для изготовления конструкций, сделанную из обычной стальной бочки.

Вот такой вертикальный ветрогенератор, изготовленный своими руками, да еще расположенный над самой землей в окружении застроек и растений, не сможет развить нормальных оборотов для выработки достаточного количества электроэнергии, чтобы питать частный дом.

Он сможет выполнять только какие-то единичные задачи для маломощного оборудования. Причем небольшая скорость вращения его ротора потребует обязательного использования повышающего редуктора, а это дополнительные потери энергии.

Такие конструкции были популярны в начале прошлого века на пароходах. Водяное колесо, расположенное своими лопастями вдоль направления движения судна, обеспечивало его движение.

Сейчас это раритет, утративший свою актуальность. В авиации такая конструкция не то что не прижилась, а даже не рассматривалась.

Из тихоходных конструкций ветряных колес сейчас через интернет массово распространяют ротор Онипко. Рекламщики показывают его вращение даже при очень слабом ветре.

Однако к этой разработке у меня почему-то тоже критическое отношение, хотя повторить ее своими руками не так уж и сложно. Восторженных отзывов среди покупателей не нашел, как и научных расчетов экономической целесообразности ее использования.

Если кто-то из читателей сможет меня разубедить в этом мнении, то буду признателен.

С самого начала двигатели самолетов стали применять винт, прогоняющий поток воздуха вдоль корпуса самолета. Его форму и конструкцию выбирают так, чтобы использовать дополнительно к активной силе давления реактивную составляющую.

По этому принципу работает любой горизонтальный ветрогенератор, который делают промышленным способом или своими руками. Пример самодельной конструкции показываю фотографией.

По принципу использования энергии ветра это более эффективная конструкция, а по исполнению для обеспечения бытовых вопросов снабжения электроэнергией - маломощная.

Небольшой электродвигатель, ротор которого раскручивает ветряк, может даже при оптимальном давлении и силе ветра, выработать в качестве генератора только . На нее можно подключить слабенькую светодиодную лампочку.

Подумайте сами, нужно ли собирать такой флюгер с подсветкой или не стоит. С другими задачи подобная конструкция не справится. Хотя ее еще можно использовать для отпугивания кротов на участке. Они очень не любят шумы, сопровождаемые вращением металлических частей.

Для того, чтобы полноценно пользоваться электроэнергией, получаемой от ветра, рабочее колесо ветрогенератора должно иметь соответствующие потребляемой мощности размеры. Рассчитывайте примерно на пятиметровый диаметр.

При его создании вы столкнетесь с технической трудностью: вам придется точно выдержать балансировку больших деталей. Центр масс должен постоянно находиться в средней точке оси вращения.

Это сведет к минимуму биения подшипников и раскачивание конструкции, расположенной на большой высоте. Однако выполнить подобную балансировку не так уж просто.

Как установить ветрогенератор: надежная схема мачты для крепления на высоте

Вес рабочего колеса для нормального получения электрической энергии получается довольно приличным. На простой стойке его не установить.

Потребуется создавать прочный бетонный фундамент под металлическую мачту и анкерные болты оттяжек. Иначе вся собранная с большим трудом конструкция может рухнуть в любой неподходящий момент времени.

Стойка для ветрогенератора, поднятого на высоту, может быть выполнена:

1. в виде сборной мачты, собранной из секций с раскосами;
2. или конусной трубчатой опорой.

Обе схемы потребуют усиления от опрокидывания за счет создания нескольких ярусов оттяжек из тросов, которые необходимы для удержания мачты при шквальных порывах ветра. Их придется надежно крепить к стопорам и анкерам.

Из личного неудачного опыта: во время пользования аналоговым телевидением у меня работала антенна «Паутинка» с диаметром обруча 2м. Она располагалась на высоте 8 метров, была закреплена на деревянном шесте с двумя уровнями оттяжек. Шквальные порывы ветра ее раскачали так, что стойка развалилась.

Современное цифровое телевидение, к счастью, требует использования антенн значительно меньших размеров. Их не только , но и крепить не так уж сложно.

Как сделать мачту для ветряка

Сразу обратите внимание на создание прочной, безаварийной конструкции. Иначе просто повторите печальный опыт работников «ЯнтарьЭнерго», у которых во время шторма произошла авария: многотонная мачта рухнула, а осколки от лопастей разлетелись по всей округе.

Устройство мачты потребует расчета количества материалов, необходимых для создания сооружения из стального уголка различного сечения. Форма и габариты выбираются по местным условиям.

Ее делают из трех или четырех вертикальных стоек. Каждая из них снизу монтируется на упор. Вверху мачты создается площадка для установки ветряка.

Поскольку длина уголков ограничена, то мачту собирают из нескольких секций. Жесткость общему креплению придают боковые ребра, крепящиеся через раскосы.

Обязательным элементом фундамента являются закладные металлические элементы. Они будут использоваться для крепежа деталей. Придется позаботиться о сварке и соединительных болтах.

Не стоит пренебрегать дополнительными оттяжками.

Как сделать опору из труб

Телескопическую конструкцию из стальных труб соответствующего профиля собрать проще, но ее следует более тщательно рассчитать на прочность. Изгибающий момент, создаваемый тяжелой верхушкой при штормовом ветре не должен превысить критического значения.

При этом возникнут сложности с профилактическим обслуживанием, осмотром и ремонтом собранной воздушной электростанции. Если по мачте можно подняться на высоту как по лестнице, то по трубе это сделать проблематично. Да и работать наверху очень опасно.

Поэтому сразу необходимо продумать вариант безопасного опускания оборудования на землю и доступного способа его подъема. Это позволяет выполнить одна из двух схем с:

1. Поворотной осью на основной опоре.
2. Упорным рычагом на нижней части опорной стойки.

В первом случае создается прочный фундамент для установки основной опоры. На ее оси вращения крепится сваренная трубная конструкция с ветряком и полиспастной системой на стальных тросах.

Снизу трубы расположен противовес, облегчающий работу по подъему и опусканию с помощью ручной лебедки.

На картинке не показаны страховочные тросы поясов оттяжек. Они просто свисают со своих креплений вниз на землю при подъеме и опускании мачты, а к стационарным забетонированным кольям крепятся для постоянной работы.

Схема установки и опускания ветряка по второму варианту приведена ниже.

Мачту и расположенный под прямым углом к ней упорный рычаг с противовесом, усиленный ребром жесткости, поворачивают в вертикальном направлении лебедкой с полиспастной системой.

Ось вращения созданной конструкции находится в вершине прямого угла и закреплена в направляющих, вмонтированных в фундамент. Троса оттяжек при подъеме или опускании мачты снимают со стационарных креплений на земле. Они могут использоваться в качестве страховочных фал.

Ветрогенератор: устройство и принцип работы электрической схемы простыми словами

Промышленные ветряные электростанции спроектированы так, что способны сразу выдавать электрическую энергию в сеть потребителям. Своими руками так сделать не получится.

При выборе генератора, который будет раскручивать ветряное колесо, используют принцип обратимости электрических машин. К электродвигателю прикладывают крутящий момент и обеспечивают возбуждение обмоток статора.

Однако, идея раскручивать ротор трехфазного асинхронного электродвигателя в качестве генератора для получения электрического тока напряжением 220/380 вольт реализуется от двигателей внутреннего сгорания, напора воды, но не ветра.

Общая конструкция генератора с ротором станет иметь большой вес, а иначе обеспечить высокие обороты вала не получится.

Для небольших мощностей можно:

• использовать автомобильный генератор, который выдает 12/24 вольта;
• применить мотор колесо от электробайка;
• собрать
  конструкцию из неодимовых магнитов с катушками из медной проволоки.

Также за основу можно взять ветряк, продаваемый в Китае. Но ему необходимо сразу провести ревизию: обратить внимание на качество монтажа обмоток, состояние подшипников, прочность лопастей, общую балансировку ротора.

Придется настроиться на то, что генератора будет сильно меняться в зависимости от скорости ветра. Поэтому в качестве промежуточного звена используют аккумуляторы.

Их зарядку необходимо возложить на контроллер.

Бытовые приборы сети 220 вольт должны от специального преобразователя - инвертора. Простейшая схема домашней ветряной электростанции имеет следующий вид.

Ее можно значительно упростить потому, что бытовая цифровая электроника: компьютеры, телевизоры, телефоны работают от постоянного тока блоков питания 12 вольт.

Если их исключить из работы и запитать цифровое оборудование непосредственно от аккумуляторов, то потери электрической энергии сократятся за счет отмены двойного преобразования в инверторе и блоках.

Внутри электрической схемы придется соблюдать такой же баланс мощностей, как и в механической конструкции. Каждая подключенная нагрузка должна соответствовать энергетическим характеристикам вышестоящего источника.

Бытовые приборы 220 вольт не должны перегружать инвертор. Иначе он будет отключаться от встроенной защиты, а при ее неисправности просто сгорит. По этому же принципу работают аккумуляторные батареи, силовые контакты контроллера, да и сам генератор.

Защита автоматическим выключателем домашней ветряной установки должна быть выполнена в обязательном порядке.

Для этого его необходимо , проверить и наладить.

Случайную перегрузку, а тем более появление тока короткого замыкания предусмотреть невозможно. Поэтому этот модуль обязательно устанавливают в качестве основной защиты.

Схема подключения аккумуляторов, инвертора и контроллера для ветрогенератора практически ничем не отличается от той, что используется на гелиостанциях со световыми панелями.

Поэтому сразу напрашивается разумный вывод: собирать комбинированную домашнюю электростанцию, работающую от энергии ветра и солнца одновременно. Эти два источника вместе хорошо дополняют друг друга, а затраты на сборку одиночных станций значительно снижаются.

На Ютубе очень много каналов посвящено ветрогенераторам для дома. Мне понравилась работа владельца «Солнечные батареи». Считаю, что он довольно объективен при изложении этой темы. Поэтому рекомендую внимательно посмотреть.

Аккумуляторы для ветрогенератора: еще одна проблема для владельца дома

Одна из затратных задач ветряной или солнечной электростанции - вопрос хранения электрической энергии, которую решают только аккумуляторы. Их придется покупать и обновлять, а стоимость - довольно высокая.

Для их выбора необходимо знать рабочие характеристики: напряжение и емкость. Обычно применяются составные батареи из АКБ на 12 V, а количество ампер-часов в каждом конкретном случае стоит определить опытным путем, исходя из мощности потребителей, времени их работы.

Выбирать аккумуляторы для ветрогенератора придется из довольно широкого ассортимента. Ограничусь не полным обзором, а только четырьмя
популярными типами кислотных АКБ:

1. обычные стартерный автомобильные;
2. AGM типа;
3. гелевые;
4. панцирные.

• при хранении на морозе должны выдерживать огромные токи стартера, которые создаются при раскрутке холодного двигателя;
• во время езды подвергаются вибрациям и тряске;
• подзарядка происходит в буферном режиме от генератора
  при движении авто с различными оборотами двигателя.

При этом:

• обслуживаемые АКБ, требующие периодического уровня электролита и доливки дистиллированной воды, созданы для выдерживания 100 циклов разряд/заряд;
• не обслуживаемые - имеют более сложную конструкцию и количество циклов 200.

Однако АКБ ветрогенератора при эксплуатации внутри дома:

• обычно помещаются в подвальном помещении, где температура, круглогодично поддерживаемая на уровне +5÷+10 градусов, является оптимальной;
• не подвергаются тряскам и вибрациям, стационарно
  установлены в неподвижном состоянии;
• не получают экстремальные нагрузки при стартерном запуске, а при включении бытовых приборов через инвертор работают в щадящем режиме;
• заряжаются от генератора небольшими токами, которые благоприятно действуют на режим десульфатации пластин.

Все это является самыми выгодными условиями для их эксплуатации. Поэтому этот вариант предлагаю взять на заметку тем, кому не лень периодически контролировать напряжение на банках и следить за уровнем
электролита в них.

Более сложные по устройству. У них такие же пластины, но кислотой пропитаны стеклянные маты, работающие одновременно диэлектрическим слоем. Их цикл разряда/заряда - 250÷400. Перезаряд опасен.

Голевые АКБ тоже создаются необслуживаемой конструкцией с герметичным корпусом и загущенным до состояния геля электролитом. Они очень не любят перезаряд, но более стойки к глубокому разряду. Число расчетных циклов -350.

Относятся к самым современным разработкам. Их электродные пластины защищены полимерами от воздействия кислоты. Диапазон циклов эксплуатации: 900÷1500.

Все эти четыре типа АКБ значительно отличаются по цене и условиям эксплуатации. Если взять во внимание рекомендации продавцов, то придется выложить довольно приличную сумму денег.

У него на этот счет свое, противоположное мнение. Как вы отнесетесь к нему - ваше личное дело. Однако, знать информацию из противоположных источников и выбрать из нее наиболее подходящий вариант: оптимальное решение для думающего человека.

Как рассчитать экономический эффект: цена ветрогенератора

Одним из маркетинговых ходов продавцов являются прайс листы,
показывающие расчеты экономии покупателей, создаваемой за счет приобретения их продукции. Стоит ли им верить?

Я предлагаю вам самостоятельно оценить экономическую выгоду от установки ветряной электростанции на вашем участке. Для этого потребуется учесть минимум расход денег на:

1. возведение фундамента под мачту, на который пойдет немало бетона и металлический арматуры;
2. создание высотной опоры для установки
   ветроколеса в зоне благоприятного давления ветра. Сюда войдут не только
   металлические уголки, трубы и крепежные детали со сваркой, но и затраты на весь монтаж;
3. цену приобретения готового ветрогенератора или
   его изготовление в домашних условиях;
4. покупку инвертора, контроллера, аккумуляторов, защитных модулей, кабелей и проводов. Учтите, что лет за 10-12 комплект АКБ придется сменить несколько раз;
5. эксплуатационные расходы на профилактическое обслуживание и ремонт;
6. решение ряда организационных вопросов.

Практика использования ветряных станций показала, что тихо они не работают, а постоянные вибрации и шумы ветрогенератора раздражают ближайших соседей. Иногда придется решать вопросы через суд.

К тому же в область вращающегося колеса иногда попадают птицы: пластиковые лопасти ломаются, металлические гнутся. Требуется надежная защита и резервный комплект запасных частей.

Можно даже допустить, что лет 10 все будет работать надежно и эффективно, хотя про скорость ветра я объяснил довольно подробно в самом
начале статьи.

Когда рассчитаете все эти затраты (сделайте поправку на часть непредвиденных расходов), то прикиньте цену 1 киловатта электроэнергии, которую вы платите по счетчику сейчас.

Умножьте ее на то количество киловатт, на которое создаете ветряную станцию, например на 3. Дальше останется определить период времени для сравнения.

Возьмем за основу время, за которое предварительно планируете окупить свои затраты, например, 15 лет эксплуатации. Оплату 3 кВТ в час надо умножить на этот срок, выраженный в часах, и сравнить со стоимостью затрат на создание и эксплуатацию ВЭС за этот же период.

Оценка очень приблизительная, цены плавают, но расчет для моего случая показал, что проще оплачивать электроэнергию государству. Затраты будут ниже в 4 раза.

Считаю, что ветрогенератор для частного дома своим руками создать можно. Примеров его работы много. Однако, надо хорошо продумать целесообразность его использования, обосновать экономическую пользу.

Без точного предварительного расчета деньги на его создание в прямом смысле могут быть пущены на ветер и не принесут никакой выгоды владельцу. Если я ошибся в прогнозах, то поправьте в комментариях.

Учтите, что ваш опыт интересует не только меня, но и большое количество других людей. Он принесет пользу и им.

Ветряки – перспективная альтернатива для традиционной энергетики. Энергия ветра, преобразованная в электричество, обещает стать дешёвой, просто добываемой и малозатратной. А если брать во внимание счета, которые приходят сейчас за электричество, то в целях экономии стоит попытаться собрать собственный ветрогенератор, согласны?

Есть реальные примеры создания установок, вырабатывающих приличный объем энергии. Тем не менее возможности ветряков пока существенно опережают конкурентов, способных противостоять традиционному способу добычи электричества.

Мы представили руководство, следуя которому вы сможете собрать ветрогенератор из автомобильного генератора своими руками. В предложенной к ознакомлению статье подробно разобраны распространенные ошибки, которые допускают при конструировании ветряков. Для наглядности статья сопровождается тематическими фото- и видеоматериалами.

Особый интерес к ветряной энергии проявляется на уровне бытовой сферы. Это понятно, если краем глаза взглянуть на очередной счёт за потреблённую энергию. Поэтому разного рода умельцы активизируются, используя все возможности получения электричества недорого.

Одна из таких возможностей, вполне реальная, тесно связана с ветряком из автомобильного генератора. Уже готовый прибор – автомобильный генератор – достаточно лишь оснастить , чтобы иметь возможность снимать с клемм генератора какое-то значение электрической энергии.

Правда эффективно работать он будет лишь при условии наличия ветреной погоды.

Пример из практики бытового применения ветряных генераторов. Удачно разработанная и вполне эффективная практическая конструкция ветряка. Установлен трёхлопастной винт, что редкость для бытовых аппаратов

Использование фактически любого автомобильного генератора приемлемо для конструирования ветряка. Но подобрать для дела обычно стараются модель мощную, способную выдавать большие токи. Здесь на пике популярности конструкции генераторов от грузовых автомобилей, крупных пассажирских автобусов, тракторов и т.п.

Помимо генератора для изготовления ветряка потребуется ещё ряд комплектующих деталей:

• винт двух- или трёх- лопастной;
• автомобильный аккумулятор;
• электрический кабель;
• мачта, элементы опоры, крепёж.

Конструкция винта на две или три лопасти считается наиболее оптимальной для классического ветряного генератора. Но бытовой проект зачастую далёк от инженерной классики. Поэтому чаще всего на домашнюю конструкцию стараются подобрать уже готовые винты.

Крыльчатка от вентилятора легкового автомобиля, которая будет использована в качестве винта ветряной домашней установки. Лёгкость и большая полезная площадь для воздушной силы позволяют применять такие варианты

Таким, к примеру, может стать крыльчатка от внешнего блока сплит-системы кондиционирования воздуха или от вентилятора того же автомобиля. Но когда есть желание следовать традициям конструирования ветрогенераторов, придётся сооружать пропеллер ветряка от начала до конца своими руками.

Перед принятием решения о сборке и установке ветрогенератора стоит оценить климатические данные участка и рассчитать окупаемость. Существенную помощь в этом окажет информация весьма , рекомендуемой нами к ознакомлению.

Технология сборки ветрогенератора

Оптимальной основой для генератора домашнего ветряка видится модель АТ-700, взятая от трактора серии ДТ. Правда этот тракторный генератор в его изначальном виде рассчитан на частоту вращения ротора до 6000 об/мин. Под конструкцию домашнего ветряка такой параметр явно чрезмерный.

Есть два выхода из положения:

1. Применить какой-нибудь редуктор-мультипликатор, дающий требуемое передаточное отношение.
2. Перемотать существующую обмотку статора АТ-700 под малые обороты.

В принципе, оба варианта модернизации прибора достижимы. Но, судя по отзывам состоявшихся конструкторов, вариант с перемоткой обмотки статора более приемлем. Тем более если учитывать вес самого генератора АТ-700, достигающий 6 кг.

Тракторный генератор АТ-700. Многочисленные проекты в бытовой сфере разрабатывались на базе именно этого устройства, обладающего высокой отдачей по току. Но требуется небольшая модернизация

Если прибор дополнить редуктором, вес общего модуля увеличится вдвое. А это важный параметр для конструкции ветряка. Вес всегда стремятся уменьшить.

При использовании в конструкции ветряка генератора К 701 потребуется некоторая модернизация:

Галерея изображений

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.