Саморобний вітрогенератор для дому та дачі: принципи роботи, схеми, який і як робити

Росія по відношенню до вітроенергетичних ресурсів займає двояке становище. З одного боку, завдяки величезній загальної площі і достатку рівнинних місцевостей вітру в цілому багато, і він здебільшого рівний. З іншого - наші вітри переважно низько потенційного, повільні, див. Рис. З третього, в мало обжитих місцевостях вітри буйні. Виходячи з цього, завдання завести на господарстві вітрогенератор цілком актуальна. Але, щоб вирішити - купувати досить дорогий пристрій, або зробити його своїми руками, потрібно як слід подумати, який тип (а їх дуже багато) для якої мети вибрати.

Вітроенергетичні ресурси Росії

Основні поняття

1. КВЕВ - коефіцієнт використання енергії вітру. У разі застосування для розрахунку механістичної моделі плоского вітру (див. Далі) він дорівнює ККД ротора вітросилової установки (ЗСУ).
2. ККД - наскрізний ККД ВСУ, від набігаючого вітру до клем електрогенератора, або до кількості накачаної в бак води.
3. Мінімальна робоча швидкість вітру (МРС) - швидкість його, при якій вітряк починає давати струм в навантаження.
4. Максимально допустима швидкість вітру (МДС) - його швидкість, при якій вироблення енергії припиняється: автоматика або відключає генератор, або ставить ротор під флюгер, або складає його і ховає, або ротор сам зупиняється, або ВСУ просто руйнується.
5. Стартова швидкість вітру (ССВ) - при такій його швидкості ротор здатний провернутися без навантаження, розкрутитися і увійти в робочий режим, після чого можна включати генератор.
6. Негативна стартова швидкість (ОСС) - це означає, що ВСУ (або ВЕУ - вітроенергетична установка, або ЗЕА, вітроенергетичний агрегат) для запуску при будь-якій швидкості вітру вимагає обов'язкової розкрутки від стороннього джерела енергії.
7. Стартовий (початковий) момент - здатність ротора, примусово загальмованого в потоці повітря, створювати обертовий момент на валу.
8. Вітродвигун (ВД) - частина ВСУ від ротора до валу генератора або насоса, або іншого споживача енергії.
9. Роторний вітрогенератор - ВСУ, в якій енергія вітру перетворюється на обертальний момент на валу відбору потужності за допомогою обертання ротора в потоці повітря.
10. Діапазон робочих швидкостей ротора - різниця між МДС і МРС при роботі на номінальне навантаження.
11. Тихохідний вітряк - в ньому лінійна швидкість частин ротора в потоці істотно не перевищує швидкість вітру або нижче її. Динамічний напір потоку безпосередньо перетворюється в тягу лопаті.
12. Швидкохідний вітряк - лінійна швидкість лопатей істотно (до 20 і більше разів) вище швидкості вітру, і ротор утворює свою власну циркуляцію повітря. Цикл перетворення енергії потоку в тягу складний.

Примітки:

1. Тихохідні ВСУ, як правило, мають КВЕВ нижче, ніж швидкохідні, але мають стартовий момент, достатній для розкрутки генератора без відключення навантаження і нульову ССВ, тобто абсолютно самозапускающійся і застосовні при найслабших вітрах.
2. Тихохідність і швидкохідні - поняття відносні. Побутовий вітряк на 300 об / хв може бути тихохідним, а потужні ВСУ типу EuroWind, з яких набирають поля вітроелектростанцій, ВЕС (див. Рис.) І ротори яких роблять близько 10 об / хв - швидкохідні, тому що при такому їхньому діаметрі лінійна швидкість лопатей і їх аеродинаміка на більшій частині розмаху - цілком «літакові», див. далі.

Який потрібен генератор?

Електричний генератор для вітряка побутового призначення повинен виробляти електроенергію в широкому діапазоні швидкостей обертання і мати здатність самозапуска без автоматики і зовнішніх джерел живлення. У разі використання ВСУ з ОСС (вітряки з розкручуванням), що володіють, як правило, високими КВЕВ і ККД, він повинен бути і оборотним, тобто вміти працювати і як двигун. При потужностях до 5 кВт цій умові задовольняють електричні машини з постійними магнітами на основі ніобію (супермагнітами); на сталевих або феритових магнітах можна розраховувати не більше ніж на 0,5-0,7 кВт.

Примітка: асинхронні генератори змінного струму або колекторні з ненамагніченим статором не годяться зовсім. При зменшенні сили вітру вони «згаснуть» задовго до того, як його швидкість впаде до МРС, і потім самі не запустяться.

Відмінне «серце» ВСУ потужністю від 0,3 до 1-2 кВт виходить з автогенератора змінного струму з вбудованим випрямлячем; таких зараз більшість. По-перше, вони тримають вихідна напруга 11,6-14,7 В в досить широкому діапазоні швидкостей без зовнішніх електронних стабілізаторів. По-друге, кремнієві вентилі відкриваються, коли напруга на обмотці досягне приблизно 1,4 В, а до цього генератор «не бачить» навантаження. Для цього генератор потрібно вже досить пристойно розкрутити.

У більшості випадків автогенератор можна безпосередньо, без зубчастої або пасової передачі, з'єднати з валом швидкохідного ВД, підібравши обертів вибором кількості лопатей, див. Нижче. «Бистроходкі» мають малий або нульовий стартовий момент, але ротор і без відключення навантаження встигне достатньо розкрутитися, перш ніж вентилі відкриються і генератор дасть струм.

Вибір за вітром

Перш ніж вирішувати, який зробити вітрогенератор, визначимося з місцевою Аерології. (безветренных) областях ветровой карты хоть какой-то толк будет лишь от парусного ветродвигателя (и них далее поговорим). У сіро-зелених (тихих) областях вітрової карти хоч якийсь толк буде лише від вітрильного вітродвигуна (і них далі поговоримо). Якщо необхідно постійне енергопостачання, то доведеться додати бустер (випрямляч зі стабілізатором напруги), зарядний пристрій, потужну акумуляторну батарею, інвертор 12/24/36/48 В постоянки в 220/380 В 50 Гц змінного струму. Обійдеться таке господарство ніяк не менше $ 20.000, і зняти довгостроковий потужність більше 3-4 кВт навряд чи вийде. Загалом, при непохитному прагненні до альтернативної енергетики краще пошукати інший її джерело.

желто-зеленых , слабоветренных местах, при потребности в электричестве до 2-3 кВт самому можно взяться за тихоходный вертикальный ветрогенератор . У жовто-зелених, слабоветренной місцях, при потребі в електриці до 2-3 кВт самому можна взятися за тихохідний вертикальний вітрогенератор. Їх розроблено несть числа, і є конструкції, по КВЕВ і ККД майже не поступаються «лопастнікам» промислового виготовлення.

Якщо ж ВЕУ для будинку передбачається купити, то краще орієнтуватися на вітряк з вітрильним ротором. Суперечок і них багато, і в теорії поки що не все ясно, але працюють. У РФ «вітрильники» випускають в Таганрозі на потужність 1-100 кВт.

, ветреных, регионах выбор зависит от потребной мощности. У червоних, вітряних, регіонах вибір залежить від потрібної потужності. В діапазоні 0,5-1,5 кВт виправдані саморобні «вертикалки»; 1,5-5 кВт - покупні «вітрильники». «Вертікалка» теж може бути покупної, але обійдеться дорожче ВСУ горизонтальної схеми. І, нарешті, якщо потрібно вітряк потужністю 5 кВт і більше, то вибирати потрібно між горизонтальними покупними «лопастнікамі» або «вітрильниками».

Примітка: багато виробників, особливо другого ешелону, пропонують комплекти деталей, з яких можна зібрати вітрогенератор потужністю до 10 кВт самостійно. Обійдеться такий набір на 20-50% дешевше готового з установкою. Але перш покупки потрібно уважно вивчити Аерології передбачуваного місця установки, а потім по специфікаціям підібрати відповідні тип і модель.

Про безпеку

Деталі вітродвигуна побутового призначення в роботі можуть мати лінійну швидкість, що перевершує 120 і навіть 150 м / с, а шматочок будь-якого твердого матеріалу вагою в 20 г, що летить зі швидкістю 100 м / с, при «вдалому» попаданні вбиває здорового мужика наповал. Сталева, або з жорсткого пластика, пластина товщиною 2 мм, що рухається зі швидкістю 20 м / с, розсікає його ж навпіл.

Крім того, більшість вітряків потужністю понад 100 Вт досить сильно шумлять. Багато породжують коливання тиску повітря наднизької (менше 16 Гц) частоти - інфразвуки. Інфразвуки нечутні, але згубні для здоров'я, а поширюються дуже далеко.

Примітка: в кінці 80-х в США був скандал - довелося закрити найбільшу на той момент в країні ВЕС. Індіанці з резервації в 200 км від поля її ВСУ довели в суді, що різко почастішали у них після введення ВЕС в експлуатацію розлади здоров'я обумовлені її інфразвуками.

В силу зазначених вище причин установка ЗСУ допускається на відстані не менше 5 їх висот від найближчих житлових будівель. У дворах приватних домоволодінь можна встановлювати вітряки промислового виготовлення, відповідним чином сертифіковані. На дахах ставити ВСУ взагалі не можна - при їх роботі, навіть у малопотужних, виникають знакозмінні механічні навантаження, які викликають резонанс будівельної конструкції і її руйнування.

Примітка: висотою ВСУ вважається найвища точка ометаемую диска (для лопатевих роторів) або геомеріческой фігури (для вертикальних ВСУ з ротором на держаку). Якщо щогла ВСУ або вісь ротора виступають вгору ще вище, висота вважається за їх топу - верхівці.

Вітер, аеродинаміка, КВЕВ

Саморобний вітрогенератор підпорядковується тим же законам природи, що і заводський, розрахований на комп'ютері. І самодельщиков основи його роботи потрібно розуміти дуже добре - в його розпорядженні найчастіше немає дорогих суперсучасних матеріалів і технологічного обладнання. Аеродинаміка ж ВСУ ох як непроста ...

Вітер і КВЕВ

Для розрахунку серійних заводських ВСУ використовується т. Зв. плоска механістична модель вітру. В її основі наступні припущення:

• Швидкість і напрямок вітру постійні в межах ефективної поверхні ротора.
• Повітря - суцільне середовище.
• Ефективна поверхня ротора дорівнює захоплюваної площі.
• Енергія повітряного потоку - чисто кінетична.

При таких умовах максимальну енергію одиниці об'єму повітря обчислюють за шкільною формулою, вважаючи щільність повітря при нормальних умовах 1,29 кг * куб. м. При швидкості вітру 10 м / с один куб повітря несе в собі 65 Дж, і з одного квадрата ефективної поверхні ротора можна, при 100% ККД всієї ВСУ, зняти 650 Вт. Це дуже спрощений підхід - все знають, що вітер ідеально рівним не буває. Але на це доводиться йти, щоб забезпечити повторюваність виробів - звичайне в техніці справа.

Плоску модель ігнорувати не слід, вона дає чіткий мінімум доступною енергії вітру. Але повітря, по-перше, стискаємо, по-друге, дуже текучий (динамічна в'язкість всього 17,2 мкПа * с). Це означає, потік може обтікати ометаемую площа, зменшуючи ефективну поверхню і КВЕВ, що найчастіше і спостерігається. Але в принципі можлива і зворотна ситуація: вітер стікається до ротора і площа ефективної поверхні тоді виявиться більше захоплюваної, а КВЕВ - більше 1 щодо його ж для плоского вітру.

Наведемо два приклади. Перший - прогулянкова, досить грунтовна, яхта може йти не тільки проти вітру, але і швидше його. Вітер мається на увазі зовнішній; вимпельний вітер все одно повинен бути швидше, інакше як він судно потягне?

Другий - класика авіаційної історії. На випробуваннях МІГ-19 виявилося, що перехоплювач, який був на тонну важче фронтового винищувача, по швидкості розганяється швидше. З тими ж двигунами в тому ж планері.

Теоретики не знали, що й думати, і серйозно засумнівалися в законі збереження енергії. Зрештою виявилося - справа в виступаючому з повітрозабірника конусі обтічника РЛС. Від його носка до обечайке виникало ущільнення повітря, як би згрібає його зі сторін до компресорів двигунів. З тих пір ударні хвилі міцно увійшли в теорію як корисні, і фантастичні льотні дані сучасних літаків в чималому ступені обумовлені їх вмілим використанням.

аеродинаміка

Розвиток аеродинаміки прийнято ділити на дві епохи - до Н. Г. Жуковського і після. Його доповідь «Про приєднані вихори» від 15 листопада 1905 року став початком нової ери в авіації.

До Жуковського літали на поставлених плазом вітрилах: вважалося, що частинки набігаючого потоку віддають весь свій імпульс передній крайці крила. Це дозволяло відразу позбутися векторної величини - моменту кількості руху - породжувала зубодробильну і найчастіше неаналітичних математику, перейти до куди більш зручним скалярним чисто енергетичним співвідношенням, і отримати в результаті розрахункова поле тиску на несучу площину, більш-менш схоже на справжнє.

Такий механістичний підхід дозволив створити апарати, здатні хоч якось піднятися в повітря і зробити переліт з одного місця в інше, не обов'язково грохнувшісь на землю десь по дорозі. Але прагнення збільшити швидкість, вантажопідйомність і інші льотні якості все більше виявляло недосконалість первісної аеродинамічній теорії.

Ідея Жуковського була така: уздовж верхньої і нижньої поверхонь крила повітря проходить різний шлях. З умови безперервності середовища (бульбашки вакууму самі по собі в повітрі не утворюються) слід, що швидкості верхнього і нижнього потоків, що сходять з задньої кромки, повинні відрізнятися. Внаслідок нехай малою, але кінцевою в'язкості повітря там через різницю швидкостей повинен утворитися вихор.

Вихор обертається, а закон збереження кількості руху, так само непорушний, як і закон збереження енергії, справедливий і для векторних величин, тобто повинен враховувати і напрям руху. Тому тут же, на задній кромці, повинен сформуватися протилежно обертається вихор з таким же обертальним моментом. За рахунок чого? За рахунок енергії, що виробляється двигуном.

Для практики авіації це означало революцію: вибравши відповідний профіль крила, можна було приєднаний вихор пустити навколо крила у вигляді циркуляції Г, що збільшує його підйомну силу. Тобто, витративши частину, а для великих швидкостей і навантажень на крило - більшу частину, потужності мотора, можна створити навколо апарату повітряний потік, що дозволяє домогтися кращих льотних якостей.

Це робило авіацію авіацією, а не частиною повітроплавання: тепер літальний апарат міг сам створювати собі потрібну для польоту середу і не бути більш іграшкою повітряних потоків. Потрібен тільки двигун потужніший, і ще й ще потужнішим ...

знову КВЕВ

Але у вітряка мотора немає. Він, навпаки, повинен відбирати енергію у вітру і давати її споживачам. І тут виходить - ноги витягнув, хвіст загруз. Пустили занадто мало енергії вітру на власну циркуляцію ротора - вона буде слабкою, тяга лопатей - малої, а КВЕВ і потужність - низькими. Віддамо на циркуляцію багато - ротор при слабкому вітрі буде на холостому ходу крутитися як скажений, але споживачам знову дістається мало: трохи дали навантаження, ротор загальмувався, вітер здув циркуляцію, і ротор став.

Закон збереження енергії «золоту середину» дає якраз посередині: 50% енергії даємо в навантаження, а на решту 50% підкручуємо потік до оптимуму. Практика підтверджує припущення: якщо ККД хорошого тягне пропелера становить 75-80%, то КВЕВ так само ретельно розрахованого і продути в аеродинамічній трубі лопатевого ротора доходить до 38-40%, тобто до половини від того, чого можна домогтися при надлишку енергії.

сучасність

Нині аеродинаміка, озброєна сучасною математикою і комп'ютерами, всі більш йде від неминуче щось та спрощують моделей до точного опису поведінки реального тіла в реальному потоці. І тут, крім генеральної лінії - потужність, потужність, і ще раз потужність! - виявляються шляхи побічні, але багатообіцяючі якраз при обмеженій кількості надходить в систему енергії.

Відомий авіатор-альтернативник Пол Маккріді ще в 80-х створив літак, з двома моторчиками від бензопили потужністю в 16 л.с. показав 360 км / ч. Причому шасі його було трьохопорним вбирається, а колеса - без обтічників. Жоден з апаратів Маккріді не вийшов на лінію і не встав на бойове чергування, але два - один з поршневими двигунами і пропелерами, а інший реактивний - вперше в історії облетіли навколо земної кулі без посадки на одній заправці.

Парусна яхта на підводних крилах

Парусов, що породили початкове крило, розвиток теорії теж торкнулося має велике значення. «Жива» аеродинаміка дозволила яхтам при вітрі в 8 узл. встати на підводні крила (див. рис.); щоб розігнати таку громадину до потрібної швидкості гребним гвинтом, потрібно двигун не менше 100 к.с. Гоночні катамарани при такому ж вітрі ходять зі швидкістю близько 30 узл. (55 км / ч).

Є і знахідки абсолютно нетривіальні. Любителі самого рідкісного і екстремальних спорту - бейсджампінгом - надівши апеціальний костюм-крило, вінгсьют, літають без мотора, маневруючи, на швидкості понад 200 км / год (рис. Праворуч), а потім плавно приземляються в заздалегідь обраному місці. В якій казці люди літають самі по собі?

Бейсджампер в відгсьюте

Розв'язалися і багато загадок природи; зокрема - політ жука. За класичною аеродинаміці, він літати не здатний. Точно так же, як і родоначальник «стелс» F-117 з його крилом ромбовидного профілю теж не здатний піднятися в повітря. А МІГ-29 і Су-27, які деякий час можуть летіти хвостом вперед, і зовсім ні в які уявлення не вкладаються.

І чому тоді, займаючись вітродвигуни, що не забавою і не знаряддям знищення собі подібних, а джерелом життєво важливого ресурсу, потрібно танцювати неодмінно від теорії слабких потоків з її моделлю плоского вітру? Чи ви не знайдеться можливості просунутися далі?

Чого очікувати від класики?

Однак від класики відмовлятися ні в якому разі не слід. Вона дає основу, що не спершись на яку не можна піднятися вище. Точно так же, як теорія множин не скасовує таблицю множення, а від квантової хромодинаміки яблука з дерев вгору не полетять.

Отже, на що можна розраховувати при класичному підході? Подивимося на малюнок. Зліва - типи роторів; вони зображені умовно. 1 - вертикальний карусельний, 2 - вертикальний прямокутний (вітряна турбіна); 2-5 - лопатеві ротори з різною кількістю лопатей з оптимізованими профілями.

Порівняння ефективності ВСУ різних типів

Справа по горизонтальній осі відкладена відносна швидкість ротора, тобто, відношення лінійної швидкості лопаті до швидкості вітру. За вертикальної вгору - КВЕВ. А вниз - знову ж відносний крутний момент. Одиничним (100%) крутним моментом вважається такою, що створює насильно загальмований в потоці ротор зі 100% КВЕВ, тобто коли вся енергія потоку перетворюється на вращающее зусилля.

Такий підхід дозволяє робити далекосяжні висновки. Скажімо, кількість лопатей потрібно вибирати не тільки і не стільки по бажаної швидкості обертання: 3- і 4-лопастнікі відразу багато втрачають по КВЕВ і обертального моменту в порівнянні з добре працюючими приблизно в тому ж діапазоні скорсть 2- і 6-лопастнікамі. А зовні схожі карусель і ортогонал мають принципово різними властивостями.

В цілому ж перевагу слід віддавати лопатевим роторам, крім випадків, коли потрібні гранична дешевизна, простота, що не обслуговує самозапуск без автоматики і неможливий підйом на щоглу.

Примітка: про вітрильних роторах поговоримо окремо - вони, схоже, в класику не вкладаються.

вертикалки

ВСУ з вертикальною віссю обертання мають незаперечну для побуту перевага: їх вузли, що вимагають обслуговування, зосереджені внизу і не потрібен підйом вгору. Там залишається, і то не завжди, наполегливо-опорний самоустановлювальний підшипник, але він міцний і довговічний. Тому, проектуючи простий вітрогенератор, відбір варіантів потрібно починати з вертікалок. Основні їх типи представлені на рис.

вертикальні вітрогенератори

ВС

На першій позиції - найпростіший, найчастіше званий ротором Савоніуса. Насправді його винайшли в 1924 р в СРСР Я. А. і О. А. Вороніни, а фінський промисловець Сігурд Савоніуса безсовісно присвоїв собі винахід, проігнорувавши радянських авторське свідоцтво, і почав серійний випуск. Але впровадження в долі винаходи значить дуже багато, тому ми, щоб не ворушити минуле і не турбувати прах покійних, назвемо цей вітряк ротором Вороніних-Савоніуса, або для стислості, ВС.

ВС для самодельщиков всім хороший, крім «паровозного» КВЕВ в 10-18%. Однак в СРСР над ним працювали багато, і напрацювання є. Нижче ми розглянемо вдосконалену конструкцію, не набагато складнішу, але по КВЕВ дає фору лопастнікам.

Примітка: дволопатевий ВС не крутиться, а смикається ривками; 4-лопатевий лише трохи плавніше, але багато втрачає в КВЕВ. Для поліпшення 4 «корита» найчастіше розносять на два поверхи - пара лопатей внизу, а інша пара, повернена на 90 градусів по горизонталі, над ними. КВЕВ зберігається, і бічні навантаження на механіку слабшають, але ізгібние кілька зростають, і при вітрі більше 25 м / с у такий ВСУ на держаку, тобто без розтягнутого Вант підшипника над ротором, «зриває башту».

Дарині

Наступний - ротор Дарині; КВЕВ - до 20%. Він ще простіше: лопаті - з простої пружної стрічки без жодного профілю. Теорія ротора Дарині ще недостатньо розроблена. Ясно тільки, що починає він розкручуватися за рахунок різниці аеродинамічного опору горба і кишені стрічки, а потім стає ніби як швидкохідних, утворюючи власну циркуляцію.

Обертальний момент малий, а в стартових положеннях ротора паралельно і перпендикулярно вітрі взагалі відсутній, тому самораскрутка можлива тільки при непарній кількості лопатей (крил?) В будь-якому разі на час розкрутки навантаження від генератора потрібно відключати.

Є у ротора Дарині ще два нехороших якості. По-перше, при обертанні вектор тяги лопаті описує повний оборот щодо її аеродинамічного фокуса, і не плавно, а ривками. Тому ротор Дарині швидко розбиває свою механіку навіть при рівному вітрі.

По-друге, Дарині не те що шумить, а волає і верещить, аж до того, що стрічка рветься. Відбувається це внаслідок її вібрації. І чим більше лопатей, тим сильніше рев. Так що Дарині якщо і роблять, то дволопатевими, з дорогих високоміцних звукопоглинальних матеріалів (карбону, майлара), а для розкрутки посередині щогли-древка пристосовують невеликий ВС.

Ортогонал

На поз. 3 - прямокутний вертикальний ротор з профільованими лопатями. Ортогональний тому, що крила стирчать вертикально. Перехід від ВС до ортогонален ілюструє рис. зліва.

Карусельний і ортогональний ротори

Кут установки лопатей щодо дотичній до окружності, що стосується аеродинамічних фокусів крил, може бути як позитивним (на рис.), Так і негативним, згідно силі вітру. Іноді лопаті роблять поворотними і ставлять на них флюгеркі, автоматично тримають «альфу», але такі конструкції часто ламаються.

Центральне тіло (блакитне на рис.) Дозволяє довести КВЕВ майже до 50% В трилопатевий ортогонален воно повинно в розрізі мати форму трикутника зі злегка опуклими сторонами і округленими кутами, а при більшій кількості лопатей досить простого циліндра. Але теорія для ортогонала оптимальна кількість лопатей дає однозначно: їх повинно бути рівно 3.

Ортогонал відноситься до швидкохідних вітряків з ОСС, тобто обов'язково вимагає розкручування при введенні в експлуатацію і після штилю. За ортогональної схемою випускаються серійні обслуговуються ВСУ потужністю до 20 кВт.

гелікоїд

Гелікоїдний ротор, або ротор Горлова (поз. 4) - різновид ортогонала, що забезпечує рівномірне обертання; ортогонал з прямими крилами «рве» лише трохи слабкіше двухлопастного ВС. Вигин лопатей по гелікоїду дозволяє уникнути втрат КВЕВ через їх кривизни. Хоча частина потоку крива лопать і відкидає, не використовуючи, але зате і загрібає частина в зону найбільшої лінійної швидкості, компенсуючи втрати. Гелікоїда використовують рідше інших вітряків, тому що вони внаслідок складності виготовлення виявляються дорожчими рівних за якістю побратимів.

Бочка-загребушка

На 5 поз. - ротор типу ВС, оточений напрямних апаратом; його схема представлена ​​на рис. праворуч. У промисловому виконанні зустрічається рідко, тому що дорогий відведення землі не компенсує приросту потужності, а матеріаломісткість і складність виробництва великі. Але самодельщиков, боїться роботи - вже не майстер, а споживач, і, якщо потрібно не більше 0,5-1,5 кВт, то для нього «бочка-загребушка» ласий шматок:

Вертикальний ротор з напрямних апаратом

• Ротор такого типу абсолютно безпечний, безшумний, не створює вібрацій і може бути встановлений де завгодно, хоч на дитячому майданчику.
• Зігнути «корита» з оцинковки і зварити каркас з труб - робота ерундовая.
• Обертання - абсолютно рівномірний, деталі механіки можна взяти найдешевші або з непотребу.
• Чи не боїться ураганів - занадто сильний вітер не може проштовхнутися в «бочку»; навколо неї виникає обтічний вихровий кокон (ми з цим ефектом ще зіткнемося).
• А найголовніше - оскільки поверхня «загребушкі» в кілька разів більше такої ротора всередині, КВЕВ може бути і сверхедінічності, а обертальним момент вже при 3 м / с у «бочки» триметрового діаметра такий, що генератору на 1 кВт з граничним навантаженням, як кажуть, краще і не сіпатися.

Відео: вітрогенератор Ленца

ВСУ Бірюкова

У 60-х в СРСР Е. С. Бірюков запатентував карусельну ВСУ з КВЕВ 46%. Трохи пізніше В. Блінов домігся від конструкції на тому ж принципі КВЕВ 58%, але даних про її випробуваннях немає. А натурні випробування ВСУ Бірюкова були проведені співробітниками журналу «Винахідник і раціоналізатор». Двоповерховий ротор діаметром 0,75 м і висотою 2 м при свіжому вітрі розкручував на повну потужність асинхронний генератор 1,2 кВт і витримував без поломки 30 м / с. Креслення ВСУ Бірюкова наведені на рис.

позиції:

1. ротор з покрівельної оцинковки;
2. самоустановлювальний дворядний кульковий підшипник;
3. ванти - 5 мм сталевий трос;
4. вісь-древко - сталева труба з товщиною стінок 1,5-2,5 мм;
5. важелі аеродинамічного регулятора обертів;
6. лопаті регулятора обертів - 3-4 мм фанера або листовий пластик;
7. тяги регулятора обертів;
8. вантаж регулятора обертів, його вага визначає частоту обертання;
9. провідний шків - велосипедне колесо без шини з камерою;
10. підп'ятник - упорно-опорний підшипник;
11. ведений шків - штатний шків генератора;
12. генератор.

Бірюков на свою ВСУ отримав відразу кілька авторських свідоцтв. По-перше, зверніть увагу на розріз ротора. При розгоні він працює подібно ВС, створюючи великий стартовий момент. У міру розкручування в зовнішніх кишенях лопатей створюється вихорову подушка. З точки зору вітру, лопаті стають профільованими, і ротор перетворюється в швидкохідний ортогонал, причому віртуальний профіль змінюється відповідно силі вітру.

По-друге, профільований канал між лопатями в робочому діапазоні швидкостей працює як центральне тіло. Якщо ж вітер посилюється, то в ньому також створюється вихорову подушка, що виходить за межі ротора. Виникає такий же вихровий кокон, як навколо ВСУ з напрямних апаратом. Енергія на його створення береться від вітру, і тому на поломку вітряка її вже не вистачає.

По-третє, регулятор обертів призначений насамперед для турбіни. Він тримає її обороти оптимальними з точки зору КВЕВ. А оптимум частоти обертання генератора забезпечується вибором передавального відносини механіки.

Примітка: після публікацій в ІР за 1965 р ВСУ Бірюкова канула в небуття. Відповіді від інстанцій автор так і не дочекався. Доля багатьох радянських винаходів. Кажуть, якийсь японець став мільярдером, регулярно читаючи радянські популярно-технічні журнали і патентуючи у себе все, що заслуговує на увагу.

Лопастнікі

Як у сказано, за класикою горизонтальний вітрогенератор з лопатевим ротором - найкращий. Але, по-перше, йому потрібен стабільний хоча б середньої сили вітер. По-друге, конструкція для самодельщиков таїть в собі чимало підводних каменів, через що нерідко плід довгих наполегливих праць в кращому випадку висвітлює туалет, передпокій або ганок, а то і виявляється здатний тільки розкрутити самого себе.

За схемами на рис. розглянемо докладніше; позиції:

• Фіг. А:

1. лопаті ротора;
2. генератор;
3. станина генератора;
4. захисний флюгер (ураганна лопата);
5. струмознімач;
6. шасі;
7. поворотний вузол;
8. робочий флюгер;
9. щогла;
10. хомут під ванти.

• Фіг. Б, вид зверху:

1. захисний флюгер;
2. робочий флюгер;
3. регулятор натягу пружини захисного флюгера.

• Фіг. Г, струмознімач:

1. колектор з мідними нерозрізними кільцевими шинами;
2. підпружинені міднографітові щітки.

Примітка: ураганна захист для горизонтального лопастніка діаметром більше 1 м абсолютно необхідна, тому що створити навколо себе вихровий кокон він не здатний. При менших розмірах можна домогтися витривалості ротора до 30 м / с з лопатями з пропілену.

Отже, де нас чекають «спотикаючись»?

лопаті

Профілювання і крутка лопаті ВСУ

Розраховувати домогтися потужності на валу генератора більше 150-200 Вт на лопатях будь-якого розмаху, вирізаних з товстостінної пластикової труби, як часто радять - надії безпросвітного дилетанта. Лопата з труби (якщо тільки вона не настільки товста, що використовується просто як заготівля) матиме сегментний профіль, тобто його верхня, або обидві поверхні будуть дугами окружності.

Сегментні профілі придатні для нестисливої ​​середовища, скажімо, для підводних крил або лопатей гребного гвинта. Для газів же потрібна лопата змінного профілю і кроку, для прикладу див. Рис .; розмах - 2 м. Це буде складна і трудомістка виріб, що вимагає копіткої розрахунку у всеозброєнні теорії, продувок в трубі і натурних випробувань.

Генератор

При насадці ротора прямо на його вал штатний підшипник скоро розіб'ється - однакової напруги на все лопаті в вітряки не буває. Потрібен проміжний вал із спеціальним опорним підшипником і механічна передача від нього на генератор. Для великих вітряків опорний підшипник беруть самоустановлювальний дворядний; в кращих моделях - триярусний, Фіг. Д на рис. вище. Такий дозволяє валу ротора не тільки злегка згинатися, але і трохи зміщуватися з боку в бік або вгору-вниз.

Примітка: на розробку опорного підшипника для ЗСУ типу EuroWind пішло близько 30 років.

аварійний флюгер

Принцип його роботи показує Фіг. В. Вітер, посилюючись, тисне на лопату, пружина розтягується, ротор перекошується, обороти його падають і в кінці кінців він стає паралельно потоку. Начебто все добре, але - гладко було на папері ...

Спробуйте в вітряний день утримати за ручку паралельно вітрі кришку від виварювання або великої каструлі. Тільки обережно - вертка залізяка може гупнути по фізіономbіі так, що розквасив ніс, розсіче губу, а то і виб'є око.

Плоский вітер буває тільки в теоретичних викладках і, з достатньою для практики точністю, в аеродинамічних трубах. Реально ж ураган вітряки з ураганної лопатою корчить більше, ніж зовсім беззахисні. Краще все-таки міняти зіпсовані лопаті, ніж робити заново все. У промислових установках - інша справа. Там крок лопатей, по кожній окремо, відстежує і регулює автоматика під управлінням бортового комп'ютера. І робляться вони з надміцних композитів, а не з водопровідних труб.

струмознімач

Це - регулярно обслуговується вузол. Будь-енергетик знає, що колектор зі щітками потрібно чистити, змащувати, регулювати. А щогла - з водопровідної труби. Чи не залізеш, раз на місяць-два доведеться весь вітряк валити на землю і потім знову піднімати. Скільки він протягне від такої «профілактики»?

Відео: лопатевої вітрогенератор + сонячна панель для електропостачання дачі

Міні і мікро

Але зі зменшенням розмірів лопастніка труднощі падають по квадрату діаметра колеса. Виготовлення горизонтальної лопатевої ВСУ своїми силами на потужність до 100 Вт вже можливо. Оптимальним буде 6-лопатевий. При більшій кількості лопатей діаметр ротора, розрахованого на ту ж потужність, буде менше, але їх виявиться важко міцно закріпити на ступиці. Ротори про менш ніж 6 лопатях можна не мати на увазі: 2-лопастніку на 100 Вт потрібен ротор діаметром 6,34 м, а 4-лопастніку тієї ж потужності - 4,5 м. Для 6-лопатевого залежність потужність - діаметр виражається в такий спосіб :

• 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.

Оптимальним буде розраховувати на потужність 10-20 Вт. По-перше, лопата з пластика розмахом більше 0,8 м без додаткових заходів захисту не витримає вітер більше 20 м / с. По-друге, при розмаху лопаті до тих же 0,8 м лінійна швидкість її кінців не перевищить швидкість вітру більш ніж втричі, і вимоги до профілювання кручені знижуються на порядки; тут вже цілком задовільно працюватиме "коритце" з сегментним профілем з труби, поз. Б на рис. А 10-20 Вт забезпечать харчування планшетки, підзарядку смартфона або засвітять лампочку-економку.

Міні- і мікроветрогенератори

Далі, вибираємо генератор. Відмінно підійде китайський моторчик - маточина колеса для електровелосипедів, поз. 1 на рис. Його потужність як мотора - 200-300 Вт, але в режимі генератора він дасть приблизно до 100 Вт. Але чи підійде він нам по оборотам?

Показник швидкохідності z для 6 лопатей дорівнює 3. Формула для розрахунку швидкості обертання під навантаженням - N = v / l * z * 60, де N - частота обертання, 1 / хв, v - швидкість вітру, а l - довжина кола ротора. При розмаху лопаті 0,8 м і вітрі 5 м / с отримуємо 72 об / хв; при 20 м / с - 288 об / хв. Приблизно з такою ж швидкістю обертається і велосипедне колесо, так що свої 10-20 Вт від генератора, здатного дати 100, ми вже знімемо. Можна ротор садити прямо на його вал.

Але тут виникає наступна проблема: ми, витративши чимало праці і грошей, хоча б на моторчик, отримали ... іграшку! Що таке 10-20, ну, 50 Вт? А лопатевий вітряк, здатний живити хоча б телевізор, вдома не зробиш. Чи не можна купити готовий міні-вітрогенератор, і не обійдеться він дешевше? Ще як можна, і ще як дешевше, см. Поз. 4 і 5. Крім того, він буде ще і мобільним. Поставив на пеньок - і користуйся.

Другий варіант - якщо десь валяється кроковий двигун від старого 5- або 8-дюймового дисковода, або від приводу паперу або каретки непридатного струминного або матричного принтера. Він може працювати як генератор, і приробити до нього карусельний ротор з консервних банок (поз. 6) простіше, ніж збирати конструкцію на зразок показаної на поз. 3.

В цілому по «лопастнікам» висновок однозначний: саморобні - скоріше для того, щоб помайструвати всмак, але не для реальної довгострокової енерговіддачі.

Відео: найпростіший вітрогенератор для освітлення дачі

Вітрильники

Вітрильні вітрогенератори

Вітрильний вітрогенератор відомий давно, але м'які полотнища його лопатей (див. Рис.) Почали робити з появою високоміцних зносостійких синтетичних тканин і плівок. Багатолопатеву вітряки з жорсткими вітрилами широко розійшлися по світу як привід малопотужних автоматичних водокачек, але їх Техданние нижче навіть ніж у каруселей.

Однак м'який вітрило як крило вітряка, схоже, виявився не так-то простий. Справа не в вітростійкості (виробники не обмежують максимально допустиму швидкість вітру): яхсменам-вітрильників і так відомо, що вітром розірвати полотнище бермудського вітрила практично неможливо. Швидше за шкот вирве, або щоглу зламає, або вся посудина зробить «поворот оверкиль». Справа в енергетиці.

На жаль, точних даних випробувань не вдається знайти. За відгуками користувачів вдалося скласти «синтетичні» залежно для установки ВЕУ-4.380 / 220.50 Таганрозького виробництва з діаметром вітроколеса 5 м, масою ветроголовкі 160 кг і частотою обертання до 40 1 / хв; вони представлені на рис.

Характеристики ВЕУ-4.380 / 220.50

Зрозуміло, запорук за 100% достовірність бути не може, але і так видно, що плоско-механістичної моделлю тут і не пахне. Ніяк не може 5-метрове колесо на плоскому вітрі в 3 м / с дати близько 1 кВт, при 7 м / с вийти на плато по потужності і далі тримати її до жорстокого шторму. Виробники, до речі, заявляють, що номінальні 4 кВт можна отримати і при 3 м / с, але при установці їх силами за результатами досліджень місцевої аерології.

Кількісної теорії також не виявляється; пояснення розробників малозрозумілі. Однак, оскільки таганрозькі ВЕУ народ купує, і вони працюють, залишається припустити, що заявлені конічна циркуляція і Пропульсивную ефект - не фікція. У всякому разі, можливі.

Тоді, виходить, ПЕРЕД ротором, за законом збереження імпульсу, повинен виникнути теж конічний вихор, але розширюється і повільний. І така воронка буде зганяти вітер до ротора, його ефективна поверхня вийде більше захоплюваної, а КВЕВ - сверхедінічності.

Пролити світло на це питання могли б натурні вимірювання поля тиску перед ротором, хоча б побутовим анероїдом. Якщо воно виявиться вище, ніж з боків осторонь, то, дійсно, вітрильні ВСУ працюють, як жук літає.

саморобний генератор

Зі сказаного вище ясно, що самодельщиков краще братися або за вертикалки, або за вітрильники. Але ті й інші дуже повільні, а передача на швидкохідний генератор - зайва робота, зайві витрати і втрати. Чи можна зробити ефективний тихохідний електрогенератор самому?

Так, можна, на магнітах з ніобієві сплаву, т. Зв. супермагнітами. Процес виготовлення основних деталей показаний на рис. Котушки - кожна з 55 витків мідного 1 мм дроти в термостійкої високоміцної емалевої ізоляції, ПЕММ, ПЕТВ і т.п. Висота обмоток - 9 мм.

Деталі саморобного генератора на супермагнітами

Зверніть увагу на пази під шпонки в половинах ротора. Вони повинні бути розташовані так, щоб магніти (вони приклеюються до магнітопроводу епоксидкой або акрилом) після складання зійшлися різнойменними полюсами. «Млинці» (магнітопроводи) повинні бути виготовлені з магнітомягкого феромагнетика; підійде звичайна конструкційна сталь. Товщина «млинців» - не менше 6 мм.

Взагалі-то краще купити магніти з осьовим отвором і притягнути їх гвинтами; супермагнітами притягуються зі страшною силою. З цієї ж причини на вал між «млинцями» надівається циліндрична проставка висотою 12 мм.

Обмотки, складові секції статора, з'єднуються за схемами, також наведеними на рис. Спаяні кінці не повинні бути натягнуті, але повинні утворювати петлі, інакше епоксидка, якій буде залитий статор, застигаючи, може порвати дроти.

Заливають статор в виливниці до товщини 10 мм. Центрировать і балансувати не потрібно, статор не обертається. Зазор між ротором і статором - по 1 мм з кожного боку. Статор в корпусі генератора потрібно надійно зафіксувати не тільки від зсуву по осі, але і від провертання; сильне магнітне поле при струмі в навантаженні буде тягнути його за собою.

Відео: генератор для вітряка своїми руками

висновок

І що ж ми маємо на останок? Інтерес до «лопастнікам» пояснюється швидше їх ефектним зовнішнім виглядом, ніж дійсними експлуатаційними якостями в саморобному виконанні і на малих потужностях. Саморобна карусельна ВСУ дасть «чергову» потужність для зарядки автоаккумулятора або енергопостачання невеликого будинку.

А ось з вітрильними ВСУ стоїть поекспериментувати майстрам з творчою жилкою, особливо в міні-виконанні, з колесом 1-2 м діаметром. Якщо припущення розробників вірні, то з такого можна буде зняти, за допомогою описаного вище китайського движка-генератора, все його 200-300 Вт.

Зробити ж каркас (рангоут) для парусного ротора нескладно. Крім того, вітрильні ВСУ безпечні, а звуків від них, інфра-та чутних, не виявляється. І високо розуміти ротор не потрібно, достатньо одного діаметра колеса.

Відео: технологія виробництва вітрогенераторів

(Поки оцінок немає)

Завантаження ...

що ще почитати:

Сонячні батареї і колектори: теорія, області застосування, робочі саморобки Саморобна циркулярна пила - це реально! Влаштування заземлення своїми силами: просте і складне, для різних випадків