Оплата электроэнергии на сегодняшний день занимает немалую долю в затратах на содержание жилища. В многоквартирных домах, единственный способ экономии - переход на энергосберегающие технологии, и оптимизация расходов по многотарифным схемам (ночной режим оплачивается по сниженным ценам). А при наличии приусадебного участка можно не только сэкономить на потреблении, но и организовать для частного дома самостоятельное энергообеспечение.

Это нормальная практика, которая зародилась в Европе и северной Америке, а последние пару десятилетий активно внедряется и в России. Однако оборудование для автономного энергоснабжения достаточно дорогое, окупаемость «в ноль» наступает не раннее, чем спустя 10 лет. В некоторых государствах, можно возвращать энергию в общественные сети по фиксированным тарифам, это сокращает время окупаемости. В Российской Федерации для оформления «кэшбека» требуется пройти ряд бюрократических процедур, поэтому большинство пользователей «бесплатной» энергии предпочитают строить ветряной генератор своими руками, и пользоваться им только для личных нужд.

Правовая сторона вопроса

Самодельный ветрогенератор для дома не попадает под запреты, его изготовление и применение не влечет за собой административного либо уголовного наказания. Если мощность ветряного генератора не превышает 5 кВт, он относится к бытовым устройствам, и не требует никаких согласований с местной энергетической компанией. Тем более, не требуется уплачивать какие-либо налоги, если вы не получаете прибыль при продаже электроэнергии. Кроме того, самодельный генерирующий ветряк даже с такой производительностью, требует сложных инженерных решений: смастерить его на тек просто. Поэтому мощность самоделки редко превышает 2 кВт. Собственно, этой мощности обычно достаточно для энергоснабжения частного дома (конечно, если у вас нет бойлера и мощного кондиционера).

В данном случае, речь идет о федеральном законодательстве. Поэтому перед принятием решения об изготовлении ветряка своими руками, не лишним будет проверить наличие (отсутствие) субъектовых и муниципальных нормативных правовых актов, которые могут накладывать некоторые ограничения и запреты. Например, если ваш дом расположен на особо-охраняемой природной территории, использование ветровой энергии (а это природный ресурс) может потребовать дополнительных согласований.

Проблемы с законом могут возникнуть при наличии беспокойных соседей. Ветряки для дома относятся к индивидуальным постройкам, поэтому на них также распространяются некоторые ограничения:

Разновидности генераторов

Прежде чем решить, как сделать ветрогенератор своими руками, рассмотрим особенности конструкции:

По расположению генератора устройство может быть горизонтальным или вертикальным

По номиналу генерируемого напряжения

Типовые примеры самодельных ветрогенераторов

Устройство ветрогенератора одинаковое, вне зависимости от выбранной схемы.

• Пропеллер, который может быть установлен как непосредственно на вал генератора, так и с помощью ременной (цепной, шестеренной передачи).
• Собственно генератор. Это может быть готовое устройство (например, с автомобиля), либо обычный электродвигатель, который при вращении вырабатывает электроток.
• Инвертор, регулятор напряжения, стабилизатор - в зависимости от выбранного напряжения.
• Буферный элемент - аккумуляторные батареи, обеспечивающие непрерывность генерации, вне зависимости от наличия ветра.
• Установочная конструкция: мачта, кронштейн для монтажа на крыше.

Пропеллер

Можно изготовить из любого материала: хоть из пластиковых бутылок. Правда гибкие лопасти существенно ограничивают мощность.

Достаточно вырезать в них полости, для забора ветра.

Неплохой вариант - ветряк бытового из кулера. Вы получаете готовую конструкцию с профессионально выполненными лопастями и сбалансированным электродвигателем.

Аналогичная конструкция изготавливается из охладителя компьютерных блоков питания. Правда мощность такого генератора мизерная - разве что зажечь лампу на светодиодах, или зарядить мобильный телефон.

Тем не менее, система вполне работоспособна.

Неплохие лопасти получаются из алюминиевых листов. Материал доступен, его несложно отформовать, пропеллер получается достаточно легким.

Если вы создаете роторный пропеллер для вертикального генератора, можно воспользоваться жестяными банкам, разрезанными вдоль. Для мощных систем применяются половинки стальных бочек (вплоть до объема 200 литров).

Разумеется, придется с особой тщательностью подойти к вопросу надежности. Мощный каркас, вал на подшипниках.

Генератор

Как говорилось выше, можно использовать готовый автомобильный, или электродвигатель от промышленных электроустановок (бытовой техники). В качестве примера: ветрогенератор из шуруповерта. Используется вся конструкция: двигатель, редуктор, патрон для крепления лопастей.

Компактный генератор получается из шагового двигателя принтера. Опять же, мощности хватает лишь на питание светодиодного светильника или зарядного устройства смартфона. На природе - незаменимая вещь.

Если вы с паяльником «на ты», и неплохо разбираетесь в радиотехнике - генератор можно собрать самостоятельно. Популярная схема: ветрогенератор на неодимовых магнитах. Преимущества конструкции - можно самостоятельно рассчитать мощность под ветровую нагрузку в вашей местности. Почему неодимовые магниты? Компактность при высокой мощности.

Можно переделать ротор имеющегося генератора.

Либо создать собственную конструкцию, с изготовлением обмоток.

Эффективность такого ветряка на порядок выше, чем при использовании схемы с электродвигателем. Еще одно неоспоримое преимущество - компактность. Неодимовый генератор плоский, и его можно разместить непосредственно в центральной муфте пропеллера.

Мачта

Изготовление этого элемента не требует познаний в электронике, но от его прочности зависит жизнеспособность всего ветрогенератора.

Например, мачта высотой 10–15 метров требует грамотно рассчитанных растяжек и противовесов. Иначе сильный порыв ветра может завалить конструкцию.

Если мощность генератора не превышает 1 кВт, вес конструкции не такой большой, и вопросы прочности мачты отходят на второй план.

Итог

Самодельный ветрогенератор - не такая сложная конструкция, как может показаться на первый взгляд. С учетом высокой стоимости заводских изделий, можно изрядно сэкономить, изготовив домашнюю ветряную электростанцию и вполне доступных материалов. С учетом небольших затрат на создание ветряка, окупится он достаточно быстро.

Видео по теме

Время чтения ≈ 4 минут

Существенно уменьшить счета за электричество и обеспечить себя резервным источником энергии на даче можно, сделав ветрогенератор своими руками.

Покупка готового ветряного генератора экономически оправдана, только, если нет никакой возможности подключения к электросетям. Стоимость оборудования и его техническое обслуживание зачастую оказывается выше, чем цена киловатт, которые вы купите у энергосбытовой компании в течение ближайших лет. Хотя, если сравнивать с использованием бензиновых или дизельных генераторов небольшой мощности, тут экологичный источник энергии выигрывает по стоимости обслуживания, уровню шума, отсутствию вредных выхлопов. Временное отсутствие ветра можно компенсировать, используя аккумуляторы с преобразователем напряжения.

Ветрогенератор, собранный с использованием некоторых деталей, сделанных своими руками, может оказаться в несколько раз дешевле, готового комплекта. Если вы серьезно решили сделать свой загородный дом энергонезависимым, при этом не хотите никому переплачивать - самодельный ветрогенератор - правильное решение.

Мощность ветрогенератора

Прежде чем приступать к работе, надо определиться, есть ли реальная необходимость в мощном ветрогенераторе, например, для приготовления пищи, использования электроинструмента, нагрева воды или отопления. Может быть вам достаточно подключить освещение, небольшой холодильник, телевизор, подзарядить телефон? В первом случае вам нужен ветряк мощностью от 2 до 6 кВт, а во втором, можно ограничиться в 1-1,5 кВт.

Также существуют горизонтальные и вертикальные ветрогенераторы. При вертикальном расположении оси можно использовать лопасти самой разнообразной формы, это могут быть плоские или выгнутые листы металла, вращающиеся на удлинителях. Существует вариант с одной скрученной лопастью. Сам генератор располагается у земли. Поскольку обороты лопастей невысокие, двигатель имеет большую массу и, соответственно, стоимость. Преимуществом вертикальной конструкции является простота и возможность работы при слабом ветре.

В этом обзоре будет рассмотрен вопрос, как сделать горизонтальный ветрогенератор своими руками. Для него можно использовать различные типы доступных генераторов и переделанные электродвигатели.

Конструкция ветрогенератора на 220В:

1. Электрогенератор промышленного производства.
2. Лопасти для ветрогенератора и поворотный механизм на мачте.
3. Схема управления зарядкой аккумулятора.
4. Соединительные провода.
5. Установочная мачта.
6. Растяжки.

Мы будем использовать двигатель постоянного тока от «беговой дорожки», он имеет параметры: 260V, 5A. Эффект генератора мы получим за счет обратимости магнитных полей данного типа электродвигателей.

Необходимые материалы и комплектующие

Все детали вы легко найдете в хозяйственных или строительных магазинах. Нам потребуется:

• нарезная втулка нужного размера;
• мост диодный, рассчитанный на ток 30-50A;
• ПВХ трубка.

Хвостовик и корпус ветряка можно сделать из следующих материалов:

• Стальная профильная труба 25 мм;
• Маскирующий фланец;
• Патрубки;
• Болты;
• Шайбы;
• Саморезы;
• Скотч.

Сборка ветряного генератора согласно чертежам

Лопасти ветряка можно изготовить из дюраля по приведенным чертежам. Деталь надо качественно зашкурить, при этом переднюю кромку сделать закругленной, а заднюю заточить. Для хвостовика подойдет кусок жести достаточной жесткости.

К электродвигателю закрепляем втулку, а на ее корпусе высверливаем три отверстия на равном расстоянии друг от друга. В них надо нарезать резьбу под болты.

Трубку ПВХ разрежем вдоль, и будем использовать в качестве уплотнителя между квадратной трубой и корпусом генератора.

Диодный мост также закрепим возле мотора с помощью саморезов.

Черный провод от двигателя подключим к плюсу диодного моста, а красный к минусу.

Хвостовик прикручиваем саморезами на противоположный конец трубы.

Лопасти соединяем с втулкой при помощи болтов, обязательно используем по две шайбы и гровер на каждый болт.

Втулку закручиваем на вал двигателя против часовой стрелки, удерживая ось пассатижами.

Патрубок приворачиваем к маскирующему фланцу при помощи газового ключа.

Надо обязательно найти точку равновесия на трубе с закрепленным двигателем и хвостовиком. По этой точке закрепляем конструкцию на мачту.

Все металлические детали, которые могут подвергнуться коррозии желательно покрыть качественной эмалью.

Ветрогенератор для частного дома стоит установить на некотором расстоянии от основных строений, мачту обязательно закрепить растяжками из стального троса. Высота зависит от возможной силы ветра, рельефа и искусственных препятствий, окружающих электростанцию.

Электрический ток после диодного моста должен через контрольный амперметр поступать на электронную схему зарядки аккумулятора. Напрямую к такому генератору можно подключить маломощные лампы накаливания. Заряженные батареи выдают стабильное постоянное напряжение. Его рекомендуется использовать для освещения (галогенные лампы и светодиодные ленты), либо вывести на инвертор, чтобы получить 220В переменного тока и подключить любые бытовые приборы, мощность которых не превышает параметры инвертора.

Представленная фото и видео информация даст вам более наглядное представление о сборке ветрогенератора своими руками.

Видео изготовления ветрогенератора своими руками

Содержание:

Ни для кого не секрет, что стоимость коммунальных услуг в нашем государстве беспрерывно растет, хотя и предпосылок к этому вроде бы и не наблюдается. Ну а вместе с этим увеличивается число потребителей, кто пытается хоть как то уменьшить эту графу расходов. Кто-то экономит воду, кто-то - газ, но все же наибольшим интересом пользуются альтернативные источники света, такие как солнечная батарея или электрогенератор, использующий для работы ветер.

Конечно, экономия в таких случаях ощущается, но основная проблема заключена в том, что подобные установки стоят недешево, и для того, чтобы ощутить реальную экономию, должен пройти не один год. Ведь сначала установка должна себя окупить.

Именно по причине высокой стоимости начали возникать вопросы о том, как сделать ветрогенератор своими руками. Ведь подобные установки придумал и создал человек, а значит и в домашних условиях появляется возможность его воссоздать. А потому попробуем понять, насколько реально изготовить генератор для ветряка своими руками из подручных средств, нужно ли какое-то дополнительное оборудование для его бесперебойной работы и насколько возможна экономия электроэнергии при использовании подобного прибора для дома, квартиры или дачи.

Возможные ограничения

Главное при установке ветрогенератора - это, естественно, попытки нашего государства даже в этой области получить какую-либо прибыль. Для того, чтобы не сертифицировать изготовленную своими руками установку, т.е. не платить отдельных налогов, стоит собирать маломощный ветрогенератор, который вырабатывает не более 5 кВт. Хотя в домашних условиях самодельное устройство большей мощности изготовить довольно проблематично.

Также следует уточнить наличие нормативных актов и документов по высоте построек в районе установки, чтобы не превысить ее для лучшего ветра.

Стоит также помнить и о соседях - им может помешать шум, который издают лопасти, и редуктор, которыми оснащены самодельные ветрогенераторы. Конечно, шумят подобные установки незначительно, но и зависть никто пока не отменял, а при жалобах возможны штрафы, а также и постановление о демонтаже. Преимущество здесь имеет вариант в заводском исполнении, т.к. он малошумный, но ввиду его высокой стоимости подобное устройство сейчас не рассматривается.

Также не стоит забывать о защите от радиопомех - при самостоятельном изготовлении ветряка необходимо предусмотреть установку фильтра. Ну а при приобретении подобного прибора - уточнить его наличие в схеме.

Устройство ветрогенератора

Вне зависимости от типа подобного устройства, изготовленного своими руками на 220 вольт, составляющие его части будут одни и те же. Любые ветровые генераторы состоят из непосредственно самого вырабатывающего электричество устройства, лопастей, батареи, мачты и электронного блока - инвертора.

В любом случае, первое, с чего начинается изготовление подобного устройства - это выбор типа, электрическая схема и проект внешнего вида. По типу ветрогенераторы разделяются на парусные и лопастные, или горизонтальные и вертикальные. Для средних широт, где нет резких порывов ветра, а так же в установках, мощностью до 5 кВт, наилучшим вариантом станет такой ветряной генератор, как «парусник», а потому в нем и попробуем разобраться подробнее.

Сама суть работы подобных устройств такова: лопасти, вращаясь при помощи силы ветра, передают крутящий момент напрямую или через редуктор на ротор генератора, в результате чего вырабатывается электроэнергия, которая через электронный блок поступает в батарею. В аккумуляторе энергия накапливается и в последующем может быть использована для бытовых нужд.

Попробуем разобраться, какие виды ветрогенераторов возможно изготовить в домашних условиях и что для этого понадобится.

Роторная установка

Подобный ветряной генератор, сделанный своими руками, способен вырабатывать количество электроэнергии, достаточной для освещения небольшого садового домика, хозяйственных построек, а также нескольких фонарей на дворовой территории. Изготавливаются такие ветряки из автомобильного генератора или стартера, а потому, чтобы не приобретать дорогостоящее оборудование для его изготовления, рассмотрим устройство, которое будет вырабатывать до полутора киловатт. Для этого будет необходимо наличие следующих материалов:

• автомобильного генератора на 12 вольт;
• гелиевого или кислотного аккумулятора (нужен также 12-вольтовый);
• герметичного выключателя;
• преобразователя напряжения с 12 на 220 В и 700–1500 ватт;
• большой емкости из нержавейки или алюминия для изготовления лопастей. Также может подойти и пластиковая труба диаметром в 20–25 см;
• реле зарядки аккумулятора с вольтметром;
• крепежной фурнитуры, т.е. болтов и гаек;
• проводов, имеющих сечение 4 и 2,5 кв. мм;
• двух хомутов для крепления на мачте устройства;
• металлической трубы достаточной длины для использования ее в качестве мачты;
• ну и, естественно, различного инструмента: ножниц по металлу, болгарки, ключей, отверток и дрели с набором сверел.

Алгоритм работы по изготовлению

Первым делом необходимо сделать лопасти вентилятора будущего ветрогенератора для частного дома своими руками. Для этого хорошо подойдет старая большая алюминиевая кастрюля, но тут возможны варианты. Карандашом необходимо разметить, а после разрезать емкость по размеченным линиям при помощи болгарки или ножниц по металлу, оставляя непрорезанными небольшие отрезки сверху и снизу, т.е. так, как показано на рисунке. Лопасти должны получиться одинаковыми, а их количество зависит только от предпочтений мастера.

Вырезанные лопасти выгибаются в нужную сторону. Нужно помнить о том, что от того, в какую сторону вывернуты лопасти, зависит направление вращения, а от угла их поворота и размера - скорость, с которой винт будет вращать генератор. Вырезать их удобнее болгаркой, но если металл тонкий, вполне подойдут и ножницы по металлу.

Немного сложнее обстоит дело с пластиковой трубой. Ее необходимо разделить вдоль на четыре части, после чего на каждую из полукруглых отрезков изготовить «заглушки сверху и снизу, а после скомпоновать в один винт, чтобы получилось подобие первого варианта.

Далее при помощи дрели делаются крепежные отверстия в валу генератора и готовом пропеллере, после чего лопасти при помощи болтов фиксируются на вал ротора. Можно произвести подобную работу и при помощи редуктора, увеличив скорость вращения генератора, - это уже на усмотрение самого мастера.

После произведенной работы остается только закрепить ветрогенератор при помощи хомутов на мачту и протянуть вдоль нее провода.

Сборка оборудования на земле

Т.к. оптимальная длина мачты ветроэлектростанции составляет 5–13 метров, основание ее необходимо залить бетоном для хорошей устойчивости. Также имеет смысл продумать и варианты, как опустить вниз ветряной генератор для дома или добраться до него в случае поломки.

Провода, идущие от самого ветрогенератора, подключаются через реле зарядки на аккумулятор. Далее в схеме идет преобразователь, от которого напряжение в 220 вольт уже будет поступать в распределительный щит.

Все оборудование должно быть защищено от попадания атмосферных осадков и прямого доступа детей. Выключатель устанавливается на мачте, на доступной высоте, и разрывает плюсовой провод от ветрогенератора на реле зарядки. Тем самым, при ненужности либо слабом ветре можно снять нагрузку, позволив лопастям вращаться «вхолостую».

Очень важно отключать нагрузку при слишком сильном ветре, который может вывести из строя как сам генератор, так и реле зарядки аккумулятора.

Но существует и более мощный вариант изготовления ветрогенератора своими руками в домашних условиях. Конечно, он немного сложнее, но, все же, соблюдая правила и порядок работы, сделать подобное устройство вполне реально.

Аксиальный ветрогенератор

Подобное устройство (можно даже сказать - ветряная электростанция своими руками) изготавливается на основе не так давно появившихся на нашем рынке неодимовых магнитов. Именно за их счет и достигается более высокая мощность генератора. Если брать подобную установку на обычных, ферритовых магнитах, то больше полутора киловатт из нее получить не удастся. Некоторое время назад, когда неодимовые элементы только появились на прилавках, цена на них была довольно высока, но сейчас уже наблюдается снижение стоимости, а потому подобные магниты стали более доступными.

Итак, для того, чтобы изготовить аксиальный ветровой генератор для дома своими руками, понадобится наличие ступицы с тормозным диском от автомобиля. Причем износ ее тут не важен, а потому подобную деталь можно всегда найти в любом автосервисе. Ее будет нужно тщательно почистить, промазать подшипники, в общем, привести в хорошее рабочее стояние. Оптимальным количеством магнитов будет 20 шт., с размерами 25 х 8 мм. Приклеены они будут к внутренней части тормозного диска.

Разметив диск на секторы, следует клеить магниты, чередуя их полюсы - это очень важно. Для более крепкого соединения рекомендуется использование эпоксидного клея. Ну а после того, как клей высох, той же эпоксидной смолой все магниты заливаются, а чтобы клей не стекал, можно сделать небольшой бортик по кругу диска из пластилина.

Намотка катушек

Общеизвестно, что перед тем, как приступить к намотке, нужно рассчитать необходимое количество витков катушки. Исходя из того, что ветрогенератор должен работать на небольшой скорости, необходима зарядка аккумулятора уже на 100–150 оборотах в минуту. Следовательно, общее количество витков во всех катушках обмотки должно быть 1200–1500, большее количество ни к чему. Ну а рассчитать количество витков одной катушки очень просто. При 20 катушках и общем количестве витков в 1400, одна должна содержать 70 витков.

Чем больше количество катушек, тем большей мощности можно добиться на малых оборотах. При этом, чем больше сечение провода при намотке, тем меньше сопротивление, а значит и больше сила тока.

Конечно, наилучшим вариантом будет использование специального станка для намотки катушек, но если его нет, вполне возможно выполнение подобной работы и вручную.

Для проверки выдаваемой мощности вполне хватит одной обмотки. При прокрутке в генераторе уже можно будет замерить параметры будущего устройства.

Сам статор можно изготовить из фанеры, укрепив ее, для надежности, стеклотканью и эпоксидной смолой. А вот соединение катушек производится по одной из двух схем, на выбор мастера. Это может быть либо «треугольник», либо «звезда». Далее катушки фиксируются, а провода выводятся наружу. Для проверки работоспособности ветрогенератор для частного дома прокручивают вручную при стабильных оборотах и снимают с выведенных проводов показания напряжения.

Мачта и винт пропеллера

Что касается мачты - здесь нет никаких отличий от изготовления роторного ветрогенератора. Требования к ней предъявляются те же самые. А вот лопасти винта для подобной установки изготавливаются по-другому. Для этого используется поливинилхлоридная труба на 16 мм. Форма же лопастей является экспериментальной, т.е. каждый сам определяет оптимальную, как говорится, методом проб и ошибок.

При этом длина лопасти на ветряк своими руками должна быть не менее метра, для возможности прокрутки генератора, причем необходимо так же и сбалансировать готовый винт для устранения шума, биения и порчи подшипников в процессе эксплуатации.

Немного поразмыслив, можно сконструировать лопасти ветрогенератора так, чтобы при очень сильном ветре их можно было сложить, а после разложить. Это спасет от выхода из строя устройства в случае штормовых предупреждений и резких порывов.

Монтаж оборудования на земле производится аналогично предыдущему варианту роторного ветрогенератора.

Обслуживание

Конечно, воздушный генератор, как и любое другое оборудование, требует внимания, периодических ревизий и, естественно, иногда ремонта. Основное, что необходимо постоянно проверять, чистить и промазывать специальной графитовой смазкой - это щетки генератора, т.к. они имеют обыкновение стираться в процессе эксплуатации.

При малейшем подозрении на разбалансировку, вибрацию, ослабление винтовых креплений и соединений генератор необходимо опустить на землю и отрегулировать или отремонтировать.

Примерно раз в 2–3 года необходимо красить устройство. И лучше, если краска будет специальной, т.е. антикоррозийной. Также необходима и регулярная проверка натяжения и крепления удерживающих тросов.

Вывод

Некоторые могут сказать, что не настолько высока цена электроэнергии, чтобы проделывать такую работу, изготавливая самодельные ветряки. К тому же, еще и на инвертор и т.п. придется потратиться. Но если вдуматься, то при качественно выполненной работе электроэнергии хватит не только на отопление дома, но и на постройки, отопление сарая с животными зимой. В общем, при правильном подходе к изготовлению такой самоделки, т.е. ветрогенератора, и расходу электроэнергии можно полностью отказаться от платного электричества, а это неплохая экономия.

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.

Сделать ветряк самостоятельно кажется непосильной задачей, которая отнимает много времени и сил. Но следуя пошаговой инструкции можно легко и быстро достичь желаемого результата за небольшие деньги.

Задавшись целью обзавестись ветрогенератором, многие хотят его сделать самостоятельно. Как показали исследования в интернете — большинство так и делает, но такое решение отняло у них очень много времени и усилий (по крайней мере, самая первая сборка). Чаще всего применяется схема сборки на магнитах постоянного тока. Этот путь является значительно проще, чем самостоятельное создание самого генератора. По этой причине рекомендуется запастись терпением и начинать поиски двигателя, который бы отлично подходил по параметрам, чтобы сделать ветрогенератор своими руками.

Подбор генератора

Как оказалось, большинство использует в виде генератора старый мотор из компьютеров. Такой мотор является раритетом и применялся еще во времена, когда у вычислительных машин использовались большие ленточные катушечные накопители. Среди всех возможных вариантов самым лучшим можно считать двигатель постоянного тока от производителя Ametekна 30 вольт. Это самый подходящий вариант, чтобы сделать ветрогенератор, так как даже легкое вращение его вала может свободно генерировать 12 В. Данный двигатель довольно тяжело найти, но на торговых площадках ebay и Amazon полно его аналогов. Дополнительно в описании знающие люди указывают возможность их использования в качестве генератора для ветряка.

Подбор двигателя нужно делать с учетом следующих параметров:

• постоянный ток;
• низкие обороты;
• высокое напряжение;
• высокая сила тока.

Все дело в том, что двигатель, рассчитанный на 7200 оборотов и напряжением в 24 В, при низких оборотах вряд ли сможет дать требуемые значения. Но если взять 30-вольтовый мотор с номинальным значением в 325 об/мин, то вполне реально ожидать от него напряжение в 12 вольт даже при характерных ветряку низких оборотах.

Примерная стоимость того же Ametek примерно 26 $. Можно найти и немного дешевле двигатель, но это не столь важно. При обычном легком толчке он зажигает без проблем лампу на 12 вольт, что нам и требовалось. Итак, двигатель-генератор мы нашли. Приступаем к следующему шагу — расчету лопастей.

Лопасти

В качестве , можно без проблем использовать обычную сантехническую трубу из ПВХ длиной 60 см и диаметром 15 см. Разрежьте ее на 4 части. Это будут заготовки лопастей. Затем вырежьте квадрат 5х5 у основания для создания крепежа в дальнейшем. Чтобы сохранить точную форму и не срезать лишнего рекомендуется просверлить изначально небольшое отверстие в нужном месте. Далее просто обрезаете лишний пластик вдоль заготовки по диагонали. Все, первая лопасть готова.

Используйте вырезанный элемент как шаблон для создания остальных трех лопастей. Также он будет играть роль запасной детали, если что-то пойдет не так. Двигатель на наш ветрогенератор мы выбрали и изготовили лопасти. Теперь нужно их сделать одним единым.

Сборка генератора с лопастями

Для объединения лопастей с генератором можно применять обычный шкив как основу и алюминиевый диск диаметром 13 см. Скрепив их вместе с использованием болтового соединения, вы получите отличную легкую и практичную основу, которая будет являться промежуточным звеном, передающим силу ветра с лопастей, вращая ветрогенератор. Сами лопасти крепятся также при помощи болтов. В магазине сантехники можно приобрести колпак, чтобы скрыть все металлические детали и придать ветряку большей обтекаемости. Практика показала, что все эти параметры позволяют даже легкому ветерку создавать вращения и при этом ветрогенератор вырабатывает положенные ему 12 В.

Установка турбины

Для установки турбины своими руками можно использовать обычную деревянную подставку из бруска длиной 84 см. Также желательно использовать кусок пластиковой трубы диаметром 10 см для защиты двигателя от разного рода осадков. В качестве хвоста для ветряка на 12 вольт рекомендуется применять алюминиевую пластину размером 21х35 см и толщиной 20-30 мм. Она идеально подойдет как противовес и как элемент для поворота установки по ветру. Все размеры не критичны и могут быть немного изменены под особенности конструкции.

Также рекомендуется провести шлифовку всех элементов и закругление углов для более привлекательного вида и лучших аэродинамических показателей. Затем покройте все деревянные части несколькими слоями краски. Цвет можете выбрать любой, так как от этого ничего не зависит.

Для большего удобства на краю, где будет располагаться сам генератор, можно прикрутить несколько планочек, чтобы он плотно сидел на своем месте. Крепиться мотор при помощи хомутов. Ветрогенератор готов. Теперь нужно установить его на мачте.

Элементы мачты

Конечный результат при создании ветряка своими руками полностью зависит от возможности поворачиваться в зависимости от направления ветра и основной высоты.

Обычная железная труба диаметром 2,5 сантиметра легко скользит внутри электрического трубопровода сечением 3 сантиметра. На бруске установите железный фланец с посадочным местом под трубу 2,5 см. Центр ее должен находиться примерно в 19 см от края. Далее просто вверните кусок трубы в фланец. Также нужно просверлить отверстие в бруске под провода, которые будут проходить через него.

Основание можно сделать в следующей последовательности:

1. Из фанеры вырезается круг диаметром 60 см;
2. К нему крепятся два металлических сантехнических колена диаметром 2,5 см при помощи фланцев;
3. Посредине устанавливается тройник диаметром 3,5 см, на который накручивается основная труба;
4. В деревянном диске нужно просверлить несколько отверстий для закрепления его на земле.

Труба, которая будет служить мачтой, может использоваться как разборная, так и цельная. Длина ее должна быть не менее 3 метра, а диаметр 3,5 см. Для закрепления трубы можно использовать обычные веревки с хомутами.

Мы создали мачту и теперь можем смело устанавливать наш 12-вольтовый ветрогенератор в рабочее положение. При этом не нужно забывать о подсоединении к нему проводов и протягивании их через трубу. У основания требуется проделать отверстие, чтобы их вывести и подсоединить к контроллеру, который мы сейчас и рассмотрим.

Схема контроллера

Контроллер позволяет регулировать заряд в батареях и при этом не дает им излишка энергии. Если АКБ полные, то это устройство перенаправляет ток напрямую к потребителю. Контроллер на 12 вольт можно легко найти в любом магазине электроники. Но его можно сделать и своими руками, что в положительно отразится на цене.

На рисунке приведена схема сборки контроллера. Она немного изменена в силу того, что большое количество стандартных деталей очень тяжело найти. Любой радиолюбитель сможет ее собрать в кучу.

Установив ветряк и присоединив контроллер мы видим, что наша конструкция работает и даже мультиметр демонстрирует практически точное значение в 12 вольт при слабом ветре. Сборка ветрогенератора своими руками выполнена.

Затраты

Наверное, самой важной частью являются затраты. Проведя небольшое исследование рынка можно прийти к выводу, что на закупку всех элементов с учетом инвертора и батарей, наш ветряк, собранный своими руками, обойдется не более 250 $. Заводские ветрогенераторы имеют практически такие же характеристики, как и тот, что вы соберете своими руками. Вот только придется за них выложить больше 1000 $.