Сделаем ветряной генератор своими руками. Самодельный ветрогенератор для дома и дачи: принципы работы, схемы, какой и как делать Вертикально-осевой самодельный «ветряк»

Одним из самых доступных вариантов использования возобновляемых источников энергии — является использование энергии ветра. О том, как самостоятельно сделать расчёт, собрать и установить ветряк, читайте в этой статье.

Классификация ветряных генераторов

Установки классифицируются исходя из следующих критериев ветродвигателя:

• расположение оси вращения;
• число лопастей;
• материал элементов;
• шаг винта.

ВЭУ, как правило, имеют конструктивное исполнение с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

Исполнение с горизонтальной осью — пропеллерная конструкция с одной-двумя-тремя и более лопастями. Это самое распространенное исполнение воздушных энергетических установок по причине высокого КПД.

Исполнение с вертикальной осью — ортогональные и карусельные конструкции на примере роторов Дарье и Савониуса. Последние два понятия следует пояснить, так как оба имеют определенную значимость в деле конструирования ветряных генераторов.

Ротор Дарье — ортогональная конструкция ветродвигателя, где аэродинамические лопасти (две или более), расположены симметрично друг другу на некотором расстоянии и укреплены на радиальных балках. Достаточно сложный вариант ветродвигателя, требующий тщательного аэродинамического исполнения лопастей.

Ротор Савониуса — конструкции ветродвигателя карусельного типа, где две лопасти полуцилиндрической формы расположены одна против другой, образуя в целом форму синусоиды. Коэффициент полезного действия конструкций невысок (около 15%), но может быть увеличен практически вдвое, если лопасти ставить по направлению волны не горизонтально, а вертикально и применять многоярусное исполнение с угловым смещением каждой пары лопастей относительно других пар.

Преимущества и недостатки «ветряков»

Преимущества данных устройств очевидны, особенно применительно к бытовым условиям эксплуатации. Пользователи «ветряков» фактически получают возможность воспроизводства бесплатной электрической энергии, если не считать небольших издержек на сооружение и обслуживание. Однако очевидны также и недостатки ветроэлектрических установок.

Так, чтобы добиться эффективной работы установки, требуется выполнение условий стабильности ветровых потоков. Такие условия человек создать не в силах. Это чисто прерогатива природы. Ещё одним, но уже техническим недостатком, отмечается низкое качество вырабатываемого электричества, в результате чего приходится дополнять систему дорогостоящими электрическими модулями (мультипликаторами, зарядными устройствами, аккумуляторами, преобразователями , стабилизаторами).

Преимущества и недостатки в плане особенностей каждой из модификаций ветродвигателей, пожалуй, балансируют на нулевой отметке. Если горизонтально-осевые модификации отличаются высоким значением КПД, то для стабильной работы требуют применения контроллеров направления ветрового потока и устройств защиты от ураганных ветров. Вертикально-осевые модификации имеют малый КПД, но стабильно работают без механизма слежения за направлением ветра. При этом такие ветродвигатели отличаются малым уровнем шумов, исключают эффект «разноса» в условиях сильных ветров, достаточно компактны.

Самодельные ветровые генераторы

Изготовление «ветряка» собственными руками — задача вполне решаемая. Причём конструктивный и рациональный подход к делу поможет свести до минимума неизбежные финансовые траты. В первую очередь стоит набросать проект, провести необходимые расчёты балансировки и мощности. Эти действия будут не просто залогом успешной постройки ветряной электростанции, но также залогом сохранения в целостности всего приобретенного оборудования.

Начать рекомендуется с постройки микро-ветряка, мощностью в несколько десятков ватт. В дальнейшем полученный опыт поможет создать более мощную конструкцию. Создавая домашний ветряной генератор, не стоит делать упор на получение качественного электричества (220 В, 50 Гц), так как этот вариант потребует существенных финансовых вложений. Разумнее ограничиться использованием изначально полученного электричества, которое можно успешно применять без преобразования для иных целей, к примеру, для поддержки систем отопления и горячего водоснабжения, построенных на электронагревателях (ТЭН) — такие приборы не требуют стабильного напряжения и частоты. Это делает возможным создавать простую схему, работающую напрямую от генератора.

Скорее всего, никто не будет утверждать, что отопление и горячее водоснабжение в доме по значимости уступают бытовой технике и осветительным приборам, для питания которых зачастую стремятся устанавливать домашние ветряки. Устройство ВЭУ именно с целью обеспечения дома теплом и горячей водой — это минимальные затраты и простота конструкции.

Обобщенный проект домашней ВЭУ

Конструктивно домашний проект во многом повторяет промышленную установку. Правда, бытовые решения зачастую базируются на вертикально-осевых ветродвигателях и комплектуются низковольтными генераторами постоянного тока. Состав модулей бытовой ВЭУ при условии получения качественного электричества (220 В, 50 Гц):

• ветродвигатель;
• устройство ориентации по ветру;
• мультипликатор;
• генератор постоянного тока (12 В, 24 В);
• модуль заряда аккумуляторных батарей;
• аккумуляторные батареи (литий-ионные, литий-полимерные, свинцово-кислотные);
• преобразователь постоянного напряжения 12 В (24 В) в переменное напряжение 220 В.

Bетрогенератор PIC 8-6/2.5

Как это работает? Просто. Ветер крутит ветродвигатель. Крутящий момент передается через мультипликатор на вал генератора постоянного тока. Полученная на выходе генератора энергия через зарядный модуль аккумулируется в батареях. От клемм аккумуляторных батарей постоянное напряжение 12 В (24 В, 48 В) подается на преобразователь, где трансформируется в напряжение, пригодное для питания бытовых электрических сетей.

О генераторах для домашних «ветряков»

Большинство бытовых конструкций ветровых установок , как правило, конструируются с применением малооборотных электродвигателей постоянного тока. Это самый простой вариант генератора, не требующий модернизации. Оптимально — электродвигатели с постоянными магнитами, рассчитанные на питающее напряжение порядка 60-100 вольт. Имеется практика применения автомобильных генераторов, но для такого случая требуется внедрение мультипликатора, так как автогенераторы выдают нужное напряжение только на высоких (1800-2500) оборотах. Один из возможных вариантов — реконструкция асинхронного двигателя переменного тока, но также достаточно сложный, требующий точных расчётов, выполнения токарных работ, установки неодимовых магнитов в области ротора. Есть вариант для трехфазного асинхронного двигателя с подключением конденсаторов одинаковой емкости между фазами. Наконец, существует возможность изготовления генератора с нуля собственными руками. Инструкций на этот счёт имеется масса.

Вертикально-осевой самодельный «ветряк»

Достаточно эффективный и главное недорогой ветрогенератор можно соорудить на основе ротора Савониуса. Здесь в качестве примера рассматривается микро-энергетическая установка, мощность которой не превышает 20 Вт. Однако этого устройства вполне достаточно, например, для обеспечения электрической энергией некоторых бытовых приборов, работающих от напряжения 12 вольт.

Набор деталей:

1. Лист алюминиевый толщиной 1,5-2 мм.
2. Труба пластиковая: диаметр 125 мм, длина 3000 мм.
3. Труба алюминиевая: диаметр 32 мм, длина 500 мм.
4. Двигатель постоянного тока (потенциальный генератор), 30-60В, 360-450 об/мин, к примеру, электродвигатель модели PIK8-6/2.5.
5. Контроллер напряжения.
6. Аккумулятор.

Изготовление ротора Савониуса

Из алюминиевого листа вырезаются три «блина» диаметром 285 мм. По центру каждого просверливаются отверстия под алюминиевую трубу 32 мм. Получается что-то подобное компакт-дискам. От пластиковой трубы отрезаются два куска длиной по 150 мм и разрезаются пополам вдоль. Результат — четыре полукруглых лопасти 125х150 мм. Все три алюминиевых «компакт-диска» надеваются на трубу 32 мм и закрепляются на расстоянии 320, 170, 20 мм от верхней точки строго горизонтально, образуя два яруса. Между дисками вставляются лопасти, по две штуки на ярус и закрепляются строго одна против другой, образуя синусоиду. При этом лопасти верхнего яруса смещаются относительно лопастей нижнего яруса на угол 90 градусов. В итоге получается четырехлопастной ротор Савониуса. Для крепежа элементов можно использовать заклепки, саморезы, уголки или применить другие способы.

Соединение с двигателем и установка на мачту

Вал двигателей постоянного тока с указанными выше параметрами обычно имеет диаметр не более 10-12 мм. Для того чтобы соединить вал двигателя с трубой ветродвигателя, в нижнюю часть трубы запрессовывается латунная втулка, имеющая требуемый внутренний диаметр. Сквозь стенку трубы и втулки просверливается отверстие, нарезается резьба для вкручивания стопорного винта. Далее труба ветродвигателя надевается на вал генератора, после чего соединение жестко фиксируется стопорным винтом.

Оставшаяся часть пластиковой трубы (2800 мм) — это мачта ветроустановки. Генератор в сборе с колесом Савониуса монтируются наверху мачты — просто вставляется внутрь трубы до упора. В качестве упора используется металлическая дисковая крышка, закрепленная на переднем торце мотора, имеющая диаметр несколько больший диаметра мачты. На периферии крышки просверливаются отверстия для крепления растяжек. Так как диаметр корпуса электродвигателя меньше внутреннего диаметра трубы, для выравнивания генератора по центру применяются прокладки либо упоры. Кабель от генератора пропускается внутри трубы и выводится через окно в нижней части. Необходимо учесть при монтаже исполнение защиты генератора от воздействия влаги, используя для этого герметизирующие прокладки. Опять же с целью защиты от осадков, выше соединения трубы ветродвигателя с валом генератора можно установить зонт-колпак.

Установка всей конструкции выполняется на открытой хорошо обдуваемой площадке. Под мачту выкапывается яма глубиной 0,5 метра, нижняя часть трубы опускается в яму, конструкция выравнивается растяжками, после чего яма заливается бетоном.

Контроллер напряжения (простое зарядное устройство)

Изготовленный ветряной генератор, как правило, не способен выдавать напряжение 12 вольт по причине низкой частоты вращения. Максимальная частота вращения ветродвигателя при скорости ветра 6-8 м/сек. достигает значения 200-250 об/мин. На выходе удается получить напряжение порядка 5-7 вольт. Для заряда аккумулятора требуется напряжение 13,5-15 вольт. Выход из положения — применение простого импульсного преобразователя напряжения, собранного, допустим, на основе регулятора напряжения LM2577ADJ. Подавая на вход преобразователя 5 вольт постоянного тока, на выходе получают 12-15 вольт, что вполне достаточно для заряда автомобильного аккумулятора.

Готовый преобразователь напряжения на LM2577

Данный микро-ветрогенератор, безусловно, можно совершенствовать. Увеличить мощность турбины, изменить материал и высоту мачты, добавить преобразователь постоянного напряжения в переменное сетевое напряжение и т. д.

Горизонтально-осевая ветреная электроустановка

Набор деталей:

1. Пластиковая труба диаметром 150 мм, алюминиевый лист толщиной 1,5-2,5 мм, деревянный брусок 80х40 длиной 1 м, сантехнические: фланец — 3, уголок — 2, тройник — 1.
2. Электродвигатель постоянного тока (генератор) 30-60 В, 300-470 об/мин.
3. Колесо-шкив для двигателя диаметром 130-150 мм (алюминий, латунь, текстолит и т. п.).
4. Стальные трубы диаметром 25 мм и 32 мм и длиной соответственно 35 мм и 3000 мм.
5. Зарядный модуль для аккумуляторов.
6. Аккумуляторы.
7. Преобразователь напряжения 12 В — 120 В (220 В).

Изготовление горизонтально-осевого «ветряка»

Пластиковая труба необходима для изготовления лопастей ветродвигателя. Отрезок такой трубы, длиной 600 мм, разрезается вдоль на четыре одинаковых сегмента. Для ветряка требуются три лопасти, которые изготавливаются из полученных сегментов путем среза части материала по диагонали на всю длину, но не точно с угла на угол, а от нижнего угла к верхнему углу, с небольшим отступом от последнего. Обработка нижней части сегментов сводится к формированию крепёжного лепестка на каждом из трёх сегментов. Для этого по одному краю вырезается квадрат размером примерно 50х50 мм, а оставшаяся часть служит крепежным лепестком.

Лопасти ветродвигателя закрепляются на колесе-шкиве с помощью болтовых соединений. Шкив насаживается непосредственно на вал электродвигателя постоянного тока — генератора. В качестве шасси ветродвигателя используется простой деревянный брусок сечением 80х40 мм и длиной 1 м. Генератор устанавливается на одном конце деревянного бруска. На другом конце бруска монтируется «хвост», изготовленный из листа алюминия. В нижней части бруска, крепится металлическая труба 25 мм, предназначенная исполнять роль вала поворотного механизма. В качестве мачты используется трехметровая металлическая труба 32 мм. Верхняя часть мачты является втулкой поворотного механизма, куда вставляется труба ветродвигателя. Опора мачты изготавливается из листа толстой фанеры. На этой опоре, в виде диска диаметром 600 мм, собирается конструкция из сантехнических деталей, благодаря которой, мачту можно легко поднимать или опускать, либо монтировать — демонтировать. Для крепления мачты применяются растяжки.

Вся электроника ветряной установки монтируется отдельным модулем, интерфейс которого предусматривает подключение аккумуляторов и потребительской нагрузки. В состав модуля входит контроллер заряда батарей и преобразователь напряжения. Подобные устройства можно собирать самостоятельно при наличии соответствующего опыта, либо приобретать на рынке. В продаже имеется множество разных решений, позволяющих получить нужные выходные значения напряжений и токов.

Комбинированные ВЭУ

Комбинированные ВЭУ — серьезный вариант домашнего энергетического модуля. Собственно, комбинация предполагает объединение в единой системе ветряного генератора, солнечной батареи, дизельной или бензиновой электростанции . Комбинировать можно всячески, исходя из возможностей и потребностей. Естественно, когда имеет место вариант — три в одном, это наиболее эффективное и надежное решение.

Также под комбинацией ВЭУ предполагается создание ветроэнергетических установок, имеющих в своём составе сразу две разные модификации. Например, когда в одной связке работают ротор Савониуса и традиционная трехлопастная машина. Первая турбина работает при малых скоростях ветрового потока, а вторая только при номинальных. Тем самым сохраняется эффективность установки, исключаются неоправданные энергетические потери, а в случае с асинхронными генераторами компенсируются реактивные токи.

Комбинированные системы — это варианты технически сложные и затратные для домашней практики.

Расчёт мощности ветряной домашней электростанции

Для расчёта мощности ветряного генератора горизонтально-осевого исполнения можно пользоваться стандартной формулой:

• N = p · S · V3 / 2
• N — мощность установки, Вт
• p — плотность воздуха (1,2 кг/м 3)
• S — продуваемая площадь, м 2
• V — скорость потока ветра, м/сек

Например, мощность установки, обладающей максимальным размахом лопастей 1 метр, при скорости ветра 7 м/сек., составит:

• N = 1,2 · 1 · 343 / 2 = 205,8 Вт

Приближенный расчёт мощности ВЭУ, созданной на основе ротора Савониуса можно посчитать, используя формулу:

• N = p · R · H · V3
• N — мощность установки, Вт
• R — радиус рабочего колеса, м
• V — скорость ветра, м/сек

К примеру, для упомянутой в тексте конструкции ветроэнергетической установки с ротором Савониуса, значение мощности при скорости ветра 7 м/сек. будет составлять:

• N = 1,2 · 0,142 · 0,3 · 343 = 17,5 Вт

Можно собрать простой ветрогенератор с минимальными затратами. Все необходимые компоненты дешево стоят, и их можно будет легко найти. В качестве основы для такой самоделки был взят автомобильный генератор, он был немного переделан. В него были внедрены постоянные магниты, чтобы генератор не требовался в начальных токах для своей работы. Всего у автора уже три таких ветряка и все они суммарно при ветре 8 м/с выдают мощность 420 ватт.

Материалы и инструменты для изготовления:
- два автомобильных генератора (одинаковой модели);
- электросварка;
- медная проволока 0.61-0.71 мм;
- мощные неодимовые магниты;
- ПВХ-труба диаметром 16 см;
- лобзик;
- болгарка и другие элементы.

Процесс изготовления ветряка:

Шаг первый. Начинаем с генератора. Делаем статор
Чтобы получить генератор нужной мощности нужно найти два одинаковых генератора и разобрать их. Должно получиться в итоге два статора, секции которого совпадают. Если внешне корпус немного отличается, это не страшно. Далее два статора хорошенько свариваются при помощи сварки. После этого в пазы можно вставлять изоляцию. Затем можно делать катушки. Здесь используются катушки всыпного типа, то есть они сперва наматываются, а затем просто вставляются в пазы. Это значительно упрощает процесс сборки генератора.

Диаметр провода, который использовал автор, составляет 0.71 мм, при этом в пазы вплотную проходит 27 витков. В связи с тем, что такой генератор будет использоваться для зарядки аккумулятора на 24 Вольта, лучше всего использовать провод диаметром 0.61 мм, в таком случае войдет 35 витков. Это позволит аккумулятору начинать заряжаться раньше и быстрее.

Шаг второй. Создаем ротор
Ротор изготавливается на токарном станке, любой токарь выполнит эту работу безо всякого труда. На ротор устанавливаются магниты, при вращении они будут порождать токи в обмотке статора. По словам автора, такая конструкция позволяет начинать заряжать аккумулятор уже при 300 об/мин.
Основная проблема такой конструкции - залипание, то есть ротор довольно тяжело сдвинуть с исходной точки, чтобы он начал крутиться. Такая проблема решается экспериментальным путем, магниты нужно смещать.

Шаг третий. Укрепляем корпус генератора
Задний подшипник генератора находится на пластмассовой втулке и никак более не зафиксировал. В связи с этим при нагрузке он может выпасть. Чтобы решить эту проблему, было принято решение дополнительно зафиксировать подшипник металлической пластиной. Также можно закрепить и передний подшипник, здесь уже зависит от особенностей конструкции генератора.

Шаг четвертый. Щеточный узел для генератора
Проблема щеток генератора в том, что они подключены через очень тонкие проводки, которые рассчитаны на нагрузку не более 3А. В связи с этим было принято решение установить по две щетки на каждое кольцо. Что касается крепления узла из колец, то все это происходит с помощью эпоксидной смолы.

Шаг пятый. Делаем основу для ветряка
Для надежности и простоты разборки подшипники поворотной оси крепятся с помощью хомутов. Центр оси должен быть размещен со смещением относительно оси генератора. Это делается для того, чтобы избежать повреждения системы при слишком сильном ветре. При этом хвост будет складываться.

Что касается рамы генератора, то как она устроена, можно увидеть на фото.

Шаг шестой. Изготавливаем винт
Винт изготавливается из ПВХ-трубы диаметром 160 мм. Сперва на трубе нужно сделать необходимую разметку, а затем просто вырезать лопасти лобзиком. Пилки нужно использовать тонкие и короткие. Если лобзика нет, можно вырезать лопасти ножовкой по металлу, но это будет куда дольше. Ну а далее лопасти крепятся к металлической рейке с помощью болтов с гайками и получается готовый винт. Для того чтобы вырезать винт с нужными характеристиками, есть специальная табличка, по ней и нужно ориентироваться.

Вот и все, на этом ветрогенератор готов. Можно поднимать его повыше над домом и наслаждаться бесплатной энергией. У автора их уже три штуки, суммарно при ветре 8 м/с они выдают до 420 Ватт мощности. Если в качестве генератора будет использоваться автомобильный, то ему винт нужно делать как можно больше, так как в этом случае зарядка аккумулятора начинается с первых оборотов и идет большая нагрузка. Если говорить о генераторе из моторчика, то там важны обороты, поэтому винт делается поменьше или придется устанавливать мультипликатор.

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

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

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

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

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

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

Ниже список всех использованых материалов при построени ветрогенератора

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

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

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

Ветер является самым доступным, чистым бесплатным источником энергии. Существует специальное устройство, способное преобразовывать энергию ветра. Называется оно ветрогенератор. В этой статье мы расскажем, как сделать ветрогенератор своими руками из самых обычных, подручных материалов.

Ветрогенератор – это ветроколесо с большими лопастями, редуктором (специальным механизмом, который преобразует и передает крутящий момент), мачтой для установки устройства, аккумуляторной батареей и инвертором (он необходим для преобразования полученного постоянного тока в эффективный переменный ток).

Основной принцип работы устройства

Энергия ветра потоком вращает колесо ветряка с лопастями, через редуктор крутящий момент начинает передаваться на генераторный вал. Так происходит превращение механической энергии в электрическую.

Рабочая мощность ветрогенераторов прямо пропорциональна параметрам ветроколеса, скорости ветра (по среднему показателю) и высоте мачты. Обычно диаметр лопастей ветрогенераторов может варьировать от 0,5 до 50 метров.

Экономическая выгода

Применение ветрогенераторов экономически выгодно в той местности, где показатель среднегодовой скорости ветра составляет не менее 4 м/с. Этот параметр можно уточнить, воспользовавшись «Картой ветровых ресурсов России». Ветрогенераторы начинают работу при скорости ветра от 2 м/с. Даже при такой скорости ветра могут заряжаться батареи.

Большинство существующих ветрогенераторов относят к сетевым турбинам. Это означает, что они работают лишь при наличии электрической сети (локальной или централизованной, например, при помощи дизельных генераторов). Это объясняется нестабильностью потоков ветра. Сеть выполняет в данном случае стабилизирующий эффект.

Основное условие использования сетевого ветрогенератора - мощность сети обязательно должна быть выше мощности ветродвигательной установки минимум в 1,8 раза.

Принцип работы устройства

При мощных потоках ветра лопасти ветрогенератора начинают вращаться. Получаемая энергия вращения начинает передаваться на мультипликатор (электрический генератор) через ротор. Существуют конструкции ветрогенератора, где не устанавливают мультипликатор для увеличения производительности. Ветродвигатели могут функционировать по одному, как единичный комплекс или большими группами, образуя своеобразный ветропарк.

Типы

Перед тем как сделать ветрогенератор, нужно определиться, какой тип устройства будет изготавливаться – горизонтальный или вертикальный (роторный). Более простой и доступный вариант – монтаж вертикального ветрогенератора, так как у этой системы выше коэффициент эффективного воздействия ветра, а балансировка устройства значительно легче.

Мощность устройства

Чем мощнее будет выбранный генератор, тем больше будет диаметр и вес ветроколеса. Это значит, что существенно балансировка и закрепление конструкции усложнятся.

Комплектующие детали и элементы:

• генератор 12V;
• аккумулятор 12V (можно взять автомобильный, но лучше приобрести альтернативный, стоимость его около 40 у.е., но он более долговечный и безопасный);
• ротор 1,5-2 м;
• большое металлическое ведро или металлическая бочка (из нержавейки или алюминия);
• реле для зарядки аккумулятора;
• реле заряда лампы (например, автомобильное);
• полугерметичный выключатель;
• вольтметр (можно взять автомобильный или от любого бывшего в употреблении измерительного устройства);
• большая доза наружная (распределительная коробка);
• мачта с высотой от 2 до 10 метров (можно сделать самостоятельно из труб ПВХ и металлических комплектующих для основания);
• провода;
• четыре болта марки М6;
• 2 хомута или нержавеющая проволока (для крепления к мачте).

Основные инструменты:

• Ключи;
• Отвертка;
• Дрель со сверлами;
• Кусачки.

Перед установкой конструкции мачты заливают фундамент по объему сечения трубы и основания, с учетом нюансов климата и грунта на участке. Мачту с ветродвигателем устанавливают после достижения бетонной смеси максимальной прочности (должно пройти не меньше недели). Менее надежным вариантом является простое зарывание мачты в грунт на полметра с использованием растяжек.

Далее делают ротор и переделывают шкив (фрикционное колесо с канавкой или ободом по окружности, передающее движение канату или приводному ремню) генератора. Выбирают диаметр ротора, исходя из среднестатистической скорости ветра. Диаметр ротора подбирают по среднегодовому показателю скорости ветра. По факту, до скорости 6-7 м/с производительная мощность у ротора 3 м будет выше.

Бочку нужно разделить на 4 абсолютно равные части при помощи маркера и рулетки. Далее вырезают будущие лопасти болгаркой или ножницами по металлу. Их крепят болтами к днищу и шкиву.

Места для болтов измеряют очень точно, чтобы в дальнейшем не приходилось постоянно регулировать вращение.

На бочке отгибают лопасти, это нужно делать аккуратно, чтобы избежать слишком резких порывов при потоке ветра.

Соединение элементов

На следующем этапе присоединяют провода к генератору и собирают цепь в дозе. Крепят генератор к мачте, фиксируют провода к генератору и мачте. Затем соединяют в цепь генератор и подсоединяют в цепь аккумулятор. Подключают нагрузку при помощи проводов (сечением до 2.5 кВ). Скорость вращения устройства задается степенью изгиба лопастей. Такого ветрогенератора должно хватить для полного энергообеспечения дачи или загородного дома.

Увеличение выработки электроэнергии

Учтите, что увеличение мачты до 20-25 м может повысить среднюю скорость ветра до 30%. При этом выработка энергии возрастает в 1,5 раза. Также к приёму прибегают при пониженной скорости ветра (менее 4 м/с). При высокой мачте деревья и дома не будут препятствовать работе ветрогенератора.

Видео

В этом ролике хозяин самодельного ветрогенератора рассказывает о том, как собирал конструкцию.

Идея построить собственный ветряк у меня возникла ещё в 2005 году, когда я только-только получил землю в Миродолье. Идея была довольно абстрактна, но уже тогда хотелось иметь не быстрый ветряк-пропеллер, который перемелет в муку пролетающих сквозь него птиц и насекомых, а медленный ветряк. На слуху был «парусный ветряк».

Как я уже писал ранее, в 2008 году я обзавелся своей первой солнечной батареей. Она исправно снабжает меня электричеством и по сей день. Однако зимой, как и следовало ожидать - её эффективность падает в 20-22 раза. Т. е. летняя мощность в 120 Вт превращается зимой в 6 Вт (в пасмурную погоду). А у меня одна светодиодная лампа потребляет 6Вт, а ещё ноутбук 90Вт... Вот тут-то я вспомнил об идее ветряка, которую обдумывал раньше. Явно было пора идею превращать в жизнь.

Итак, в 2009 году я серьезно погрузился в интернет. Сначала поиски были направлены на парусный ветряк. У меня накопилось довольно много материала по ним - фотографии, видео, чертежи деталей. Кроме того, я довольно здорово поднял свой уровень знаний по аэродинамике, теории потоков, теории парусов и вообще всей этой воздушной физике. Сухой остаток этой поисковой работы был следующий: парусный ветряк - довольно затратное по деньгам, времени и сложности изготовления дело. Маленький парусным ветряк не бывает, нормальный диаметр лопастей начинается от 5м. Да, эти ветряки эффективны, но использовать их для зарядки аккумулятора - всё равно что забивать микроскопом гвозди. Нормальное применение парусных ветряков - обогрев дома или теплицы. Честно, я был не готов к такому масштабному проекту. Во всяком случае - пока. Я понял что хочу что-то более простое, пусть и менее мощное. Но что?

Тема строительства ветряка оказалась близка многим нашим соседям. Многие тоже включились в поиск оптимальной технологии. Ближе к осени 2009г. Никита дал мне подсказку посмотреть на Youtube-видео про вертикальный ветряк, сделанный по технологии «Савониус» - из двух половинок пластиковой бочки. Да, я быстро нашёл нужное видео. И по мне это оказалось - то что нужно! Вот он - тихоходный, недорогой, вертикально-осевой ветряк, подобие которых в Америке строят самодельщики чуть ли не на каждой ферме. И так, с видом ветряка я определился, и стал дальше накапливать информацию по «Савониусам».

В целом, вертикально-осевой (да и в общем-то любой) ветряк состоит из: собственно ротора ветряка (как бы лопасти) - то что вращается под действием ветра, генератора - то, что преобразует механическую энергию кручения ротора в электрическую, и электронной частью, которая включает в себя всякие выпрямители, преобразователи и контроллеры заряда. Да, и конечно нельзя забывать про вышку , или то, что её заменяет - в общем конструкцию, на которой ветряк вращается.

В конце-концов у меня наконец стал вырисовываться проект. И почти под конец осени я был готов к первым практическим шагам. Вот какие требования я предъявлял ветряку: ветряк должен начать вырабатывать электроэнергию уже при ветре 4 м/c. Поскольку я собирался заряжать аккумуляторы, то генератор ветряка должен был вырабатывать постоянный ток, номиналом 12В. Ветряк должен быть тихоходным. А так же дешев и прост в изготовлении.

Кстати, сразу хочу прояснить вопрос - а почему именно самодельный ветряк, а не покупной. Первым делом я конечно просканировал все имеющиеся предложения по ветрякам. В основном - это горизонтально-осевые ветряки, поднятые на мачте, с лопастями - «вертушками». Их мощность впечатляла, но на номинал они выходили лишь с 12 м/c. Стоимость 500Вт ветряка составляла 1000$. Тихоходные ветряки - будь-то парусные, «савониусы» или «дарье» - в основном самоделки.

Для тех, кто не хочет читать всю статью сразу напишу о результатах . На сегодняшний день (осень 2011г) я таки построил ветряк, и есть опыт круглогодичного его использования. Мощность при ветре 7-8 м/c ~ 50Вт. Дальше мощность только растет, но - к сожалению у нас такие ветра в редкость. Стоимость всей конструкции (включая электронную) - около 15000 руб. Ветряк действительно работает бесшумно. «Ловит» малейший ветер, но электроэнергию начинает выдавать при скорости - 60 оборотов в минуту (RPM). Честно, не имея в наличии точный анемометр (прибор для измерения скорости ветра), сложно провести точную параллель между получаемой электроэнергией и скоростью ветра, но это - примерно 5-6 м/c. Стоило ли заниматься всем этим? Я получил работающий ветряк, здорово поднял физику в этой теме, работа была интересной и творческой. В целом - я не жалею ни потраченного времени ни потраченных денег.

Подытожу моё заключение мотивацией выбора конструкции ротора и генератора ветряка.

Основные типы роторов ветряков такие: с лопастями как у самолета (вертушки, «Классика»), горизонтально-осевые; с лопастями из листового материала, согнутые особым образом («Савониус»), ветрикально-осевые; с лопастями как у самолета но вертикально-осевые («Дарье»), с лопастями - парусами, натянутыми на спицы, горизонтально-осевые.

Конструкция горизонтально-осевых предполагает размещение генератора в непосредственной близости от ротора (т. е. наверху вышки). Встаёт вопрос о необходимости поворота ветряка по ветру, и, как следствие, необходимость механизма передачи электроэнергии через кольца-токосъемники (напрямую провода вниз опускать нельзя - перекрутятся). Обычно на таких, грамотно сделанных ветряках делают штормовую защиту - приспособу, которая уводит ветряк от слишком сильного ветра, или как-то складывает его, во избежание поломки всей конструкции.

В вертикально-осевых этих проблем нет - т. к. ловит ветер он с любой стороны. Генератор при желании можно делать внизу вышки, передавая энергию кручения с помощью вала. Роторы «Дарье» - интересная штука, но требует довольно точного исполнения лопастей. Поэтому я выбрал самый простой тип ротора - «Савониус».

Генератор - сердце ветряка. По началу я хотел купить готовый генератор. Но после тщательного выяснения вопроса, стало ясно, что тихоходных генераторов в свободной продаже нет. Автомобильный не подходит, поскольку начинает вырабатывать ток при 1000 об/мин, что ещё решается установкой дополнительного компонента - мультипликатора (который тоже стоит денег, шумит и отбирает свою часть КПД), а вот что не решается - это то, что в нем стоит катушка возбуждения, которая собственно и превращает одну из его частей в электромагнит. Этой проблемы нет в генераторах на постоянных магнитах , причём чем мощнее эти магниты (самые современные - неодимовые), тем мощнее генератор (но тем он и дороже). Проблема была в наличии в продажи подобных генераторов, но об этом ниже.

Я буду писать об этапах изготовления довольно кратко. Во-первых - всё есть в интернете. Не вижу смысла писать об одном и том же. Если вспомню ссылки на источники - дам. Стоимость того или иного узла дана приблизительна - просто уже не помню, а смету не вёл, точнее вёл, но в самом начале. Моя задача - рассказать о том, что это вообще возможно сделать, рассказать об этой технологии, плюсы и минусы.

Изготовление ротора

Итак - я понял, что хочу сделать вертикально-осевой ротор типа «Савониус». Однако, копнув поглубже я понял - что ветряки подобного плана имеют самый низких КПД (до 15-25%). Это обычно два полуцилиндра, разнесенные друг относительно друга на некоторое расстояние, которое образует «канал». Проблема «Савониуса» (кстати, его тоже изобрел русский, но патент оформил швед Савониус) в том, что ветер, проворачивая ротор за один полуцилиндр, тут же начинает давить на обратную сторону второго, конечно с меньшей силой, т. к. он этот полуцилиндр обтекает, но всё же... Хотелось узнать, можно ли «выжать» из подобной конструкции максимум. Поиски профиля лопастей привели меня к ротору, изобретенному нашим советским инженером К.А.Угринским в середине прошлого столетия (где-то я видел 1946г). Его отличительная особенность в том, что в нём используется энергия отраженного от лопастей потока. Приведу цитаты из книги Б.Б.Кажинский «Свободнопоточные гидроэлектростанции малой мощности», Госэнергоиздат 1950г (стр.30-32):

«Другое устройство лопастей, предложенное К. А. Угринским, представлено на фиг. 11. Здесь канал образуется двумя лопастями, форма поперечного профиля которых напоминает собой ковш с ручкой. Рассмотрим, в чем заключаются отличительные особенности работы этого нового ротора в свободном течении. Проходящая через канал вода дважды отдает свою энергию, как это было и у прежде описанных роторов.

Однако в то время, когда у этих роторов при вращений на место круто изогнутой стенки первой лопасти быстро становится своим внутренним изгибом такая же круто изогнутая часть второй лопасти, в новом роторе происходит нечто иное. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Допустим, что входящая в канал струя сначала ударяется о слабо изогнутую стенку первой части лопасти. На ее место быстро становится круто изогнутая стенка (чашеобразно изогнутая часть профиля) второй лопасти. Она быстро сменяется слабо изогнутой частью той же второй лопасти, вслед за которой набегает круто изогнутая часть первой лопасти, и т. д.

При первом же взгляде на профили лопастей нового ротора видно, что какое положение ни заняли бы лопасти этого ротора относительно горизонтального направления течения, никакого «мертвого» положения нет. Всегда какая-то часть лопасти направлена навстречу к потоку и способствует продолжению вращения ротора, а никак не его остановке. Благодаря этому многоярусное устройство для такого ротора необязательно.

В качестве основного размера для этой схемы ротора автором этих строк принят радиус диска R(фиг. 12). Нокак и в предыдущих случаях, сохранено важнейшее условие, чтобы средняя часть канала между лопастями равнялась 2/3 ширины устья канала.»

Ориентировочное КПД - 41-46%. Уже можно работать. На самом деле изобретателей подобных роторов у нас много - Воронин Я.А., Кажинский Б.Е., Иванов В.А., Блинов Б.С., Угринский К.А., Бирюков Б.С., Новиков Ю.М. Информацию о последнем я узнал совсем недавно - надо бы в будущем испытать и его.

Прежде чем окончательно утвердиться в своём выборе я решил сделать небольшие модельки роторов и пивных банок, чтобы хотя бы на глаз посмотреть - какой крутится быстрее при одинаковом ветре. Как крутится Савониус (справа) и ротор Угринского (слева) - можно увидеть на этом видео внизу. После таких испытаний у меня не оставались сомнения - Угринский лучший.

Как я сделал сам ротор? В качестве материала для лопастей я выбрал самый тонкий (0,5 мм) лист дюраля. Мне было очевидно, что чем легче будет конструкция ротора - тем легче он будет вращаться малым ветром. Тем более что это тоже подтвердилось на маленьких модельках. Лист оцинковки - слишком тяжел для таких вещей. По торцам ротора должны быть сплошные круги. Я выбрал фанеру 10мм. Это самый тяжелый элемент - один круг весит 3,5 кг. На кругах были нарисован профиль крыла, который я потом углубил маленькой фрезой на 3мм. Это была муторная работа, однако смысл её был в том, чтобы вставить в получившуюся канавку лист лопасти. Конструкция ротора состояла из двух его частей, где лопасти были повернуты на 90 градусов относительно друг-друга. Листы дюраля крепились к фанере с помощью стальных уголков (алюминиевых не нашлось) на болтики. Каждая половина ротора стягивалась двумя шпильками с гайками d6 мм.. По оси насквозь ротор пронизывает осевая шпилька d16. Она крепится к каждому фанерному кругу двумя гайками с двух сторон. Собственно момент кручения и передается этой центральной осью.

Фанерные круги два раза пропитаны олифой. Все гайки с гровер-шайбами. Диаметр ротора - 75 см, высота - 160 см. Общий вес - около 16 кг. Стоимость - около 3500 руб.

Время изготовления не засекал, вообще вся работа по ветряку шла в свободное от другой работы время. Ротор я доделал уже зимой. Мы его вытащили на улицу и убедились что ветер легко его проворачивает.

Изготовление генератора

Итак, генератор на постоянных магнитах... А нету их в продаже нифига! Во всяком случае в открытых источниках. Есть иностранные, в частности Китайские - но... то что мне хотелось стоило с доставкой от 400$. В общем я уже начал всерьез подумывать о применении высокооборотного генератора (они в продаже есть) и мультипликатора (дело в том, что рабочая скорость оборотов ветряка - 150-200 RPM, а таких генераторов - 800-1000 RPM). Но как-то душа к этому не лежала. Дополнительный механизм - мультипликатор - будет шуметь, да и стоить будет не мало.

Но однажды я всё-таки нашел сайты, где люди делились своим опытом изготовления таких генераторов в домашних условиях. Начали, конечно, американцы, но и наши за ними не отставали.

Немного о том, как это работает. Генератор состоит из двух частей - неподвижной (статора) и подвижной (ротора), которая совершает относительно статора вращательные движения. На статоре располагаются катушки из медной проволоки, эти катушки определенным образом соединяются. На роторе располагаются постоянные магниты. Ротор генератора вращается относительно статора - получается вращающееся магнитное поле, которое и наводит в катушках электрических ток. Ротор генератора собственно вращает ветряк.

В приложении к этой статье есть Excell-евский файл с расчетами моего генератора.

Для начала я определился с толщиной проволоки и с размерами магнитов, а так же с диаметром железного диска ротора (я выбрал для этой целей тормозной диск от ВАЗа). Материал магнитов - Магниты NdFeB (неодимовые) - половина стоимость генератора, я заказывал в Питерской фирме “Компонетн Спб” (www.pmspb.ru). Форму цилиндров я выбрал попроще - цилиндры, толщина 10мм, диаметр 30мм, магнитная мощность N33 (считаются довольно слабые, взял, потому что были такие остатки на складе), 32 штуки (по 16 на ротор). Стоимость одного магнита - 110 руб + 250 руб почтовая пересылка, итого 3770 руб.

Изготовление «электроники»

На выходе генератора я получаю постоянный трехфазный ток. Его нужно преобразовать в постоянный однофазный. Мы собрали т.н. мост Ларионова на двух готовых диодных сборках и сглаживающем конденсаторе. Номиналы – честно, не помню, но рассчитывали на большой ток. Конденсатор, по-моему, на 2200 мкФ. Схема подключения такая:

Итог

О результатах я писал во вступлении, поэтому всё, что мне остается это пожелания на будущее.

Что хотелось бы сделать в идеале? Упаковать генератор в красивый кожух, где верхняя ось генератора тоже бы имела крепление (сейчас она болтается в воздухе). Кожух я соорудил из пластикового ведра после того, как ледяной дождь забил напрочь генератор так, что он замерз. Пришлось откручивать всё и тащить его в дом (а весит он немало).

Еще хочется сделать более высокую вышку, или даже мачту. Собственно для ветряка нужно всего два крепления – верхнее и нижнее. Пока думаю над 10м-трубой с приваренной к ней швеллерами. И площадкой для генератора.

И всё-таки хочется попробовать буржуйские генераторы за 400-500$... Хотя это ж целых две самодельных батареи по 180 Вт!