С давних пор человечество использует силу ветра в своих целях. Ветряные мельницы, парусные корабли знакомы многим, про них пишут в книгах и снимают исторические фильмы. В наше время ветряной электрогенератор не потерял свою актуальность, т.к. с его помощью можно получить бесплатное электричество на даче, которое может пригодиться, если отключат свет. Поговорим о самодельных ветряках, которые можно собрать из подручных материалов и доступных деталей с минимумом затрат. Для вас мы предоставили одну подробную инструкцию с картинками, а также видео идеи еще нескольких вариантов сборки. Итак, давайте рассмотрим, как сделать ветрогенератор своими руками в домашних условиях.
Инструкция по сборке
Существуют несколько типов ветряных установок, а именно – горизонтальный, вертикальный и турбина. У них есть принципиальные различия, свои плюсы и минусы. Однако принцип работы всех ветрогенераторов одинаков - энергия ветра преобразуется в электрическую и накапливается в аккумуляторах, а уже с них уходит на нужды человека. Самый распространенный вид - это горизонтальный.
Он знаком и узнаваем. Преимущество горизонтального ветрогенератора - более высокий КПД по сравнению с другими, так как лопасти ветряка всегда находятся под действием воздушного потока. К недостаткам можно отнести высокое требование к ветру – он должен быть сильнее 5 метров в секунду. Этот тип ветряка сделать проще всего, поэтому его часто берут за основу домашние мастера.
Если вы решили попробовать свои силы в сборке ветрогенератора своими руками, вот несколько рекомендаций.
Начинать нужно с генератора - это сердце системы, от его параметров будет зависеть конструкция винтового узла. Для этого подойдут автомобильные генераторы отечественного и импортного производства, есть сведения о использовании шаговых двигателей от принтеров или прочей оргтехники. Велосипедное мотор-колесо также можно использовать, чтобы самому сделать ветряк для получения электричества. В целом, может подойти практический любой мотор или генератор, однако его обязательно необходимо проверить на эффективность.
Определившись с преобразователем энергии, нужно собрать редукторный узел для повышения оборотов на валу генератора. Один оборот пропеллера должен равняться 4-5 оборотам на валу генераторного узла. Однако эти параметры подбираются индивидуально, исходя из мощности и особенностей вашего генератора и лопастного узла. В качестве редуктора может выступать деталь от болгарки или система ремней и роликов.
Когда собран узел редуктор-генератор, приступают к выяснению его сопротивления крутящему моменту (грамм на миллиметр). Для этого нужно сделать плечо с противовесом на валу будущей установки, и с помощью груза выяснить при каком весе плечо пойдет вниз. Приемлемым результатом считается менее 200 грамм на метр. Размер плеча в этом случае принимается за длину лопасти.
Многие думают, что чем больше лопастей, тем лучше. Это не совсем верно. Нам нужны большие обороты, а много винтов создают большее сопротивление ветру, так как изготавливаем мы их в домашних условиях, в результате чего в какой-то момент набегающий поток тормозит винт и КПД установки падает. Вы можете использовать двухлопастной винт. Такой пропеллер при нормальном ветре может раскрутиться более 1000 оборотов в минуту. Сделать лопасти самодельного ветрогенератора можно из подручных средств - от фанеры и оцинковки, до пластика от водопроводных труб (как на фото ниже). Главное условие – материал должен быть легким и прочным.
Легкий винт повысит КПД ветряка и чувствительность к воздушному потоку. Не забудьте сбалансировать воздушное колесо и убрать неровности, иначе во время работы генератора будете слушать завывание и вой, а вибрации приведут к быстрому износу деталей.
Следующий важный элемент, это хвост. Он будет держать колесо в потоке ветра, и поворачивать конструкцию в случае изменения его направления.
Делать токосъемник или нет, решать вам. Это усложнит конструкцию, однако избавит от частых скручиваний провода, что чревато обрывами кабеля. Конечно, при его отсутствии вам придется иногда самостоятельно раскручивать провод. Во время пробного запуска ветрогенератора не забудьте о технике безопасности, крутящиеся лопасти представляют большую опасность.
Настроенный и сбалансированный ветряк устанавливают на мачту, высотой не ниже 7 метров от земли, закрепленную распорными тросами. Далее не менее важный узел — накопительный аккумулятор. Чаще всего используют автомобильный кислотный аккумулятор. Подключать выход самодельного ветрогенератора непосредственно к батарее нельзя, это нужно сделать через реле зарядки или контроллер, который можно собрать самому или же приобрести готовый.
Принцип работы реле сводится к контролю за зарядом и нагрузкой. В случае полного заряда батареи, оно переключает генератор и аккумулятор на нагрузочный балласт, система стремится всегда быть заряженной, не допуская перезаряда, и не оставляет генератор без нагрузки. Ветряк без нагрузки может достаточно сильно раскрутиться и повредить выработанным потенциалом изоляцию в обмотках. К тому же высокие обороты могут стать причиной механического разрушения элементов ветряного генератора. Далее стоит преобразователь напряжения с 12 на 220 вольт 50 Гц для подключения бытовых приборов.
Сейчас в интернете полно схем и чертежей, где мастера показывают, как сделать ветрогенератор на мощных магнитах самостоятельно. Настолько ли они эффективны, как обещают – вопрос спорный. Но попробовать собрать ветряную электрогенерирующую установку для дома стоит, а потом решить, как ее улучшить. Важно получить опыт и тогда уже можно замахнуться на более серьезный аппарат. Свобода и многообразие самодельных ветряков настолько обширна, а элементная база разнообразна, что нет смысла описывать их все, основной смысл остался тем же - поток ветра раскручивает винт, редуктор повышает обороты вала, генератор выдает напряжение, далее контроллер держит уровень заряда на аккумуляторе, а с него уже идет отбор энергии для различных нужд. Вот по такому принципу можно сделать ветрогенератор своими руками в домашних условиях. Надеемся, наша подробная инструкция с фото примерами разъяснила вам, как изготовить подходящую модель ветряка для дома или дачи. Также рекомендуем ознакомиться с мастер-классами по сборке самодельного устройства в видео формате.
Наглядные видеоуроки
Чтобы легко сделать ветрогенератор для получения электричества в домашних условиях, рекомендуем ознакомиться с готовыми идеями на видео примерах:
Вот мы и предоставили все наиболее простые и доступные идеи сборки самодельного ветряка. Как вы видите, некоторые модели устройств сможет легко изготовить даже ребенок. Существует множество других вариантов самоделок: на мощных магнитах, со сложными лопастями и т.д. Эти конструкции стоит повторять только при наличии некоторого опыта в этом деле, начинать следует с простых схем. Если вы хотите сделать ветрогенератор, чтобы он работал и использовался по назначению, действуйте согласно предоставленной нами инструкции. Если у вас остались вопросы – оставляйте их в комментариях.
При росте цен на электроэнергию повсюду идёт поиск и разработка её альтернативных источников. В большинстве регионах страны целесообразно применять ветрогенераторы . Чтобы полностью обеспечить электричеством частный дом, требуется достаточно мощная и дорогостоящая установка.
Ветряной генератор для дома
Если сделать небольшой ветрогенератор, с помощью электрического тока можно подогревать воду или использовать для части освещения, например, хозяйственных построек, садовых дорожек и крыльца. Подогрев воды для хозяйственных нужд или отопления – это простейший вариант использования ветровой энергии без её аккумулирования и преобразования. Здесь вопрос больше заключается в том, достаточно ли мощности будет для отопления.
Перед тем как сделать генератор, сначала следует выяснить особенности ветров в регионе.
Большой ветрогенератор, для многих мест российского климата, мало подходит из-за частой смены интенсивности и направления воздушных потоков. При мощности выше 1 кВт он будет инерционным и не сможет в полной мере раскручиваться, когда меняется ветер. Инерция в плоскости вращения приводит к перегрузкам от бокового ветра, приводящим к его выходу из строя.
С появлением маломощных потребителей энергии имеет смысл применять небольшие самодельные ветрогенераторы не более чем на 12 вольт, чтобы освещать дачу светодиодными светильниками или заряжать телефонные аккумуляторы при отсутствии в доме электричества. Когда в этом нет необходимости, электрогенератор можно применять для нагрева воды.
Тип ветрогенератора
Для безветренной области подходит только парусный ветрогенератор. Чтобы электроснабжение было постоянным, понадобится аккумуляторная батарея не менее чем на 12В, зарядное устройство, инвертор, стабилизатор и выпрямитель.
Для слабоветренных районов можно самостоятельно изготовить вертикальный ветрогенератор, мощностью не более 2-3 кВт. Вариантов есть много и они почти не уступают промышленным образцам. Покупать целесообразно ветряки с парусным ротором. Надёжные модели мощностью от 1 до 100 киловатт выпускаются в Таганроге.
В ветреных регионах можно сделать генератор для дома своими руками вертикальный, если требуемая мощность составляет 0,5-1,5 киловатт. Лопасти можно изготовить из подручных средств, например, из бочки. Более производительные устройства целесообразно купить. Самыми дешёвыми являются «парусники». Вертикальный ветряк стоит дороже, но он надёжней работает при сильных ветрах.
Маломощный ветряк своими руками
В домашних условиях небольшой самодельный ветрогенератор изготовить несложно. Для начала работы в области создания альтернативных источников энергии и накопления в этом ценного опыта как собрать генератор, можно изготовить самостоятельно простое устройство, приспособив мотор от компьютера или принтера.
Ветряной генератор на 12 В с горизонтальной осью
Чтобы сделать своими руками маломощный ветряк, необходимо сначала подготовить чертежи или эскизы.
На скорости вращения 200-300 об./мин. напряжение можно поднять до 12 вольт, а вырабатываемая мощность составит около 3 Вт. С его помощью можно зарядить небольшой аккумулятор. Для других генераторов мощность необходимо увеличивать до 1000 об./мин. Лишь в этом случае они будут эффективны. Но здесь понадобится редуктор, создающий значительное сопротивление и к тому же имеющий высокую стоимость.
Электрическая часть
Чтобы собрать электрогенератор, необходимы комплектующие:
- небольшой мотор от старого принтера, дисковода или сканера;
- 8 диодов типа 1N4007 для двух выпрямительных мостов;
- конденсатор ёмкостью 1000 мкф;
- труба ПВХ и пластиковые детали;
- алюминиевые пластины.
На рисунке ниже изображена схема генератора.
Шаговый мотор: схема подключения к выпрямителю и стабилизатору
Диодные мосты подключаются к каждой обмотке двигателя, которых две. После мостов подключается стабилизатор LM7805. В результате на выходе получается напряжение, которое обычно подаётся на 12-вольтную батарею.
Большую популярность получили электрогенераторы на неодимовых магнитах с чрезвычайно высокой силой сцепления. Их следует аккуратно использовать. При сильном ударе или нагреве до температуры 80-250 0 С (в зависимости от вида) у неодимовых магнитов происходит размагничивание.
За основу генератора, изготавливаемого своими руками, можно взять ступицу автомобиля.
Ротор на неодимовых магнитах
На ступицу производится наклейка суперклеем неодимовых магнитов диаметром около 25 мм примерно в количестве 20 шт. Однофазные электрогенераторы делаются с равенством количества полюсов и магнитов.
Магниты, расположенные напротив друг друга, должны притягиваться, т. е. повёрнуты противоположными полюсами. После приклеивания неодимовых магнитов производится их заливка эпоксидной смолой.
Катушки мотают круглыми, а общее количество витков составляет 1000-1200. Мощность генератора на неодимовых магнитах подбирается такой, чтобы его можно было использовать как источник постоянного тока, порядка 6А для зарядки АКБ на 12 В.
Механическая часть
Лопасти делают из пластиковой трубы. На ней рисуют заготовки шириной 10 см и длиной 50 см, а затем вырезают. Изготавливается втулка на вал двигателя с фланцем, к которому винтами крепятся лопасти. Их количество может быть от двух до четырёх. Пластик долго не прослужит, но на первое время его хватит. Сейчас появились достаточно износостойкие материалы, например, карбон и полипропилен. Затем можно изготовить более прочные лопасти из алюминиевого сплава.
Балансировку лопастей производят путём отрезания лишних частей на концах, а угол наклона создают путём их нагрева с изгибом.
Генератор крепится болтами к куску пластиковой трубы с приваренной к нему вертикальной осью. На трубу также соосно устанавливается флюгер из алюминиевого сплава. Ось вставляется в вертикальную трубу мачты. Между ними устанавливается упорный подшипник. Вся конструкция может свободно вращаться в горизонтальной плоскости.
Электрическую плату можно разместить на вращающейся части, а напряжение потребителю передавать через два токосъёмных кольца со щётками. Если плату с выпрямителем установить отдельно, тогда количество колец будет равно шести, сколько выводов имеет шаговый мотор.
Ветряк крепят на высоте 5-8 м.
Если устройство будет эффективно вырабатывать энергию, его можно усовершенствовать, сделав вертикально-осевым, например, из бочки. Конструкция меньше подвержена боковым перегрузкам, чем горизонтальная. На рисунке ниже изображён ротор с лопастями из фрагментов бочки, установлен на оси внутри рамы и на него не действует опрокидывающее усилие.
Ветряк с вертикальной осью и ротором из бочки
Профилированная поверхность бочки создаёт дополнительную жёсткость, за счёт чего можно применять жесть меньшей толщины.
Ветрогенератор мощностью более 1 киловатта
Устройство должно приносить ощутимую пользу и выдавать напряжение 220 В, чтобы можно было включить некоторые электроприборы. Для этого оно должно самостоятельно запускаться и вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне.
Чтобы сделать ветрогенератор своими руками , прежде следует определить конструкцию. Она зависит от того, какая сила ветра. Если она слабая, то единственным вариантом может быть парусный вариант ротора. Больше 2-3 киловатт энергии здесь не получить. Кроме того, для него понадобятся редуктор и мощный аккумулятор с зарядным устройством.
Цена всего оборудования высокая, поэтому следует выяснить, будет ли это выгодно для дома.
В районах с сильными ветрами, самодельным ветрогенератором можно получить 1,5-5 киловатт мощности. Тогда его можно подключать в домашнюю сеть на 220В. Аппарат с большей мощностью самостоятельно сделать сложно.
Электрогенератор из двигателя постоянного тока
В качестве генератора можно использовать малооборотный мотор, генерирующий электрический ток при 400-500 об/мин: PIK8-6/2,5 36V 0,3Nm 1600min-1. Длина корпуса 143 мм, диаметр – 80 мм, диаметр вала – 12 мм.
Как выглядит двигатель постоянного тока
Для него нужен мультипликатор с передаточным отношением 1:12. При одном обороте лопастей ветряка электрогенератор сделает 12 оборотов. На рисунке ниже изображена схема устройства.
Схема устройства ветряка
Редуктор создаёт дополнительную нагрузку, но всё же это меньше, чем для автомобильного генератора или стартера, где требуется передаточное отношение как минимум 1:25.
Лопасти целесообразно изготавливать из алюминиевого листа размером 60х12х2. Если на мотор их установить 6 штук, устройство будет не таким быстрым и не пойдёт вразнос при больших порывах ветра. Следует предусмотреть возможность балансировки. Для этого лопасти припаиваются к втулкам с возможностью накручивания на ротор, чтобы можно было их смещать дальше или ближе от его центра.
Мощность генератора на постоянных магнитах из феррита или стали не превышает 0,5-0,7 киловатт. Увеличить её можно только на специальных неодимовых магнитах.
Генератор с не намагниченным статором для работы не годится. При небольшом ветре он останавливается, а после не сможет самостоятельно запуститься.
Для постоянного отопления в холодное время года требуется много энергии, и протопить большой дом – это проблема. Для дачи в этом плане он может пригодиться, когда туда приходится ездить не чаще 1 раза в неделю. Если всё правильно взвесить, система отопления на даче работает всего несколько часов. Остальное время хозяева находятся на природе. Используя ветряк как источник постоянного тока для зарядки АКБ, за 1-2 недели можно накопить электроэнергии для отопления помещений на такой промежуток времени, и таким образом, создать себе достаточный комфорт.
Чтобы сделать генератор из двигателя переменного тока или автомобильного стартера, требуется их переделка. Мотор можно модернизировать под генератор, если ротор изготовить на неодимовых магнитах, проточив на их толщину. Его делают с количеством полюсов, как и у статора, чередуя друг с другом. Ротор на неодимовых магнитах, приклеенных к его поверхности, при вращении не должен залипать.
Типы роторов
Конструкции роторов отличаются разнообразием. Распространённые варианты изображены на рисунке ниже, где указаны значения коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ).
Виды и конструкции роторов ветряков
Для вращения ветряки делают с вертикальной или горизонтальной осью. Вертикальный вариант обладает преимуществом в удобстве обслуживания, когда основные узлы расположены внизу. Опорный подшипник выполнен самоустанавливающимся и долго служит.
Две лопасти ротора «Савониуса» создают рывки, что не очень удобно. По этой причине его делают из двух пар лопастей, разнесённых на 2 уровня с поворотом одной относительно другой на 90 0 . В качестве заготовок можно использовать бочки, вёдра, кастрюли.
Ротор «Дарье», лопасти которого делают из упругой ленты, отличается простотой изготовления. Для облегчения раскрутки их количество должно быть нечётным. Движение происходит рывками, из-за чего механическая часть быстро разбивается. Кроме того, лента при вращении вибрирует, издавая рёв. Для постоянного применения подобная конструкция не очень подходит, хотя лопасти иногда делают из звукопоглощающих материалов.
В ортогональном роторе крылья выполняются профилированными. Оптимальное количество лопастей равно трём. Устройство быстроходное, но его необходимо раскручивать при пуске.
Геликоидный ротор имеет высокий КПД за счёт сложной кривизны лопастей, снижающей потери. Его применяют реже других ветряков из-за высокой стоимости.
Горизонтальный лопастный ротор исполнения является наиболее эффективным. Но он требует наличия стабильного среднего ветра, а также для него необходима ураганная защита. Лопасти можно изготовить из пропилена, когда их диаметр меньше 1 м.
Если вырезать лопасти из толстостенной пластиковой трубы или бочки, достичь мощности выше 200 Вт не удастся. Профиль в виде сегмента для сжимаемой газообразной среды не подходит. Здесь нужен сложный профиль.
Диаметр ротора зависит от того, какую мощность требуется получить, а также от количества лопастей. Двухлопастнику на 10 Вт нужен ротор диаметром 1,16 м, а на 100 Вт – 6,34 м. Для четырёх-, и шестилопастника диаметр составит соответственно 4,5 м и 3,68 м.
Если насадить ротор непосредственно на вал генератора, его подшипник долго не протянет, поскольку нагрузка на все лопасти неравномерная. Опорный подшипник для вала ветряка должен быть самоустанавливающимся, с двумя или тремя ярусами. Тогда для вала ротора будут не страшны изгибы и смещения в процессе вращения.
Большую роль в работе ветряка играет токосъёмник, который требуется регулярно обслуживать: смазывать, чистить, регулировать. Возможность его профилактики должна быть предусмотрена, хотя это сложно сделать.
Безопасность
Ветряки, мощность которых превышает 100 Вт, являются шумными устройствами. Во дворе частного дома можно установить промышленный ветродвигатель, если он сертифицирован. Его высота должна быть выше ближайших домов. На крыше нельзя устанавливать даже маломощный ветряк. Механические колебания от его работы могут создать резонанс и привести к разрушению строения.
Высокие скорости вращения ветрогенератора требуют качественного изготовления. Иначе, при разрушении устройства существует опасность, что его детали могут отлететь на большие расстояния и нанести травму человеку или домашним животным. Особенно это следует учитывать при изготовлении ветряка своими руками из подручных материалов.
Видео. Ветрогенератор своими руками.
Применение ветрогенераторов целесообразно не во всех регионах, поскольку зависит от климатических особенностей. Кроме того, изготавливать их своими руками не имеет смысла без определённого опыта и знаний. Для начала можно взяться за создание простой конструкции мощностью несколько ватт и напряжением до 12 вольт с помощью, которой можно зарядить телефон или зажечь энергосберегающую лампу. Применение неодимовых магнитов в генераторе позволяет значительно увеличить его мощность.
Мощные ветровые установки, берущие на себя значительную часть электроснабжения дома, лучше приобретать промышленные, на создание напряжения 220В, тщательно взвесив при этом все за и против. Если совместить их с другими видами альтернативных источников энергии, электричества может хватить на все хозяйственные нужды, включая систему отопления дома.
Вертикальный ветрогенератор своими руками, чертежи, фото, видео ветряка с вертикальной осью.
Ветрогенераторы подразделяются по типу размещения вращающейся оси (ротора) на вертикальные и горизонтальные. Конструкцию ветрогенератора с горизонтальным ротором мы рассматривали в прошлой статье, теперь поговорим о ветрогенераторе с вертикальным ротором.
Схема аксиального генератора для ветрогенератора.
Изготовление ветроколеса.
Ветроколесо (турбина) вертикального ветрогенератора состоит из двух опор верхней и нижней, а также из лопастей.
Ветроколесо изготовляется из листов алюминия или нержавейки, также ветроколесо можно вырезать из тонкостенной бочки. Высота ветроколеса должна быть не менее 1 метра.
В этом ветроколесе угол изгиба лопастей задаёт скорость вращения ротора, чем больше изгиб, тем больше скорость вращения.
Ветроколесо крепится болтами сразу к шкиву генератора.
Для установки вертикального ветрогенератора можно использовать любую мачту, изготовление мачты подробно описано в этой .
Схема подключения ветогенератора.
Генератор подключается к контроллеру, тот в свою очередь к аккумулятору. В качестве накопителя энергии практичней использовать автомобильный аккумулятор. Поскольку бытовые приборы работают от переменного тока, нам понадобится инвертор для преобразования постоянного тока 12 V в переменный 220V.
Для подключения используется медный провод сечением до 2,5 квадрата. Схема подключения подробно описана .
Видео где показан ветрогенератор в работе.
Зачастую у владельцев частных домов возникает идея о реализации системы резервного электропитания . Наиболее простой и доступный способ — это, естественно, или генератор, однако многие люди обращают свой взгляд на более сложные способы преобразования так называемой даровой энергии ( излучения, энергии текущей воды или ветра) в .
Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. Если с использованием течения воды (мини-ГЭС) все понятно — это доступно только в непосредственной близости от достаточно быстротекущей реки, то солнечный свет или ветер можно использовать практически везде. Оба этих метода будут иметь и общий минус — если водяная турбина может работать круглосуточно, то солнечная батарея или ветрогенератор эффективны только некоторое время, что делает необходимым включение аккумуляторов в структуру домашней электросети.
Поскольку условия в России (малая длительность светового дня большую часть года, частые осадки) делают применение солнечных батарей неэффективным при их современных стоимости и КПД, наиболее выгодным становится конструирование ветрового генератора . Рассмотрим его принцип действия и возможные варианты конструкции.
Так как ни одно самодельное устройство не похоже на другое, эта статья — не пошаговая инструкция , а описание базовых основ конструирования ветрогенератора.Общий принцип работы
Основным рабочим органом ветрогенератора являются лопасти, которые и вращает ветер. В зависимости от расположения оси вращения ветрогенераторы делятся на горизонтальные и вертикальные:
- Горизонтальные ветрогенераторы наиболее широко распространены. Их лопасти имеют конструкцию, аналогичную пропеллеру самолета: в первом приближении это — наклонные относительно плоскости вращения пластины, которые преобразуют часть нагрузки от давления ветра во вращение. Важной особенностью горизонтального ветрогенератора является необходимость обеспечения поворота лопастного узла сообразно направлению ветра, так как максимальная эффективность обеспечивается при перпендикулярности направления ветра к плоскости вращения.
- Лопасти вертикального ветрогенератора имеют выпукло-вогнутую форму. Так как обтекаемость выпуклой стороны больше, чем вогнутой, такой ветрогенератор вращается всегда в одном направлении независимо от направления ветра, что делает ненужным поворотный механизм в отличие от горизонтальных ветряков. Вместе с тем, за счет того, что в любой момент времени полезную работу выполняет только часть лопастей, а остальные только противодействуют вращению, КПД вертикального ветряка значительно ниже, чем горизонтального : если для трехлопастного горизонтального ветрогенератора этот показатель доходит до 45%, то у вертикального не превысит 25%.
Поскольку средняя скорость ветров в России невелика, даже большой ветряк большую часть времени будет вращаться достаточно медленно. Для обеспечения достаточной мощности электропитания от должен соединяться с генератором через повышающий редуктор, ременной или шестеренчатый. В горизонтальном ветряке блок лопасти-редуктор-генератор устанавливается на поворотной головке, которая дает им возможность следовать за направлением ветра. Важно учесть, что поворотная головка должна иметь ограничитель, не дающий ей сделать полный оборот, так как иначе проводка от генератора будет оборвана (вариант с использованием контактных шайб, позволяющих головке свободно вращаться, более сложен). Для обеспечения поворота ветрогенератор дополняется направленным вдоль оси вращения рабочим флюгером.
Наиболее распространенный материал для лопастей — это ПВХ-трубы большого диаметра, разрезаемые вдоль. По краю к ним приклепываются металлические пластины, приваренные к ступице лопастного узла. Чертежи такого рода лопастей наиболее широко распространены в Интернете.
На видео рассказывается про ветрогенератор, изготовленный своими руками
Расчет лопастного ветрогенератора
Так как мы уже выяснили, что горизонтальный ветрогенератор значительно эффективнее, рассмотрим расчет именно его конструкции.
Энергия ветра может быть определена по формуле
P=0.6*S*V
³, где S — это площадь круга, описываемого концами лопастей винта (площадь ометания), выраженная в квадратных метрах, а V — расчетная скорость ветра в метрах в секунду. Также нужно учитывать КПД самого ветряка, который для трехлопастной горизонтальной схемы составит в среднем 40%, а также КПД генераторной установки, составляющий на пике токоскоростной характеристики 80% для генератора с возбуждением от постоянных магнитов и 60% — для генератора с обмоткой возбуждения. Еще в среднем 20% мощности израсходует повышающий редуктор (мультипликатор). Таким образом, окончательный расчет радиуса ветряка (то есть длины его лопасти) для заданной мощности генератора на постоянных магнитах выглядит так:
R=√(P/(0.483*V³
))
Пример: Примем требуемую мощность ветроэлектростанции в 500 Вт, а среднюю скорость ветра — в 2 м/с. Тогда по нашей формуле нам придется использовать лопасти длиной не менее 11 метров. Как видите, даже такая небольшая мощность потребует создания ветрогенератора колоссальных габаритов. Для более-менее рациональных в условиях изготовления своими руками конструкций с длиной лопасти не более полутора метров ветрогенератор сможет выдавать всего лишь 80-90 ватт мощности даже на сильном ветру.
Недостаточно мощности? На самом деле все несколько иначе, так как на самом деле нагрузку ветрогенератора питают аккумуляторы, ветряк же только заряжает их в меру своих возможностей. Следовательно, мощность ветроустановки определяет периодичность, с которой она сможет осуществлять подачу энергии.
Нами была разработана конструкция ветрогенератора с вертикальной осью вращения. Ниже, представлено подробное руководство по его изготовлению, внимательно прочтя которое, вы сможете сделать вертикальный ветрогенератор сами.
Ветрогенератор получился вполне надежный, с низкой стоимостью обслуживания, недорогой и простой в изготовлении. Представленный ниже список деталей соблюдать не обязательно, вы можете внести какие-то свои коррективы, что-то улучшить, что-то использовать свое, т.к. не везде можно найти именно то, что в списке. Мы постарались использовать недорогие и качественные детали.
Используемые материалы и оборудование:
| Наименование | Кол-во | Примечание |
| Список используемых деталей и материалов для ротора: | ||
| Предварительно вырезанный лист металла | 1 | Вырезан из стали толщиной 1/4" при помощи гидроабразивной, лазерной и др. резке |
| Ступица от авто (Хаб) | 1 | Должна содержать 4 отверстия, диаметр около 4 дюймов |
| 2" x 1" x 1/2" неодимовый магнит | 26 | Очень хрупкие, лучше заказать дополнительно |
| 1/2"-13tpi x 3" шпилька | 1 | TPI - кол-во витков резьбы на дюйм |
| 1/2" гайка | 16 | |
| 1/2" шайба | 16 | |
| 1/2" гровер | 16 | |
| 1/2".-13tpi колпачковая гайка | 16 | |
| 1" шайба | 4 | Для того, чтобы выдержать зазор между роторами |
| Список используемых деталей и материалов для турбины: | ||
| 3" x 60" Оцинкованная труба | 6 | |
| ABS пластик 3/8" (1.2x1.2м) | 1 | |
| Магниты для балансировки | Если нужны | Если лопасти не сбалансированы, то магниты прикрепляются для балансировки |
| 1/4" винт | 48 | |
| 1/4" шайба | 48 | |
| 1/4" гровер | 48 | |
| 1/4" гайка | 48 | |
| 2" x 5/8" уголки | 24 | |
| 1" уголки | 12 (опционально) | В случае, если лопасти не держат форму, то можно добавить доп. уголки |
| винты, гайки, шайбы и гроверы для 1" уголка | 12 (опционально) | |
| Список используемых деталей и материалов для статора: | ||
| Эпоксидка с затвердителем | 2 л | |
| 1/4" винт нерж. | 3 | |
| 1/4" шайба нерж. | 3 | |
| 1/4" гайка нерж. | 3 | |
| 1/4" кольцевой наконечник | 3 | Для эл. соединения |
| 1/2"-13tpi x 3" шпилька нерж. | 1 | Нерж. сталь не является ферромагнетиком, поэтому не будет "тормозить" ротор |
| 1/2" гайка | 6 | |
| Стеклоткань | Если нужна | |
| 0.51мм эмал. провод | 24AWG | |
| Список используемых деталей и материалов для монтажа: | ||
| 1/4" x 3/4" болт | 6 | |
| 1-1/4" фланец трубы | 1 | |
| 1-1/4" оцинк. труба L-18" | 1 | |
| Инструменты и оборудование: | ||
| 1/2"-13tpi x 36" шпилька | 2 | Используется для поддомкрачивания |
| 1/2" болт | 8 | |
| Анемометр | Если нужен | |
| 1" лист алюминия | 1 | Для изготовления проставок, если понадобятся |
| Зеленая краска | 1 | Для покраски держателей пластика. Цвет не принципиален |
| Голубая краска бал. | 1 | Для покраски ротора и др. частей. Цвет не принципиален |
| Мультиметр | 1 | |
| Паяльник и припой | 1 | |
| Дрель | 1 | |
| Ножовка | 1 | |
| Керн | 1 | |
| Маска | 1 | |
| Защитные очки | 1 | |
| Перчатки | 1 | |
Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения не настолько эффективны, как их горизонтальные собратья, однако вертикальные ветрогенераторы менее требовательны к месту их установки.
Изготовление турбины
1. Соединяющий элемент - предназначен для соединения ротора к лопастям ветрогенератора.
2. Схема расположения лопастей - два встречных равносторонних треугольника. По данному чертежу потом легче будет расположить уголки крепления лопастей.
Если не уверены в чем то, шаблоны из картона помогут избежать ошибок и дальнейших переделываний.
Последовательность действий изготовления турбины:
- Изготовление нижней и верхней опор (оснований) лопастей. Разметьте и при помощи лобзика вырежьте из ABS пластика окружность. Затем обведите ее и вырежьте вторую опору. Должны получиться две абсолютно одинаковые окружности.
- В центре одной опоры вырежьте отверстие диаметром 30 см. Это будет верхняя опора лопастей.
- Возьмите хаб (ступица от авто) и разметьте и просверлите четыре отверстия на нижней опоре для крепления хаба.
- Сделайте шаблон расположения лопастей (рис. выше) и разметьте на нижней опоре места крепления уголков, которые будут соединять опору и лопасти.
- Сложите лопасти в стопку, прочно свяжите их и обрежьте до требуемой длины. В данной конструкции лопасти длиной 116 см. Чем длинее лопасти, тем больше энергии ветра они получают, но обратной стороной является нестабильность в сильный ветер.
- Разметьте лопасти для крепления уголков. Накерните, а затем просверлите отверстия в них.
- Используя шаблон расположения лопастей, который представлен на рисунке выше, прикрепите лопасти к опоре при помощи уголков.
Изготовление ротора
Последовательность действий по изготовлению ротора:
- Положите два основания ротора друг на друга, совместите отверстия и напильником или маркером сделайте небольшую метку по бокам. В дальнейшем, это поможет правильно сориентировать их относительно друг-друга.
- Сделайте два бумажных шаблона расположения магнитов и приклейте их на основания.
- Промаркируйте полярность всех магнитов при помощи маркера. В качестве "тестера полярности" можно использовать небольшой магнит, обмотанный тряпкой или изолентой. Проводя его над большим магнитом, будет хорошо видно, отталкивается он или притягивается.
- Приготовьте эпоксидную смолу (добавив в нее отвердитель). И равномерно нанесите ее снизу магнита.
- Очень аккуратно поднесите магнит к краю основания ротора и переместите его к своей позиции. Если магнит устанавливать сверху ротора, то большая мощность магнита может его резко примагнитить и он может поломаться. И никогда не суйте свои пальцы и другие части тела между двумя магнитами или магнитом и железом. Неодимовые магниты очень мощные!
- Продолжайте приклеивать магниты к ротору (не забудьте смазывать эпоксидкой), чередую их полюса. Если магниты сьезжают под действием магнитной силы, то воспользуйтесь куском дерева, располагая его между ними для страховки.
- После того, как один ротор закончили, переходите к второму. Используя ранее поставленную метку, расположите магниты точно напротив первого ротора, но в другой полярности.
- Положите роторы подальше друг от друга (чтобы они не примагнитились, иначе потом не отдерете).
Изготовление статора очень трудоемкий процесс. Можно конечно купить готовый статор (попробуй еще найти их у нас) или генератор, но не факт, что они подойдут для конкретного ветряка со своими индивидуальными характеристиками
Статор ветрогенератора - электрический компонент, состоящий из 9-ти катушек. Катушка статора изображена на фото выше. Катушки разделены на 3 группы, по 3 катушки в каждой группе. Каждая катушка намотана проводом 24AWG (0.51мм) и содержит в себе 320 витков. Большее количество витков, но более тонким проводом даст более высокое напряжение, но меньший ток. Поэтому, параметры катушек могут быть изменены, в зависимости от того, какое напряжение вам требуется на выходе ветрогенератора. Нижеследующая таблица поможет вам определиться:
320 витков, 0.51 мм (24AWG) = 100В @ 120 об/мин.
160 витков, 0.0508 мм (16AWG) = 48В @ 140 об/мин.
60 витков, 0.0571 мм (15AWG) = 24В @ 120 об/мин.
Вручную наматывать катушки - это скучное и трудное занятие. Поэтому, чтобы облегчить процесс намотки я бы вам посоветовал сделать простое приспособление - намоточный станок. Тем более, что конструкция его достаточно проста и сделать его можно из подручных материалов.
Витки всех катушек должны быть намотаны одинаково, в одном и том же направлении и обращайте внимание или отмечайте, где начало, а где конец катушки. Для предотвращения разматывания катушек, они обмотаны изолентой и промазаны эпоксидкой.
Приспособа сделана из двух кусков фанеры, изогнутой шпильки, куска ПВХ-трубы и гвоздей. Перед тем, как изогнуть шпильку, нагрейте ее горелкой.
Небольшой кусок трубы между дощечками обеспечивает заданную толщину, а четыря гвоздя обеспечивают необходимые размеры катушек.
Вы можете придумать свою конструкцию намоточного станка, а может у вас уже имеется готовый.
После того, как все катушки намотаны их необходимо проверить на идентичность друг к другу. Это можно сделать при помощи весов, а также нужно померить сопротивления катушек мультиметром.
Не подключайте домашних потребителей напрямую от ветрогенератора! Также соблюдайте меры безопасности при обращении с электричеством!
Процесс соединения катушек:
- Зачистите шкуркой концы выводов каждой катушки.
- Соедините катушки, как показано на рисунке выше. Должно получиться 3 группы, по 3 катушки в каждой группе. При такой схеме соединений получится трехфазный переменный ток. Концы катушек припаяйте, либо воспользуйтесь зажимами.
- Выберите одну из следующих конфигураций:
А. Конфигурация "звезда ". Для того, чтобы получить большое напряжение на выходе, соедините выводы X,Y и Z между собой.
B. Конфигурация "треугольник". Для того, чтобы получить большой ток, соедините X с B, Y с C, Z с A.
C. Для того, чтобы в будущем сделать возможность изменять конфигурацию, нарастите все шесть проводников и выведите их наружу. - На большом листе бумаге нарисуйте схему расположения и подключения катушек. Все катушки должны быть равномерно распределены и соответствовать расположению магнитов ротора.
- Прикрепите катушки при помощи скотча к бумаге. Приготовьте эпоксидную смолу с отвердителем для заливки статора.
- Для нанесения эпоксидки на стеклоткань используйте малярную кисть. Если необходимо, то добавьте небольшие кусочки стеклоткани. Центр катушек не заполняйте, чтобы обеспечить их достаточное охлаждение при работе. Постарайтесь избегать образования пузырьков. Целью данной операции является закрепление катушек на своих местах и придание плоской формы статору, который будет располагаться между двумя роторами. Статор не будет нагруженным узлом и не будет вращаться.
Для того, чтобы стало более понятно, рассмотрим весь процесс в картинках:
Готовые катушки помещаются на вощеную бумагу с начерченной схемой расположения. Три небольших круга по углам на фото выше - места отверстий для крепления кронштейна статора. Кольцо в центре предотвращает попадание эпоксидки в центральную окружность.
Катушки закреплены на своих местах. Стеклоткань, небольшими кусочками помещается вокруг катушек. Выводы катушек можно вывести внутрь или наружу статора. Не забудьте оставить достаточный запас длины выводов. Обязательно еще раз проверьте все соединения и прозвоните мультиметром.
Статор практически готов. Отверстия для крепления кронштейна, сверлятся в статоре. При сверлении отверстий смотрите не попадите в выводы катушек. После завершения операции, обрежьте лишнюю стеклоткань и если необходимо, шкуркой зачистите поверхность статора.
Кронштейн статора
Труба для крепления оси хаба была обрезана под нужный размер. В ней были просверлены отверстия и нарезана резьба. В дальнейшем в них будут вкручены болты, которые будут удерживать ось.
На рисунке выше показан кронштейн, к которому будет крепиться статор, находящийся между двумя роторами.
На фото выше показана шпилька с гайками и втулкой. Четыре таких шпильки обеспечивают необходимый зазор между роторами. Вместо втулки можно использовать гайки большего размера, либо самому вырезать шайбы из алюминия.
Генератор. Окончательная сборка
Небольшое уточнение: малый воздушный зазор между связкой ротор-статор-ротор (который задается шпилькой с втулкой), обеспечивает более высокую отдаваемую мощность, но возрастает риск повреждения статора или ротора при перекосе оси, который может возникнуть при сильном ветре.
На левом рисунке ниже, показан ротор с 4-мя шпильками для обеспечения зазора и двумя алюминиевыми пластинами (которые в дальнейшем будут убраны).
На правом рисунке показан собранный и покрашенный в зеленый цвет статор, установленный на место.
Процесс сборки:
1. В плите верхнего ротора просверлите 4 отверстия и нарежьте в них резьбу для шпильки. Это необходимо для плавного опускания ротора на свое место. Уприте 4 шпильки в алюминиевые пластины приклеенные ранее и установите на шпильки верхний ротор.
Роторы будут притягиваться друг к другу с очень большой силой, поэтому и нужно такое приспособление. Сразу выровняйте роторы относительно друг-друга по поставленным ранее метках на торцах.
2-4. Поочередно вращая ключом шпильки, равномерно опускайте ротор.
5. После того, как ротор уперся в втулку (обеспечивающая зазор), выкрутите шпильки и уберите алюминиевые пластины.
6. Установите хаб (ступицу) и прикрутите его.
Генератор готов!
После установки шпилек (1) и фланца (2) ваш генератор должен выглядеть приблизительно так (см. рис. выше)
Болты из нержавейки служат для обеспечения электрического контакта. На провода удобно использовать кольцевые наконечники.
Колпачковые гайки и шайбы служат для крепления соедин. платы и опоры лопастей к генератору. Итак, ветрогенератор полностью собран и готов к тестам.
Для начала, лучше всего рукой раскручивать ветряк и измерять параметры. Если все три выходные клеммы закоротить между собой, то ветряк должен вращаться очень туго. Это может быть использовано для остановки ветрогенератора для сервисного обслуживания или в целях безопасности.
Ветрогенератор можно использовать не только для обеспечения дома электричеством. К примеру данный экземпляр, сделан так, чтобы статор вырабатывал большое напряжение, которое затем используется для нагрева.
Рассматриваемый выше генератор выдает 3-х фазное напряжение с различной частотой (зависит от силы ветра), а к примеру в России используется однофазная сеть 220-230В, с фиксированной частотой сети 50 Гц. Это отнюдь не означает, что данный генератор не подойдет для питания бытовых приборов. Переменный ток с данного генератора может быть преобразован в постоянный ток, с фиксированным напряжением. А постоянный ток уже может использоваться для питания светильников, нагрева воды, заряда аккумуляторов, а может быть поставлен преобразователь для преобразования постоянного тока в переменный. Но это уже выходит за рамки данной статьи.
На рисунке выше простая схема мостового выпрямителя, состоящего из 6-ти диодов. Он преобразовывает переменный ток в постоянный.
Место установки ветрогенератора
Ветрогенератор, описываемый здесь, установлен на 4-х метровой опоре на краю горы. Трубный фланец, который установлен снизу генератора обеспечивает легкую и быструю установку ветрогенератора - достаточно прикрутить 4 болта. Хотя для надежности, лучше приварить.
Обычно, горизонтальные ветрогенераторы "любят" когда ветер дует с одного направления, в отличии от вертикальных ветряков, где за счет флюгера, они могут поворачиваться и им не важно направление ветра. Т.к. данный ветряк установлен на берегу скалы, то ветер там создает турбулентные потоки с разных направлений, что не очень эффективно для данной конструкции.
Другим фактором, который необходимо учитывать при подборе места размещения, является сила ветра. Архив данных по силе ветра для вашей местности можно найти в интернете, правда это будет очень приблизительно, т.к. все зависит от конкретного места.
Также, в выборе месторасположения установки ветрогенератора поможет анемометр (прибор для измерения силы ветра).
Немного о механике ветрогенератора
Как известно, ветер возникает из-за разности температур поверхности земли. Когда ветер вращает турбины ветрогенератора, он создает три силы: подьемную, торможения и импульсную. Подьемная сила обычно возникает над выпуклой поверхностью и является следствием разности давлений. Сила торможения ветра возникает за лопастями ветрогенератора, она является нежелательной и тормозит ветряк. Импульсная сила возникает из-за изогнутой формы лопастей. Когда молекулы воздуха толкают лопасти сзади, то им некуда потом деваться и они собираются позади них. В результате, они толкают лопасти в направлении ветра. Чем больше подьемная и импульсная силы и меньше сила торможения, тем быстрее лопасти будет вращаться. Соответственно вращается ротор, который создает магнитное поле на статоре. В результате чего вырабатывается электрическая энергия.
Скачать схему расположения магнитов.
