Ветрогенератор своими руками: вопросы и решения
Выполнив все эти шаги, сбор конструкции ветрогенератора из генератора считается завершенным. Но еще существуют некоторые детали самого процесса, которые дадут о себе знать в процессе применения сконструированного устройства. Эти процессы непосредственно связаны с автоматикой, которая регулирует накопление и распределение энергии. К автоматическим устройствам относятся контролер заряда, инвертор тока и другие, которые являются неотъемлемыми частями всех ветрогенераторов.Рассмотрим сооружение ветрогенератора на 24 В на основе автогенератора. Такая конструкция стабильно работает при силе ветра 5 м/с. При порывах ветра 15 м/с установка может давать от 8 до 11 А. Когда на улице дует сильный ветер, то коэффициент полезного действия конечно увеличивается. При этом мощность достигает не больше 300 Вт.
Собранная такая конструкция развивает 24 В. Ее спокойно можно применять с целью зарядки мобильных аккумуляторов, а также для поставки электроэнергии в линии, где проходит освещение.Основные ошибки процесса сборки самодельного ветрогенератора.
Дело в том, что сборка ветрогенератора дома собственноручно будет иметь ошибки. Даже в промышленных конструкциях также они имеются. Но ошибки наоборот отлично помогают совершенствоваться, о чем свидетельствуют работающие бытовые самодельные конструкции.Одной из часто допускающихся ошибок при конструировании ветрогенераторов для использования в быту, является отсутствие модуля торможения. Дело в том, что эта ошибка появляется в связи с тем, что в автомобильных генераторах просто нет в наличии этой детали. Поэтому обязательно конструкцию генератора следует доработать.
Но есть такие конструкторы, которые не желают этого делать . И просто не устанавливают данную деталь, рассчитывая на то, что и так все получится. Но по итогу все происходит совершенно наоборот. При сильном ветре происходит раскручивание винта до высоких скоростей. В результате подшипники не справляются, что приводит к блокировке ротора.
Ветрогенератор своими руками: некоторые ошибки
Еще одной распространенной ошибкой является отсутствие ограничителя поворота флюгера. Его зачастую просто забывают установить. А когда вспоминают, то уже поздно, конструкция выходит из строя. Минимальные повреждения – это перекручивание или обрыв электрического кабеля. Максимальные повреждения – поломка и разлом конструкции полностью.
Еще одной ошибкой, которую допускают в процессе сборки ветрогенератора, является неправильно проведенный расчет точки центра тяжести на основании флюгера. При такой ошибке в самом начале ветряк еще будет нормально работать. Но по истечении определенного времени появится перекос на узле подшипников, ограничится при этом свобода вращения, конструкция потеряет свою эффективность по отдаче энергии.
Нельзя полученной энергией от бытового генератора заряжать аккумуляторную батарею. Так как в скором времени аккумулятор перестанет держать заряд, появятся пробои в банках. Эта самая простая, но распространенная ошибка.
Лопастники
Ветряки с горизонтальной осью вращения имеют большую эффективность, так как энергия потока ветра используется только на рабочих поверхностях, не контактируя с обратными сторонами лопастей
При этом, критически важно наличие устройства, автоматически устанавливающего для ветряка направление по ветру. Обычный вариант — свободно вращающийся вокруг вертикальной оси ветряк и хвостовой стабилизатор как у самолета
Лопасти
Лопасти горизонтального ветряка являются основным элементом крыльчатки, принимающим поток и преобразующим его во вращательное движение. Эффективность работы обусловлена конструкцией и размерами.
Аэродинамика лопастей зависит от угла наклона, конфигурации, площади соприкосновения с потоком. Чем выше площадь контакта, тем большую энергию принимает поверхность, что имеет положительные и отрицательные стороны. Возрастание получаемой энергии способствует повышению фронтального давления на ветряк, способствующего разрушению конструкции.
Генератор
Генератор — устройство, преобразующее энергию вращения в электрический ток. Наряду с ротором, генератор для ветряка является основным узлом, который обслуживается всеми остальными элементами установки. Используются готовые конструкции, входящие в состав комплекта поставки или приобретенные отдельно, а также самодельные образцы, зачастую работающие лучше заводских.
Аварийный флюгер
Так среди специалистов принято называть устройство увода крыльчатки от чрезмерно сильного ветрового потока. Вращение, имеющее скорость, превышающую расчетную, создает ток большей силы и напряжения, чем это рассчитано и не нужен для оборудования.
Для исключения таких ситуаций существуют устройства торможения, одно из которых работает на принципе авторегулирования. Перпендикулярно направлению оси устанавливается специальная лопатка, жестко соединенная с ротором.
Хвостовой стабилизатор крепится к ротору через шарнир с пружиной. Когда ветер достигает слишком высокой скорости, усилие на тормозной лопатке превышает силу пружины, ротор отворачивается от ветра и прекращает вращаться со слишком высокой скоростью.
Токосъемник
Устройство подвода или, в нашем случае, съема электроэнергии — коллектор — достаточно капризный узел, требующий регулярного ухода, смазки, замены щеток и т.д. Процедура не самая простая, так как ветряк расположен на мачте, до аппаратуры надо еще добраться, что непросто. Необходимо иметь достаточно надежный и безопасный механизм опускания мачты, иначе аппаратура долго не продержится.
Лопастной ветрогенератор + солнечная панель для электроснабжения дачи
Идея совмещать солнечные батареи с ветрогенераторами возникла практически с первых дней появления этих конструкций. Привлекают абсолютно дармовая энергия ветра и солнца, которые нуждаются только в оборудовании для захвата и преобразования. Оба комплекса вполне могут работать в связке, дополняя друг друга.
Какой выбрать генератор для домашней ветроэлектростанции?
От автомобиля
- Достоинства: не дорогой, очень легко отыскать, уже полностью собран.
- Недостатки: для работы нужна большая скорость вращения, по этому требуется установка дополнительных шкив. Непродуктивен.
Цена: Зависит от модели и марки автомобиля.
Самодельный генератор
- Достоинства: не высока стоимость всей комплектации, довольно хорошая продуктивность, относительно автомобильного генератора, при правильной сборке, возможно получение большой мощности, очень крепкая и неразрушимая сборка.
- Недостатки: очень сложная затея для не обученного человека, требует обработки на токарном станке.
Цена: Зависит от купленных вами запчастей и номинальной, желаемой мощности.
Переменного тока, асинхронный
- Достоинства: не высокая стоимость, очень легко найти и приобрести, не сложно переоборудовать под ветряк, при низких оборотах очень хорошая продуктивность.
- Недостатки: максимальная мощность ограниченная, так как агрегат имеет внутреннее сопротивление, при высоких оборотах лопасти, генератор не производит достаточное количество электроэнергии для того, чтобы установить на ветряк, нужно обработать на токарном станке.
Цена: можно найти от одной тысячи рублей.
Постоянного тока
- Достоинства: простая и понятная конструкция, уже собранный и готов к использованию, достаточно хорошо работает на низких оборотах.
- Недостатки: очень сложно найти генераторы нужной мощности, ведь маленькие агрегаты не выдают нужную мощность, очень похотливый.
Цена: начинается от 7 тысяч рублей.
С постоянными магнитами
- Достоинства: Очень высокая эффективность, есть возможность получить много мощности, конструкция крепкая и устойчивая.
- Недостатки: Если делать своими руками, то очень сложный проект, требуется обработка на токарском станке.
Цена: на 500 Вт конструкцию колеблется в районе 14 – 15 тысяч рублей.
Низкооборотный
- Достоинства: Простой в использовании, не требует больших затрат, хорошо работает на низких оборотах.
- Недостатки: Не будет работать на высоких оборотах, слабая мощность.
Цена: Около 10 тысяч рублей.
Асинхронный
- Достоинства: Не дорогой, легко найти, не сложно переоборудовать под ветряк, отлично работает на низких оборотах.
- Недостатки: Внутреннее сопротивление ограничивает мощность, малая эффективность на высоких скоростях.
Цена: Имеется очень огромный сортимент данного товара, цена колеблется в районе 5 тысяч рублей, до пятиста тысяч, ценовой диапазон ориентируется по мощности.
Ископаемые, которые дают человечеству энергию скоро закончатся, нам нужно искать выход. Одним из таких выходов и является ветрогенератор. Его конструкция и установка дорогая, однако, установив его сейчас, вы обеспечиваете светлое будущее своим детям.
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
данный ветряк установлен на берегу скалы, то ветер там создает турбулентные потоки с разных направлений, что не очень эффективно для данной конструкции.
Как рассчитать лопасти
Вычислить диаметр ветряка для определенной мощности можно следующим образом:
- Окружность пропеллера ветрогенератора с определенной мощностью, малыми оборотами и силой ветра, при которых происходит подача нужного напряжения, числом лопастей внести в квадрат.
- Высчитать площадь данного квадрата.
- Разделить площадь получившегося квадрата на мощность конструкции в ватах.
- Перемножить результат с требуемой мощностью в ватах.
- Под этот результат нужно подбирать площадь квадрата, варьируя размеры квадрата до тех пор, пока размер квадрата не достигнет четырех.
- В этот квадрат вписать окружность пропеллера ветрогенератора.
После этого нетрудно будет узнать другие показатели, например, диаметр.
Таким же способом можно рассчитать размеры лопастей.
Расчет максимально приемлемой формы лопастей достаточно мудреный, кустарному мастеру сложно его выполнить, поэтому можно использовать готовые шаблоны, созданные узкими специалистами.
Шаблон лопасти из ПВХ трубы 160 мм в диаметре:
Шаблон лопасти из алюминия:
Можно попробовать самостоятельно определить показатели лопастей ветряного устройства.
Быстроходность ветряного колеса являет собой соотношение круговой скорости края лопасти и скорости ветра, ее можно вычислить по формуле:
На мощность ветряного двигателя оказывают влияние диаметр колеса, форма лопастей, расположение их относительно потока воздуха, скорости ветра.
Ее можно найти по формуле:
При использовании лопастей обтекаемой формы коэффициент использования ветра не выше 0,5. При слабо обтекаемых лопастях – 0,3.
Возможно ли изготовление приспособления своими руками?
Изготовление приспособления вполне возможно. Мало того, это является абсолютной необходимостью. Тормозное устройство должно быть предусмотрено еще на стадии проектирования ветряка. Параметры работы приспособления необходимо как можно тщательнее рассчитать, чтобы его возможности не оказались слишком низкими по сравнению с реальными потребностями конструкции.
Прежде всего надо выбрать способ реализации тормозного устройства. Обычно для таких конструкций используются простые и безотказные механические приспособления, но могут быть созданы и электромагнитные образцы. Выбор зависит от того, какие ветра преобладают в регионе и какова конструкция самого ветряка.
Самый простой вариант — изменение направления оси ротора, производимое вручную. Для этого потребуется лишь установить шарнир, но необходимость выходить при сильном ветре на улицу — не самое лучшее решение. Кроме того, не всегда имеется возможность ручной остановки, так как в этот момент можно находиться далеко от дома.
Вертикалки
Ветряки с вертикальной осью вращения являются наиболее подходящей для самостоятельного изготовления группой устройств. Они имеют простую, понятную конструкцию. Не нуждаются в большом количестве узлов вращения, нетребовательны к направлению ветра. Возможности этой группы породили большое количество вариантов конструкции, некоторые из которых следует рассмотреть подробнее.
ВС
Ветрогенератор Савониуса — одна из наиболее старых разработок, увидевших свет в 20-х годах прошлого столетия. Устройство состоит из двух лопастей достаточно большой площади, изогнутых в продольном направлении. В поперечном сечении они напоминают латинскую букву S. При этом, они слегка сдвинуты друг к другу, несколько перекрывая рабочие стороны.
При воздействии потока ветра одна из лопастей получает усилие на рабочую часть, а вторая — на обратную сторону. Форма лопасти способствует рассечению потока, часть которого уходит в сторону, а другая часть соскальзывает на рабочую поверхность второй лопасти, увеличивая вращающий момент.
Дарье
Конструкция Дарье была предложена почти одновременно с ротором Савониуса. Ее основа — лопасти, имеющие форму крыла самолета и расположенные вертикально по касательной к окружности вращения. Требуется нечетное число лопастей, иначе возникнет чрезмерно высокое уравновешивающее усилие. Подъемная сила лопастей способствует возникновению высокой скорости вращения, превышающей этот показатель в 3-4 раза по сравнению с ротором Савониуса.
Математического описания работы устройства до сих пор не имеется, но разработки, выполненные на основе конструкции, существуют и постоянно пополняются. Существует большое количество моделей частных ветрогенераторов с мощностью, достаточной для обеспечения небольшого дома.
Ортогонал
Ортогональные конструкции являются наиболее эффективными из всех базовых моделей вертикальных ветряков. Они обладают высокими скоростями, чувствительностью, производительностью. Конструкция состоит из нескольких лопастей (обычно три и больше), расположенных на некотором расстоянии от оси параллельно ей. Рассмотренный выше ротор Дарье — один из представителей ортогональных устройств. К недостаткам можно отнести высокие нагрузки на узел вращения, способствующие быстрому выходу из строя движущихся деталей.
Геликоид
Геликоидные конструкции созданы на основе базовой модели ортогонального типа, но со значительными изменениями геометрии лопастей. Они изогнуты по окружности вращения, получив форму, приближенную к спиральной. В результате достигается значительная стабилизация вращения, снижается износ движущихся элементов, конструкция в целом приобретает долговечность, прочность и надежность.
Более плавный режим вращения обеспечивает равномерную выработку электрического тока, что позволяет использовать устройства для прямого питания некоторых потребителей (осветительных устройств, насосов и т.д.). Для самостоятельного изготовления конструкция представляет достаточно трудную задачу из-за сложной геометрической формы лопастей.
Бочка-загребушка
Это — «народное» название многолопастного карусельного (вертикального) ветрогенератора. Устройство имеет хороший баланс, эффективно захватывает поток ветра, низкий уровень шума. Для желающих попробовать силы в изготовлении ветряк своими руками этот вариант конструкции рекомендуется как один из базовых типов конструкции. Лопасти делаются из листовой оцинкованной стали, разрезанных вдоль бочек или иного подручного материала.
Каркас — сваривается из металлического профиля — уголка, трубы и т.п. Особенность устройства в его неуязвимости для сильных порывов ветра — вокруг крыльчатки при усилении потока образуется вихревой кокон, препятствующий проникновению ветра внутрь крыльчатки. Поток просто обтекает устройство, как трубу.
Ветрогенератор Ленца
Особенность конструкции Ленца состоит в использовании вместо подшипников сильных неодимовых магнитов. Они удерживают узел вращения в «подвешенном» состоянии, что обеспечивает легкость вращения. Отсутствие трения способствует высокой долговечности оборудования. Показатели весьма впечатляющие — старт вращения происходит при скорости ветра от 0,17 м/с, а на номинальную производительность ветряк выходит уже при 3,4 м/с.
Разновидности генераторов
Прежде чем решить, как сделать ветрогенератор своими руками, рассмотрим особенности конструкции:
По расположению генератора устройство может быть горизонтальным или вертикальным
- Классическая конструкция — ось вращения расположена параллельно земле, плоскость лопастей — перпендикулярно. Такая схема предусматривает свободное вращение вокруг вертикальной оси, для позиционирования «по ветру».Чтобы плоскость вращения всегда занимала эффективное положения перпендикулярно направлению ветра, требуется хвостовое оперение, которое работает по принципу флюгера. Принцип действия простой: ветер меняет направление, воздействует на хвостовую плоскость, ось вращения генератора всегда расположена вдоль движения потока воздуха. Единственная сложность — подключение силовых кабелей. Если корпус генератора совершит несколько оборотов вокруг вертикальной оси, провода намотаются на мачту, и оборвутся. Поэтому требуется установка ограничителя. Он не позволяет совершить полный оборот, но приводит к зависанию) корпуса в мертвых зонах.Промышленные образцы имеют электронный регулятор слежения за направлением, и поворачивает корпус с помощью встроенного электромотора.Решить проблему можно с помощью цилиндрического пропеллера, который принимает воздушный поток как поперек, так и вдоль оси вращения. Правда, эффективность зависит от угла атаки. Чем больше ветер отклоняется от угла 90°, тем ниже КПД.Но такую конструкцию трудно сделать своими руками, из-за сложностей в аэродинамике движителя.
- Оптимальный вариант — вертикальные генераторы (то есть, ось вращения вала располагается перпендикулярно земле). При таком расположении аэродинамического движителя, вы вообще не зависите от направления ветра. Вращение одинаково эффективно, и зависит только от силы потока воздуха.Форма лопастей может быть самой разной, есть простор для инженерной мысли. Существует множество интересных аэродинамических проектов, разработанных научными учреждениями. Причем чертежи большинства их них представлены в свободном доступе. Причем конструкции, опубликованные в литературе технической направленности времен СССР, порой оказываются наиболее рациональными.Роторные винты имеют неоспоримое преимущество: вертикальный генератор закреплен статично, что упрощает электрическое подключение. Нет необходимости устанавливать ограничители вращения, как в горизонтальных схемах.
По номиналу генерируемого напряжения
- Ветрогенераторы, изготовленные своими руками на 220 вольт, не требуют дополнительных преобразователей величины напряжения, и являются конструкциями прямого применения. Однако их работа зависит от силы ветра. Как минимум, необходим стабилизатор на выходе, выполняющий функцию регулятора при разных оборотах вала. При отсутствии ветра, система просто не работает.Преимущества неоспоримы: как правило, используется мощный электродвигатель, на который можно устанавливать винт, непосредственно закрепив его к валу ротора. Переделки минимальны по трудозатратам, такие моторы уже имеют удобный постамент, остается лишь изготовить опорную площадку.Электродвигатели можно найти с минимальными финансовыми затратами: от любой списанной электроустановки. Например, промышленного вентилятора. Подходят и моторы от бытовой техники: стиральные машины, пылесосы.
- 12 вольт (реже 24 вольта). Наиболее популярная конструкция — ветрогенератор своими руками из автомобильного генератора. Причем он демонтируется из автомобиля-донора в комплекте с преобразователем напряжения. Переделка схемы не требуется: на выходе мы получаем либо 14 вольт (в автомобиле таким напряжением заряжается аккумулятор), либо требуемые для питания вашей энергосистемы 12 вольт. Наличие шкива позволяет сконструировать ременную передачу с требуемым соотношением оборотов. Ответную часть также можно снять с автомобиля донора.При желании, лопасти крепятся непосредственно на вал.Такие ветрогенераторы можно использовать как для непосредственного подключения к потребителю, так и в автомобильном режиме, воспроизведя систему зарядки в комплекте с аккумулятором. Если для организации энергоснабжения требуется 12 вольт, питание берется напрямую с клемм аккумулятора. Для получения 220 вольт, используется преобразователь. Подходящий вариант — источник бесперебойного питания.Система работает следующим образом: если отбираемая мощность ниже, чем может обеспечить генератор — аккумуляторные батареи заряжаются. Если порог превышен — мощность генерируется от АКБ.
Ветровое колесо
Лопасти, пожалуй, самая важная часть ветрогенератора. От конструкции будет зависеть работа остальных узлов устройства. Изготавливают их из разных материалов. Даже из пластиковой канализационной трубы. Лопасти из трубы просты в изготовлении, стоят дёшево и не подвержены воздействию влаги. Порядок изготовления ветроколеса следующий:
- Необходимо рассчитать длину лопасти. Диаметр трубы должен быть равен 1/5 от общего метража. К примеру, если лопасть будет метровая, то подойдёт труба диаметром 20 см.
- Разрезаем трубу лобзиком вдоль на 4 части.
- Из одной части изготавливаем крыло, которое послужит шаблоном для вырезания последующих лопастников.
- Заусенца на краях сглаживаем абразивом.
- Лопасти фиксируют к алюминиевому диску с приваренными полосами для крепления.
- Далее к этому диску прикручивается генератор.
Лопасти для ветрового колеса
После сборки ветроколесо нуждается в балансировке. Его закрепляют на штативе горизонтально. Операцию проводят в закрытом от ветра помещении. В случае правильно проведённой балансировки колесо не должно двигаться. Если же лопасти вращаются сами, то их требуется подточить до придания равновесия всей конструкции.
Только после успешного завершения данной процедуры следует перейти к проверке точности вращения лопастей, они должны крутиться в одной плоскости без перекоса. Допускается погрешность в 2 мм.
Схема сборки генератора
Особенности конструкции лопастей
Относительно конструктивных особенностей лопастей будущего генератора следует отметить, что они не должны быть слишком длинными, а их общее количество обычно не превышает трёх. Подобный выбор объясняется тем, что вес вращающихся элементов в этом случае будет меньше, и риск их разрушения резко снижается.
Обратите внимание! В ряде промышленных образцов используются длинные и сравнительно тяжёлые лопасти, но при этом в их конструкции предусмотрен изменяющийся угол наклона плоскости вращения. Такое устройство подвижного механизма позволяет менять обороты с одновременным снижением уровня шумности. Такое устройство подвижного механизма позволяет менять обороты с одновременным снижением уровня шумности
Такое устройство подвижного механизма позволяет менять обороты с одновременным снижением уровня шумности.
Примерная стоимость самого недорого образца промышленной ветроустановки мощностью до 1 кВт составляет около 50-ти тыс. руб. и более. Для большинства пользователей такая сумма оказывается абсолютно «неподъёмной». Этим объясняется желание многих из них попытаться изготовить ветряной агрегат самостоятельно, воспользовавшись возможностями старого, но ещё рабочего автогенератора.
