Изготовление ветрогенератора своими руками

 

После того как приобретён генератор, можно приступать к сборке ветрогенератора своими руками. На рисунке изображено устройство ветроэлектростанции. Способ крепления и расположения узлов может быть иным и зависит от индивидуальных возможностей конструктора, но нужно придёрживаться размеров основных узлов на рис. 1. Эти размеры подобранны под данную ветряную электростанцию с учетом конструкции и размеров ветроколеса.

Электрический генератор для ветряной электростанции

При подборе генератора электрического тока для ветроэлектростанции прежде всего нужно определить частоту вращения ветроколеса. Рассчитать частоту вращения ветроколеса W (при нагрузке) можно по формуле:

W=V/L*Z*60,
L=π*D,

где V — скорость ветра, м/с; L — длинна окружности, м; D — диаметр ветроколеса; Z — показатель быстроходности ветроколеса (см. табл. 2).

Таблица 2. Показатель быстроходности ветроколеса

Число лопастей	Показатель быстроходности Z
1	9
2	7
3	5
6	3
12	1,2

 

Если в эту формулу подставить данные для выбранного ветроколеса диаметром 2 м и 6 лопастями, то получим частоту вращения. Зависимость частоты от скорости ветра показано в табл. 3.

 

Таблица 3. Обороты ветроколеса диаметром 2 м с шестью лопастями в зависимости от скорости ветра

Скорость ветра, м/с	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Число оборотов, об/мин	29	57	86	115	143	172	201	229	258	287	315	344

 

Примем максимальную рабочую скорость ветра равной 7-8 м/с. При более сильном ветре работа ветрогенератора будет небезопасной и должна будет ограничиваться. Как мы уже определили, при скорости ветра 8 м/с максимальная мощность выбранной конструкции ветроэлектростанции будет равна 240 Вт, что соответствует частоте вращения ветроколеса 229 об/мин. Значит, нужно подобрать генератор с соответствующими характеристиками.

 

 

К счастью, времена тотального дефицита «канули в Лету», и нам не придётся по традиции приспосабливать автомобильный генератор от ВАЗ-2106 к ветряной электростанции. Проблема в том, что такой автомобильный генератор, например, Г-221 является высокооборотным с номинальной частотой вращения от 1100 до 6000 об/мин. Получается, без редуктора наше тихоходное ветроколесо ни как не сможет раскрутить генератор до рабочих оборотов.

Делать редуктор к нашему «ветряку» мы не будем, и поэтому подберём другой тихоходный генератор, чтобы закрепить ветроколесо просто на валу генератора. Наиболее подходящим для этого является веломотор, специально разработанный для мотор-колеса велосипедов. Такие веломоторы имеет низкие рабочие обороты, и могут легко работать в режиме генератора. Наличие постоянных магнитов в этом типе двигателя будет означать отсутствии проблем с возбуждением генератора как в случае, например, с асинхронными двигателями переменного тока, у которых, обычно, используются электромагниты (обмотка возбуждения). Без подпитки током обмотки возбуждения такой двигатель не будет вырабатывать ток при вращении.

К тому же весьма приятная особенность веломоторов заключается в том, что они относятся к бесколлекторным двигателям, а значит, не требуют замены щёток. В табл. 4 представлен пример технических характеристик веломотора мощностью 250 Вт. Как видим из таблицы, этот веломотор отлично подойдёт в качестве генератора для «ветряка» мощностью 240 Вт и с максимальными оборотами ветроколеса 229 об/мин.

 

Таблица 4. Технические характеристики веломотора мощностью 250 Вт

Производитель	Golden Motor(Китай)
Номинальное напряжение питания	24 В
Максимальная мощность	250 Вт
Номинальные обороты	200 об/с
Крутящий момент	20 Нм
КПД	81%
Тип питания статора	бесколлекторный

 

Изготовление ветрогенератора своими руками

После того как приобретён генератор, можно приступать к сборке ветрогенератора своими руками. На рисунке изображено устройство ветроэлектростанции. Способ крепления и расположения узлов может быть иным и зависит от индивидуальных возможностей конструктора, но нужно придёрживаться размеров основных узлов на рис. 1. Эти размеры подобранны под данную ветряную электростанцию с учетом конструкции и размеров ветроколеса.

Устройство ветрянной электростанции 1. лопасти ветроколеса; 2. генератор (веломотор); 3. станина для закрепления вала генератора; 4. боковая лопата для защиты ветрогенератора от ураганного ветра; 5. токоприёмник, который передаёт ток к неподвижным проводам; 6. рама для крепления узлов ветряной электростанции; 7. поворотный узел, который позволяет поворачиваться ветрогенератору вокруг оси; 8. хвост с оперением для установки ветроколеса по ветру; 9. мачта ветрогенератора; 10. хомут для крепления растяжек

На рис. 1 изображены размеры боковой лопаты (1), хвоста с оперением (2), а также рычага (3), через который передаётся усилие от пружины. Хвост с оперением для поворота ветроколеса по ветру нужно изготовить по размерам на рис. 1 из профильной трубы 20х40х2,5 мм и кровельного железа в качестве оперения.

Крепить генератор следует на таком расстоянии, чтобы минимальное расстояние между лопастями и мачтой было не менее 250 мм. В противном случае нет гарантий, что лопасти, прогнувшись под действием ветра и гироскопических сил, не разобьются об мачту.

 

Изготовление лопастей

Ветряк своими руками обычно начинается из лопастей. Наиболее подходящим материалом для изготовления лопастей тихоходного ветряка является пластик, точнее пластиковая труба. Изготовить лопасти из пластиковой трубы проще всего — небольшая трудоёмкость и трудно ошибиться новичку. Также пластиковые лопасти в отличии от деревянных гарантированно не покорежатся от влаги.

Труба должна быть из ПВХ диаметром 160 мм для напорного трубопровода или канализации, например, SDR PN 6,3. У таких труб толщина стенки не менее 4 мм. Трубы для безнапорной канализации не подойдут! Эти трубы слишком тонкие и непрочные.

 

 

На фото изображено ветроколесо с разбившимися лопастями. Эти лопасти были изготовлены из тонкой ПВХ трубы (для безнапорной канализации). Они прогнулись от давления ветра и разбились об мачту.

 

 

Расчет оптимальной формы лопасти довольно сложный и нет необходимости его тут приводить, пусть им занимаются профессионалы своего дела. Нам же достаточно изготовить лопасти, используя уже рассчитанный шаблон по рис. 2, на котором изображено размеры шаблона в миллиметрах. Нужно просто вырезать такой шаблон из бумаги (фото шаблона лопасти в масштабе 1:2), далее приложить к трубе 160 мм, нарисовать контур шаблона на трубе маркером и вырезать лопасти с помощью электролобзика или вручную. Красными точками на рис. 2 изображено ориентировочное расположение креплений лопастей.

В итоге у Вас должно будет получиться шесть лопастей, формой как на фотографии. Чтобы полученные лопасти имели более высокий КИЭВ и меньше издавали шума при вращении, нужно сточить острые углы и края, а также отшлифовать все шершавые поверхности.

 

 

Для крепления лопастей к корпусу веломотора нужно использовать головку ветродвигателя, которая представляет собой диск из мягкой стали толщиной 6-10 мм. К нему приварены шесть стальных полос толщиной 12 мм и монтажной длинной 30 см с отверстиями для крепления лопастей. Диск крепится к корпусу веломотора с помощью болтов с контргайками за отверстия под крепление спиц.

 

После изготовления ветроколеса, его нужно обязательно отбалансировать. Для этого ветроколесо закрепляется на высоте в строго горизонтальном положении. Желательно, это сделать в закрытом помещении, где нет ветра. При сбалансированном ветроколесе лопасти не должны самопроизвольно поворачиваться. Если же какая-то лопасть тяжелее, её нужно сточить с конца до уравновешивания в любом положении ветроколеса.

Также нужно проверить вращаются ли все лопасти в одной плоскости. Для этого замеряется расстояние от конца нижней лопасти до какого-нибудь ближайшего предмета. Затем ветроколесо поворачивается и замеряется расстояние от выбранного предмета до других лопастей. Расстояние от всех лопастей должно быть в пределах +/- 2 мм. Если разница больше, то перекос нужно устранить, подогнув стальную полосу к которой крепится лопасть.

 

Крепление генератора (веломотора) к раме

Поскольку генератор испытывает большие нагрузки, в том числе и от гироскопических сил, его следует надёжно закрепить. Сам веломотор имеет прочную ось, поскольку используется при больших нагрузках. Так, его ось должна выдерживать вес взрослого человека при динамических нагрузках, возникающих при ездё на велосипеде.

Но на раме велосипеда веломотор крепится с двух сторон, а не с одной, как будет при работе в качестве генератора тока для ветряной электростанции. Поэтому вал нужно крепить к станине, которая представляет собой металлическую деталь с резьбовым отверстием для накручивания на вал веломотора соответствующего диаметра (D) и четырьмя монтажными отверстиями для крепления стальными болтами М8 к раме.

Желательно, использовать максимально большую длину свободного конца вала для крепления. Чтобы вал не прокручивался в станине, его нужно закрепить гайкой с контршайбой. Станину лучше всего изготовить из дюралюминия.

Для изготовления рамы ветрогенератора, то есть основы, на которой будут располагаться все другие детали, нужно использовать стальную пластину толщиной 6-10 мм или отрезок швеллера подходящей ширины (зависит от наружного диаметра поворотного узла).

 

Изготовление токоприёмника и поворотного узла

Если к генератору просто привязать провода, то рано или поздно провода перекрутятся при вращении ветряка вокруг оси и оборвутся. Чтобы этого не произошло, нужно применить подвижный контакт — токоприёмник, который состоит из втулки, изготовленной из изоляционного материала (1), контактов (2) и щёток (3). Для защиты от осадков контакты токоприёмника должны быть закрыты.

Для изготовления токоприёмника ветрогенератора удобно использовать такой способ: сначала на готовом поворотном узле размещаются контакты, например, из толстой латунной или медной проволоки прямоугольного сечения (используется для трансформаторов), контакты должны быть уже с припаянными проводами (10), в качестве которых нужно использовать одно- или многожильный медный провод сечением не менее 4 мм². Контакты накрываются пластиковым стаканчиком или другой ёмкостью, закрывается отверстие в опорной втулке (8) и заливается эпоксидной смолой. На фото использована эпоксидная смола с добавкой двуокиси титана. После затвердевания эпоксидной смолы деталь стачивается на токарном станке до появления контактов.

 

 

В качестве подвижного контакта лучше всего использовать медно-графитовые щетки от автомобильного стартёра с плоскими пружинами.

 

 

Для того чтобы ветряное колесо ветрогенератора могло поворачиваться по ветру, необходимо обеспечить подвижное соединения рамы ветродвигателя с неподвижной мачтой. Подшипники располагаются между опорной втулкой (8), которая через фланец соединяется с трубой мачты с помощью болтов и муфтой (6), которая приваривается дуговой сваркой (5) к раме (4). Чтобы облегчить поворот, нужен поворотный узел с использованием подшипников (7) с внутренним диаметром не менее 60 мм. Лучше всего подойдут роликоподшипники, которые лучше воспринимают осевые нагрузки.

Защита ветряной электростанции от ураганного ветра

Максимальная скорость ветра, при которой может эксплуатироваться данная ветряная электростанция, составляет 8-9 м/с. Если скорость ветра больше, работа ветряной электростанции должна ограничиваться.

Конечно, этот предлагаемый тип ветряка для изготовления своими руками тихоходный. Вряд ли лопасти раскрутятся до чрезвычайно высоких оборотов, при которых они разрушаться. Но при слишком сильном ветре давление на хвост оперения становится очень значительным, и при резком изменении направления ветра ветрогенератор будет резко поворачиваться.

Учитывая же, что лопасти при сильном ветре быстро вращаются, то ветроколесо превращается в большой тяжелый гироскоп, который противится любым поворотам. Именно поэтому между рамой и ветроколесом возникают значительные нагрузки, которые сосредотачиваются на валу генератора. Известно много случаев, когда любители строили ветрогенераторы своими руками без какой-либо защиты от ураганно ветра, и у них из-за значительных гироскопических сил ломались прочные оси автомобильных генераторов. 

Кроме того, шестилопасное ветроколесо диаметром 2 м обладает значительным аэродинамическим сопротивлением, и при сильном ветре будет значительно нагружать мачту.

Поэтому, чтобы самодельный ветрогенератор служил долго и надёжно, а ветроколесо не свалилось на голову прохожим, необходимо защищать его от ураганных ветров. Проще всего защитить ветряк с помощью боковой лопаты. Это довольно простое устройство, которое хорошо зарекомендовало себя на практике.

Работа боковой лопаты заключается в следующем: при рабочем ветре (до 8 м/с) давление ветра на боковую лопату (1) меньше жесткости пружины (3), и ветряк устанавливается приблизительно по ветру с помощью оперения. Для того чтобы пружина не складывала ветряк при рабочем ветре более чем это нужно, между хвостом (2) и боковой лопатой натянута растяжка (4).

Когда скорость ветра достигает 8 м/с, давление на боковую лопату становится сильнее, чем усилие пружины, и ветрогенератор начинает складываться. При этом ветряной поток начинает набегать на лопасти под углом, что ограничивает мощность ветроколеса.

При очень сильном ветре ветряк складывается полностью, и лопасти устанавливаются параллельно направлению ветра, работа ветряка практически прекращается. Обратите внимание, что хвост оперения не связан с рамой жестко, а вращается на шарнире (5), который должен быть изготовлен из конструкционной стали и иметь диаметр не менее 12 мм.

Размеры боковой лопаты приведены на рис. 1. Саму боковую лопату, также как и оперение, лучше всего изготовить из профильной трубы 20х40х2,5 мм и стального листа толщиной 1-2 мм.

В качестве рабочей пружины можно использовать любые пружины из углеродистой стали с защитным цинковым покрытием. Главное, чтобы в крайнем положении усилие пружины равнялось 12 кг, а в начальном положении (когда ветряк ещё не складывается) — 6 кг.

Для изготовления растяжки следует использовать стальной велосипедный тросик, концы тросика загибаются в петлю, а свободные концы закрепляются восемью витками медной проволки диаметром 1,5-2 мм и спаиваются оловом.

 

Мачта ветрогенератора

В качестве мачты для ветряной электростанции можно использовать стальную водопроводную трубу диаметром не менее 101-115 мм и минимальной длинной 6-7 метров при условии относительно открытой местности, где на расстоянии 30 м не было бы препятствий для ветра.

Если же ветряную электростанцию невозможно установить на открытой площадке, то тут ничего не поделаешь. Нужно увеличивать высоту мачты так, чтобы ветроколесо было хотя бы на 1 м выше окружающих препятствий (домов, деревьев), иначе выработка электроэнергии ощутимо снизится.

Само основание мачты следует устанавливать на бетонную площадку, чтобы оно не продавливалось в размокшую почву.

В качестве растяжек нужно использовать стальные оцинкованные монтажные тросы, диаметром не менее 6 мм. Растяжки крепятся к мачте посредством хомута. У земли тросы крепятся к прочным стальным колышкам (из трубы, швеллера, уголка и т.д.), которые закопаны в землю под углом на полную глубину полтора метра. Ещё лучше, если они дополнительно замоноличенны у основания бетоном.

Поскольку мачта в сборе с ветрогенератором обладает значительным весом, то для ручной установки нужно использовать противовес, изготовленный из такой же стальной трубы, как и мачта или деревянного бруса 100х100 мм с грузом.

Электрическая схема ветряной электростанции

На рисунке изображена простейшая схема зарядки аккумуляторов: три вывода от генератора подключаются к трёхфазному выпрямителю, который представляет собой три диодных полумоста подключенных параллельно и объединённых звездой. Диоды должны быть рассчитаны на минимальное рабочее напряжение 50В и ток 20А. Так как максимальное рабочее напряжение от генератора будет равно 25-26 В, то выводы от выпрямителя подключаются к двух батареям на 12 вольт, соединённых последовательно.

При использовании такой простейшей схемы зарядка аккумуляторов протекает следующим образом: при низком напряжении менее 22 В зарядка аккумуляторов происходит очень слабо, поскольку ток ограничивается внутренним сопротивлением аккумуляторов. При скорости ветра 7-8 м/с вырабатываемое напряжение генератора будет в пределах 23-25 В, и начнётся интенсивный процесс зарядки аккумуляторов. При более высокой скорости ветра работа ветрогенератора будет ограничиваться боковой лопатой. Для защиты аккумуляторных батарей (при аварийной работе ветряной электростанции) от чрезмерного сильного тока в схеме должен быть плавкий предохранитель, рассчитанный на максимальный ток 25 А.

Как видите, эта простая схема имеет значительный недостаток — при тихом ветре (4-6 м/с) аккумуляторная батарея практически не будет заряжаться, а ведь именно такие ветра чаще всего встречаются на равнинной местности. Для того чтобы подзаряжать аккумуляторные батареи при несильном ветре, нужно использовать контроллер заряда, который подключается перед аккумуляторными батареями. Контроллер заряда будет автоматически преобразовывать необходимое напряжение, также контроллер более надёжен, чем плавкий предохранитель и предупреждает перезаряд аккумуляторов.

Чтобы использовать аккумуляторные батареи для питания бытовой техники рассчитанной на переменное напряжение 220 В, понадобится дополнительно инвертор для преобразования постоянного напряжения 24 В соответствующей мощности, которая подбирается в зависимости от пиковой мощности. Например, если Вы будете подключать к инвертору освещение, компьютер, холодильник, то вполне достаточно инвертора рассчитанного на 600Вт, если же планируете хоть изредка дополнительно пользоваться электродрелью или дисковой пилой (1500 Вт), то следует выбрать инвертор мощностью 2000 Вт.

На рисунке показано более сложную электрическую схему: в ней ток от генератора (1) сначала выпрямляется в трехфазном выпрямителе (2), далее напряжение стабилизируется контроллером заряда (3) и заряжает аккумуляторные батареи на 24 В (4). Для питания бытовых приборов подключается инвертор (5).

Токи от генератора достигают десятки ампер, поэтому для соединения всех приборов в цепи следует использовать медные провода общим сечением 3-4 мм².

Желательно ёмкость аккумуляторных батарей взять не менее 120 а/ч. Общая емкость батарей будет зависеть от средней интенсивности ветра в регионе, а также от мощности и частоты подключаемой нагрузки. Более точно необходимая ёмкость будет известна в процессе эксплуатации ветряной электростанции.

Уход за ветряной электростанцией

Рассмотренный тихоходный ветрогенератор для изготовления своими руками, как правило, хорошо запускается при слабом ветре. Для нормальной работы ветрогенератора вцелом нужно придерживаться таких правил:

1. Через две недели после запуска опустить ветрогенератор при слабом ветре и проверить все крепления.

2. Не менее чем два раза в год смазывать подшипники поворотного узла и генератора.

3. При первых признаках разбалансировки ветроколеса (дрожание лопастей при вращении в установившемся по ветру положении) ветрогенератор следует опустить и устранить неисправность.

4. Раз в год проверять щетки токоприёмника.

 

5. Красить металлические детали ветряной электростанции один раз в 2-3 года.

 

 ИГОРЬ СТЕЛЬМАХ