Вітрогенератор своїми руками

Вітряна електростанція з шістьма лопастями і радіусом вітроколеса 2 м Короткий зміст статті

1 Вибір потужності
2 Вибір конструкції вітроколеса
3 Електричний генератор для вітряної електростанції
4 Виготовлення вітрогенератора своїми руками
5 Виготовлення лопатей
6 Кріплення генератора до рами
7 Струмоприймач і поворотний вузол
8 Захист від ураганного вітру
9 Щогла
10 Електрична схема
11 Догляд

З цієї статті Ви дізнаєтесь, як виготовити нескладний вітрогенератор своїми руками в домашніх умовах. Така вітряна електростанція завжди буде в нагоді у віддалених місцях, де немає доступу до побутової електричної мережі, наприклад, на віддаленій дачній ділянці. Звичайно, можна використовувати бензиновий генератор, але гуркіт і дим від двигуна внутрішнього згоряння навряд чи комусь припаде до душі, і вже точно це не сприяє відпочинку на природі. Крім того, витрати на бензин будуть досить немаленькими.

Вітряна електростанція зможе заряджати акумуляторні батареї для автономної роботи не дуже потужної побутової техніки та освітлення. Втім, куди саме витрачати отриману енергію, вирішувати Вам.

Ця стаття розрахована на любителів в галузі конструювання вітрогенераторів своїми руками, і тому конструкція обрана максимально проста схема вітряної електростанції. Це буде відносно тихохідний саморобний вітряк (показник швидкохідності Z=3). Така конструкція є надійною і безпечною при роботі.

Промисловий вітрогенератор потужністю 2 кВт компанії AVIC

Вибір потужності вітряної електростанції

Напевно багатьом з тих, хто читає цю статтю, не захочеться обмежуватися будівництвом вітрогенератора для живлення холодильника та освітлення дачі, а відразу побудувати таку електростанцію, щоб живити нею не тільки акумуляторні батареї, але й батареї опалення або бойлер для гарячої води. Але така потужна електростанція буде надзвичайно складна у виготовленні, адже ускладнення конструкції із зростанням потужності зростає навіть не в квадраті, а мало не в кубі!

Як приклад вітряної електростанції потужністю всього 2 кВт можна привести промисловий вітрогенератор W-HR2 міжнародної компанії AVIC (зображений на фото). Цей вітрогенератор номінальною потужністю 2 кВт має ротор діаметром 3,2 м з аеродинамічними металевими лопатями, міцну сталеву щоглу висотою 8 м на масивному залізобетонному фундаменті. Монтаж вузлів проводиться за допомогою автокрана. Очевидно, що розрахунок і виготовлення подібного вітрогенератора складно навіть для окремих спеціалізованих фірм, і практично нереально силами однієї людини-непрофесіонала для спорудження такого вітряка своїми руками.

Таблиця 1. Залежність потужності вітрогенератора від кількості лопатей і діаметра вітроколеса при швидкості вітру 4 м \ с

Потужність, Вт

Діаметр вітроколеса при числі лопатей, м

2

3

4

6

8

16

10

2

1,64

1,42

1,16

1

0,72

20

2,82

2,32

2

1,64

1,42

1

30

3,44

2,82

1,44

2

1,72

1,22

40

4

3,28

2,84

2,32

2

1,42

50

4,48

3,68

3,18

2,6

1,24

1,58

60

4,9

4

3,48

2,84

2,44

1,74

70

5,3

4,34

3,76

3,08

2,64

1,88

80

5,66

4,64

4

3,28

2,82

2

90

6

4,92

4,26

3,48

3

2,12

100

6,34

5,2

4,5

3,68

3,16

2,24

300

10,94

8,98

7,76

6,34

5,46

3,88

500

14

11,48

9,94

8,16

7

5

У табл. 1 показано залежність потужності вітроколеса крильчатого типу від його діаметра і кількості лопатей. Або іншими словами, якими довгими потрібно взяти лопаті певного вітроколеса, щоб отримати потрібну потужність. Дані в цій таблиці грунтуються на практичних випробуваннях експлуатованих вітрогенераторів, у яких КВЕВ (коефіцієнт використання енергії вітру) вітроколеса дорівнює 0,35 (профіль середньої якості), ККД генератора має значення 0,8 і ККД редуктора — 0,9.

Залежність потужності вітрогенератора від швидкості вітру для вітряка потужністю 240 ВтДля когось ці дані можуть на перший погляд здатися занадто завищеними. Так, для прикладу, з табл. 1 видно, що для будівництва вітряної електростанції потужністю 500 Вт з трьома лопатями, діаметр вітроколеса повинен бути рівним 11,48 м. Але не варто лякатися цієї цифри, оскільки дані наведені для слабкого вітру 4 м/с. Це звичайний вітер для рівнинної місцевості далеко від моря.

При цьому із зростанням швидкості вітру потужність вітряної електростанції збільшується. На рис. показано таку залежність для електростанції номінальною потужністю 240 Вт. З графіка видно, що при мінімальному вітрі 4 м/с (при якому електростанція починає працювати), потужність становить всього 30 Вт Але потужність вітроелектростанції пропорційна швидкості вітру в кубі. Тобто при збільшенні швидкості вітру в два рази до максимальної робочої швидкості 8 м/с, потужність вітряної електростанції збільшується в 23=8 раз або з 30 Вт до повної потужності 240 Вт. При більшій швидкості вітру робота вітрової станції повинна обмежуватися.

Вцілому, грунтуючись на практичному досвіді можна зробити висновок, що відносно нескладний саморобний вітрогенератор буде мати потужність в межах 200-500 Вт. Це свого роду «золота середина». Рідко індивідуальним конструкторам вдається зібрати більш потужний вітрогенератор своїми руками, який реально буде працювати.

Форма лопатей старих вітряків є неефективною

Вибір конструкції вітроколеса

Вітряне колесо — найважливіша частина вітрогенератора. Саме воно перетворює енергію вітру в механічну. І від його конструкції залежить вибір всіх інших вузлів, наприклад, генератора електричного струму.

Напевно, всім добре знайома форма вітряних коліс старовинних вітряків. Це як раз той випадок-виняток, коли все забуте старе не завжди добре. Такі вітроколеса вітряка мають дуже низький КВЕВ порядку 0,10-0,15, що набагато менше КВЕВ сучасних швидкохідних крильчастих коліс, який досягає 0,46. Все тому, що низькі пізнання в аеродинаміці старовинних майстрів не дозволяли їм сконструювати досконалішу конструкцію.

На малюнку зображено робота двох типів лопатей: вітрильної (1) і крильчатої (2). Для того щоб зробити вітрильну лопать (1), досить просто прикріпити листовий матеріал до осі, розташувавши під кутом до вітру, тобто за аналогією з вітряними млинами давнини. Але при обертанні такої лопаті вона буде мати значний аеродинамічний опір, який зростає із збільшенням кута атаки. Також на її кінцях утворюються завихрення, і за лопаттю виникає зона зниженого тиску. Все це робить вітрильні лопаті неефективними вітровими рушіями.

Порівняння роботи лопатей при парусній (1) і крильчатій (2) формі Профіль лопаті крильчатого гвинта

Набагато ефективнішою є лопать крильчатого типу (2). При такій формі лопаті, яка схожа на крило літака, втрати від тертя і розрідження зведені до мінімуму. Що стосується кута атаки лопаті, то на практиці встановлено, що найбільш оптимальний кут становить 10-12º. При більшому куті атаки приріст потужності в результаті більш високого тиску вітру на лопать не покривається ростом аеродинамічних втрат.

Промислові електростанції на березі Північного моря з використанням лопат крильчатого типу Звичайно, є багато інших цікавих типів вітрових двигунів, наприклад, вертикально-осьові ротори Савоніуса або ротори Дар'є. Але всі вони мають більш низькі коефіцієнти використання енергії вітру при більш високій матеріаломісткості (у порівнянні з крильчаті колесами). Наприклад, установка з ротором Савоніуса діаметром 2 метри і висотою 2 метри при тихому вітрі 4 м/с матиме корисну потужність 20 Вт Таку ж потужність виробить шістнадцатилопатний крильчатий гвинт діаметром всього 1 метр.

Тому ми не будемо «винаходити велосипед» і відразу за основу візьмемо конструкцію, де використовуються лопаті крильчатого типу з горизонтальною віссю обертання. Саме цей тип вітряного двигуна має максимальний КВЕВ при мінімальній витраті матеріалів. Не дивно, що така конструкція використовується майже в 99% всіх діючих промислових вітрових електростанціях.

Перш за все, потрібно вибрати число лопатей. Найбільш дешевими є дво- і трилопатеві вітроколеса, але вони є швидкохідними і володіють такими недоліками:

— високі робочі обороти призводять до виникнення великих відцентрових і гіроскопічних сил. Гіроскопічні сили навантажують вісь генератора, кріплення і щоглу, а відцентрові прагнуть розірвати лопаті на частини. Так, кругова швидкість решт лопатей швидкохідних дволопатевих вітроколіс нерідко досягає 200 м/с і більше. Для порівняння швидкість кулі, випущеної з рушниці Бейкера 1808 р., дорівнювала 150 м/с. Таким чином, осколки зламаного гвинта можуть розлетітися і поранити або навіть убити людину. З цієї причини нікому не рекомендується виготовляти лопаті високошвидкісних вітроколіс з пластикової труби. Для цих цілей краще підходить більш міцна на розтяг деревина. Виготовлення ж лопатей з дерева досить трудомісткий процес.

— відомо, що чим швидше обертаються лопаті, тим більша сила тертя об повітря. Тому лопаті швидкохідних вітроколіс більш вимогливі до аеродинамічному якості виготовлення. Навіть невеликі похибки сильно знижують КВЕВ швидкохідних лопатей. Вкрай небажано робити швидкохідні лопаті увігнутими, вони повинні мати форму крила літака. Виготовити ж лопаті тихохідного гвинта набагато простіше для любителя. Потрібно сильно «постаратися», щоб зробити лопать для тихохідного гвинта з розрізаної труби з КВЕВ гірше 0,3.

— швидкохідні вітродвигуни видають сильний шум при обертанні, адже навіть аеродинамічно високоякісні лопаті при швидкому обертанні створюють значні зони стиснень і розрідження повітря, а кустарно виготовлені лопаті і поготів. Відповідно, чим більше кругова швидкість і розміри лопаті, тим більше шуму. Тому потужний швидкохідний вітряк не можна просто встановити на даху будинку або в городі при щільній забудові, інакше Ви ризикуєте прокидатися вночі від шуму злітаючого вертольота і зіпсувати відносини з сусідами в додачу.

— чим менше лопатей у вітроколеса, тим більше вібрації. Тому вітроколеса з малим числом лопатей (2-3) буде важче збалансувати.

Враховуючи всі ці недоліки швидкохідних вітроколіс, для більш-менш потужного «вітряка» краще вибрати число лопатей не менше 5-6.

Тепер грунтуючись на даних табл. 1, давайте прикинемо, якої максимальної довжини лопаті підійдуть для виготовлення нескладної електростанції. Очевидно, шестилопатевий гвинт діаметром 2,5-3 м буде складний у виготовленні. Уявіть собі хоча б процес балансування такого гвинта і його установку на щоглу, яка в свою чергу повинна бути досить міцною, щоб витримати вагу такого гвинта і аеродинамічні навантаження. А ось шестилопатевий вітряк діаметром 2 метри або близько того буде під силу ентузіасту для виготовлення своїми руками.

Можливо у когось виникне спокуса, не порахуватися з витратою матеріалів і ще більше збільшити кількість лопатей для збільшення корисної потужності вітроустановки. Так, при числі лопатей двометрового гвинта 12 потужність при «свіжому» вітрі (8 м/с) досягне майже 500 Вт Але таке дороге вітряне колесо вийде занадто тихохідним, а значить, неминуче вимагатиме застосування окремого редуктора, що сильно ускладнить конструкцію вітрової електростанції.

Таким чином, найбільш оптимальною є конструкція гвинта вітрогенератора діаметром 2 м і кількістю лопатей рівним 6.

Електричний генератор для вітряної електростанції

При підборі генератора електричного струму для вітроелектростанції перш за все потрібно визначити частоту обертання вітроколеса. Розрахувати частоту обертання вітроколеса W (при навантаженні) можна за формулою:

W=V/L*Z*60,
L=π*D,

де V — швидкість вітру, м/с; L — довжина кола, м; D — діаметр вітроколеса; Z — показник швидкохідності вітроколеса (див. табл. 2).

Таблиця 2. Показник швидкохідності вітроколеса

Число лопатей

Показник швидкохідності Z

1

9

2

7

3

5

6

3

12

1,2

Якщо в цю формулу підставити дані для вибраного вітроколеса діаметром 2 м і 6 лопатями, то отримаємо частоту обертання. Залежність частоти від швидкості вітру показано в табл. 3.

Таблиця 3. Обороти вітроколеса діаметром 2 м з шістьма лопатями в залежності від швидкості вітру

Швидкість вітру, м / с

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Число обертів, об / хв

29

57

86

115

143

172

201

229

258

287

315

344

Приймемо максимальну робочу швидкість вітру рівну 7-8 м/с. При більш сильному вітрі робота вітрогенератора буде небезпечною і повинна буде обмежуватися. Як ми вже визначили, при швидкості вітру 8 м/с максимальна потужність вибраної конструкції вітроелектростанції буде дорівнює 240 Вт, що відповідає частоті обертання вітроколеса 229 об/хв. Значить, потрібно підібрати генератор з відповідними характеристиками.

Автомобільний генератор Г-221 не підходить для простої вітроелектростанції (його робоча частота обертання менше) Веломотор зручно використовувати як генератора електричного струму для вітроелектростанції

На щастя, часи тотального дефіциту «канули в Лету», і нам не доведеться за традицією пристосовувати автомобільний генератор від ВАЗ-2106 до вітряної електростанції. Проблема в тому, що такий автомобільний генератор, наприклад, Г-221 є високооборотним з номінальною частотою обертання від 1100 до 6000 об/хв. Виходить, без редуктора наше тихохідне вітроколесо ніяк не зможе розкрутити генератор до робочих оборотів.

Робити редуктор до нашого «вітряка» ми не будемо, і тому підберемо інший тихохідний генератор, щоб закріпити вітроколесо просто на валу генератора. Найбільш підходящим для цього є веломотор, спеціально розроблений для мотор-колеса велосипедів. Такі веломотори має низькі робочі обороти, і можуть легко працювати в режимі генератора. Наявність постійних магнітів в цьому типі двигуна буде означати відсутності проблем з порушенням генератора як у випадку, наприклад, з асинхронними двигунами змінного струму, у яких, зазвичай, використовуються електромагніти (обмотка збудження). Без підживлення струмом обмотки збудження такий двигун не буде виробляти струм при обертанні.

До того ж вельми приємна особливість веломоторов полягає в тому, що вони відносяться до безколекторним двигунів, а значить, не вимагають заміни щіток. У табл. 4 представлений приклад технічних характеристик веломотора потужністю 250 Вт Як бачимо з таблиці, цей веломотор відмінно підійде як генератор для «вітряка» потужністю 240 Вт і з максимальними оборотами вітроколеса 229 об/хв.

Таблиця 4. Технічні характеристики веломотора потужністю 250 Вт

Виробник

Golden Motor (Китай)

Номінальна напруга живлення

24 В

Максимальна потужність

250 Вт

Номінальні обороти

200 об/с

Обертальний момент

20 Нм

ККД

81%

Тип живлення статора

безколекторний

Виготовлення вітрогенератора своїми руками

Після того як придбаний генератор, можна приступати до складання вітрогенератора своїми руками. На малюнку зображено улаштування вітроелектростанції. Спосіб кріплення і розташування вузлів може бути іншим і залежить від індивідуальних можливостей конструктора, але потрібно дотримуватися розмірів основних вузлів на рис. 1. Ці розміри підібрані під дану вітряну електростанцію з урахуванням конструкції і розмірів вітроколеса.

Улаштування вітряної електростанції

1. лопаті вітроколеса;

2. генератор (веломотор);

3. станина для закріплення вала генератора;

4. бічна лопать для захисту вітрогенератора від ураганного вітру;

5. струмоприймач, який передає струм до нерухомих проводам;

6. рама для кріплення вузлів вітряної електростанції;

7. поворотний вузол, який дозволяє повертатися вітрогенератору навколо осі;

8. хвіст з опіренням для установки вітроколеса за вітром;

9. щогла вітрогенератора;

10. хомут для кріплення розтяжок

Рис. 1. Основні розміри вузлів вітрогенератора (вид-зверху ): 1. бічна лопать, 2. хвост з опіренням, 3. важіль На рис. 1 зображені розміри бічний лопатей (1), хвіст з оперенням (2), а також важеля (3), через який передається зусилля від пружини. Хвіст з оперенням для повороту вітроколеса за вітром потрібно виготовити за розмірами на рис. 1 з профільної труби 20х40х2, 5 мм і покрівельного заліза як оперення.

Кріпити генератор слід на такій відстані, щоб мінімальна відстань між лопатями і щоглою було не менше 250 мм. В іншому випадку немає гарантій, що лопаті, прогнувшись під дією вітру і гіроскопічних сил, не розіб'ються об щоглу.

Виготовлення лопатей

Вітряк своїми руками зазвичай починається з лопатей. Найбільш підходящим матеріалом для виготовлення лопатей тихохідного вітряка є пластик, точніше пластикова труба. Виготовити лопаті з пластикової труби найпростіше — невелика трудомісткість і важко помилитися новачкові. Також пластикові лопаті на відміну від дерев'яних гарантовано не покорежатся від вологи.

Труба повинна бути з ПВХ діаметром 160 мм для напірного трубопроводу або каналізації, наприклад, SDR PN 6,3. У таких труб товщина стінки не менше 4 мм. Труби для безнапірної каналізації не підійдуть! Ці труби дуже тонкі і неміцні.

Труба SDR PN 6,3 160 мм з 4 мм стінка для виготовлення лопатей Лопаті не можна виготовляти з тонкої труби, інакше вони можуть прогнутися і розбитися об щоглу

На фото зображено вітроколесо з розбився лопатями. Ці лопаті були виготовлені з тонкої ПВХ труби (для безнапірної каналізації). Вони прогнулися від тиску вітру і розбилися об щоглу.

Рис. 2. Шаблон для виготовлення лопаті довгою 1000 мм по трубі 160 мм
Труба з нанесеним контуром форми лопатей по шаблону

Розрахунок оптимальної форми лопаті досить складний і немає необхідності його тут наводити, нехай ним займаються професіонали своєї справи. Нам же достатньо виготовити лопаті, використовуючи вже розрахований шаблон по рис. 2, на якому зображено розміри шаблону в міліметрах. Потрібно просто вирізати такий шаблон з паперу, далі прикласти до труби 160 мм, намалювати контур шаблону на трубі маркером і вирізати лопаті за допомогою електролобзика або вручну. Червоними точками на рис. 2 зображено орієнтовне розташування кріплень лопатей.

У результаті у Вас повинно вийти шість лопатей, формою як на фотографії. Щоб отримані лопаті мали більш високий КВЕВ і менше видавали шуму при обертанні, потрібно сточити гострі кути і краю, а також відшліфувати всі шорсткі поверхні.

Готові лопаті для вітрогенератора Шліфування поверхні лопаті

Для кріплення лопатей до корпусу веломотора потрібно використовувати головку вітродвигуна, яка представляє собою диск з м'якої сталі товщиною 6-10 мм. До нього приварені шість сталевих смуг товщиною 12 мм і монтажною довжиною 30 см з отворами для кріплення лопатей. Диск кріпиться до корпусу веломотора за допомогою болтів з контргайками за отвори під кріплення спиць.

Головка вітродвигуна для кріплення лопатей Балансування вітроколеса

Після виготовлення вітроколеса, його потрібно обов'язково відбалансувати. Для цього вітроколесо закріплюється на висоті в строго горизонтальному положенні. Бажано, це зробити в закритому приміщенні, де немає вітру. При збалансованому вітроколесі лопаті не повинні самовільно повертатися. Якщо ж якась лопать важче, її потрібно сточити з кінця до урівноваження в будь-якому положенні вітроколеса.

Також потрібно перевірити чи обертаються всі лопаті в одній площині. Для цього заміряється відстань від кінця нижньої лопаті до якогось найближчого предмета. Потім вітроколесо повертається і заміряється відстань від обраного предмета до інших лопатей. Відстань від всіх лопатей повинно бути в межах +/-2 мм. Якщо різниця більше, то перекіс потрібно усунути, підігнувши сталеву смугу до якої кріпиться лопать.

Кріплення генератора (веломотора) до рами

Оскільки генератор витримує великі навантаження, в тому числі і від гіроскопічних сил, його слід надійно закріпити. Сам веломотор має міцну вісь, оскільки використовується при великих навантаженнях. Так, його вісь повинна витримувати вагу дорослої людини при динамічних навантаженнях, що виникають при їзді на велосипеді.

Але на рамі велосипеда веломотор кріпиться з двох сторін, а не з одного, як буде при роботі як генератора струму для вітряної електростанції. Тому вал потрібно кріпити до станини, що являє собою металеву деталь з різьбою для накручування на вал веломотора відповідного діаметру (D) і чотирма отворами для кріплення сталевими болтами М8 до рами.

Станина для кріплення вала генератора

Бажано, використовувати максимально велику довжину вільного кінця вала для кріплення. Щоб вал не прокручувався в станині, його потрібно закріпити гайкою з контршайбою. Станину найкраще виготовити з дюралюмінію.

Поворотний вузол і струмоприймач Для виготовлення рами вітрогенератора, тобто основи, на якій будуть розташовуватися всі інші деталі, потрібно використовувати сталеву пластину товщиною 6-10 мм або відрізок швелера підходящої ширини (залежить від зовнішнього діаметра поворотного вузла).

Виготовлення струмоприймача і поворотного вузла

Якщо до генератора просто прив'язати дроти, то рано чи пізно дроти перекрутяться при обертанні вітряка навколо осі і обірвуться. Щоб цього не сталося, потрібно застосувати рухливий контакт — струмоприймач, який складається з втулки, виготовленої з ізоляційного матеріалу (1), контактів (2) і щіток (3). Для захисту від опадів контакти струмоприймача повинні бути закриті.

Для виготовлення струмоприймача вітрогенератора зручно використовувати такий спосіб: спочатку на готовому поворотному вузлі розміщуються контакти, наприклад, з товстої латунної або мідної проволоки прямокутного перерізу (використовується для трансформаторів), контакти мають бути вже з припаяними проводами (10), якими потрібно використовувати одно- або багатожильний мідний дріт перерізом не менше 4 мм2. Контакти накриваються пластиковим стаканчиком або інший ємністю, закривається отвір в опорній втулці (8) і заливається епоксидною смолою. На фото використана епоксидна смола з добавкою двоокису титану. Після затвердіння епоксидної смоли деталь сточується на токарному верстаті до появи контактів.

Виготовлення струмоприймача

Як рухомий контакт краще всього використовувати мідно-графітові щітки від автомобільного стартера з плоскими пружинами.

Мідно-графітові щітки для струмоприймача Деталі поворотного вузла

Для того щоб вітряне колесо вітрогенератора могло повертатися за вітром, необхідно забезпечити рухоме з'єднання рами вітродвигуна з нерухомою щоглою. Підшипники розташовуються між опорною втулкою (8), яка через фланець з'єднується з трубою щогли за допомогою болтів і муфти (6), яка приварюється дугового зварювання (5) до рами (4). Щоб полегшити поворот, потрібен поворотний вузол з використанням підшипників (7) з внутрішнім діаметром не менше 60 мм. Найкраще підійдуть роликопідшипники, що краще сприймають осьові навантаження.

Вітрогенератор із захистом від ураганного вітру з допомогою бічній лопаті

Захист вітряної електростанції від ураганного вітру

Максимальна швидкість вітру, при якій може експлуатуватися дана вітряна електростанція, складає 8-9 м/с. Якщо швидкість вітру більша, робота вітряної електростанції повинна обмежуватися.

Звичайно, запропонований тип вітряка для виготовлення своїми руками тихохідний. Навряд чи лопаті розкрутяться до надзвичайно високих обертів, при яких вони зруйнуються. Але при занадто сильному вітрі тиск на хвіст оперення стає дуже значним, і при різкій зміні напрямку вітру вітрогенератор буде різко повертатися.

Враховуючи ж, що лопаті при сильному вітрі швидко обертаються, то вітроколесо перетворюється у великий важкий гіроскоп, який противиться будь-яких поворотів. Саме тому між рамою і вітроколесом виникають значні навантаження, які зосереджуються на валу генератора. Відомо багато випадків, коли любителі будували вітрогенератори своїми руками без будь-якого захисту від ураганного вітру, і у них через значні гіроскопічних сил ламалися міцні осі автомобільних генераторів.

Крім того, шестилопатеве вітроколесо діаметром 2 м володіє значним аеродинамічним опором, і при сильному вітрі буде значно навантажувати щоглу.

Тому, щоб саморобний вітрогенератор служив довго і надійно, а вітроколесо не звалилося на голову перехожим, необхідно захищати його від ураганних вітрів. Найпростіше захистити вітряк за допомогою бічної лопаті. Це досить простий пристрій, що добре зарекомендував себе на практиці.

Захист вітрогенератора від ураганного вітру бічною лопаттюРобота бічної лопаті полягає в наступному: при робочому вітрі (до 8 м/с) тиск вітру на бічну лопать (1) менше жорсткості пружини (3), і вітряк встановлюється приблизно за вітром за допомогою оперення. Для того щоб пружина не складала вітряк при робочому вітрі більше ніж це потрібно, між хвостом (2) і бічною лопаттю натягнута розтяжка (4).

Коли швидкість вітру досягає 8 м/с, тиск на бічну лопать стає сильнішим, ніж зусилля пружини, і вітрогенератор починає складатися. При цьому вітряний потік починає набігати на лопаті під кутом, що обмежує потужність вітроколеса.

При дуже сильному вітрі вітряк складається повністю, і лопаті встановлюються паралельно напрямку вітру, робота вітряка практично припиняється. Зверніть увагу, що хвіст оперення не пов'язаний з рамою жорстко, а обертається на шарнірі (5), який повинен бути виготовлений з конструкційної сталі і мати діаметр не менше 12 мм.

Розміри бічної лопаті наведені на рис. 1. Саму бічну лопать і її оперення найкраще виготовити з профільної труби 20х40х2,5 мм і сталевого листа товщиною 1-2 мм.

Як робочу пружину можна використовувати будь-які пружини з вуглецевої сталі із захисним цинковим покриттям. Головне, щоб у крайньому положенні зусилля пружини дорівнювало 12 кг, а в початковому положенні (коли вітряк ще не складається) — 6 кг.

Для виготовлення розтяжки слід використовувати сталевий велосипедний трос, кінці троса загинаються в петлю, а вільні кінці закріплюються вісьмома витками мідної проволоки діаметром 1,5-2 мм і спаюються оловом.

Щогла для вітрогенератора зі сталевої труби

Щогла вітрогенератора

Як щоглу для вітряної електростанції можна використовувати сталеву водопровідну трубу діаметром не менше 101-115 мм та мінімальної довжини 6-7 м за умови відносно відкритої місцевості, де на відстані 30 м не було б перешкод для вітру.

Якщо ж вітряну електростанцію неможливо встановити на відкритому майданчику, то тут нічого не поробиш. Потрібно збільшувати висоту щогли так, щоб вітроколесо було хоча б на 1 м вище навколишніх перешкод (будинків, дерев), інакше вироблення електроенергії відчутно знизиться.

Саму основу щогли слід встановлювати на бетонну площадку, щоб вона не продавлювалася в розмоклу грунті.

Як розтяжки потрібно використовувати сталеві оцинковані монтажні троси, діаметром не менше 6 мм. Розтяжки кріпляться до щогли за допомогою хомута. У землі троси кріпляться до міцних сталевим кілочків (з труби, швелера, кутика і т.д.), які закопані в землю під кутом на повну глибину півтора метра. Ще краще, якщо вони додатково замонолічені біля основи бетоном.

Хомут для кріплення розтяжок до щогли Підйом щогли з встановленим вітрогенератором за допомогою стріли противаги

Оскільки щогла в зборі з вітрогенератором має значну вагу, то для ручного встановлення потрібно використовувати противагу, що виготовлена з такої ж сталевої труби, як і щогла або дерев'яного бруса 100х100 мм з вантажем.

Найпростіша електрична схема для вітряної електростанції

Електрична схема вітряної електростанції

На малюнку зображено найпростішу схему зарядки акумуляторів: три виводи від генератора підключаються до трифазного випрямляча, який являє собою три діодних напівмоста, що підключені паралельно і об'єднані зіркою. Діоди повинні бути розраховані на мінімальну робочу напруга 50В і струм 20А. Так як максимальна робоча напруга від генератора дорівнюватиме 25-26 В, то виводи від випрямляча підключаються до двох батарей на 12 вольт, з'єднаних послідовно.

При використанні такої найпростішої схеми зарядка акумуляторів відбувається в такий спосіб: при низькій напрузі менше 22В зарядка акумуляторів відбувається дуже слабо, оскільки струм обмежується внутрішнім опором акумуляторів. При швидкості вітру 7-8 м/с напруга генератора буде в межах 23-25В, і почнеться інтенсивний процес зарядки акумуляторів. При більш високій швидкості вітру робота вітрогенератора буде обмежуватися бічною лопаттю. Для захисту акумуляторних батарей (при аварійній роботі вітряної електростанції) від надмірного сильного струму в схемі має бути плавкий запобіжник, розрахований на максимальний струм 25А.

Як бачите, ця проста схема має значний недолік — при тихому вітрі (4-6 м/с) акумуляторна батарея практично не буде заряджатися, але ж саме такі вітру найчастіше зустрічаються на рівнинній місцевості. Для того щоб заряджати акумуляторні батареї при несильному вітрі, потрібно використовувати контролер заряду, який підключається перед акумуляторними батареями. Контролер заряду буде автоматично перетворювати необхідну напругу, також контролер більш надійний, ніж плавкий запобіжник і попереджає перезаряд акумуляторів.

Контролер заряду 12-24 В Інвертор перетворювач напруги 24В в 220В

Щоб використовувати акумуляторні батареї для живлення побутової техніки, що розрахована на змінну напругу 220 В, необхідний додатковий інвертор для перетворення постійної напруги 24 В відповідної потужності, який підбирається в залежності від пікової потужності. Наприклад, якщо Ви будете підключати до інвертору освітлення, комп'ютер, холодильник, то цілком достатньо інвертора розрахованого на 600Вт, якщо ж плануєте хоч зрідка додатково користуватися електродрилем або дисковою пилкою (1500 Вт), то слід вибрати інвертор потужністю 2000 Вт

Електрична схема контролера для вітряної електростанціїНа малюнку показано більш складну електричну схему: у ній струм від генератора (1) спочатку випрямляється в трифазному випрямлячі (2), далі напруга стабілізується контролером заряду (3) і заряджає акумуляторні батареї на 24 В (4). Для живлення побутових приладів підключається інвертор (5).

Струм від генератора досягає десятків ампер, тому для з'єднання всіх приладів в ланцюзі слід використовувати мідні дроти загальним перетином 3-4 мм2.

Бажано ємність акумуляторних батарей взяти не менше 120А/год. Загальна ємність батарей буде залежати від середньої інтенсивності вітру в регіоні, а також від потужності і частоти підключається навантаження. Більш точно необхідна ємність буде відома в процесі експлуатації вітряної електростанції.

Догляд за вітряної електростанцією

Розглянутий тихохідний вітрогенератор для виготовлення своїми руками, як правило, добре запускається при слабкому вітрі. Для нормальної роботи вітрогенератора вцілому потрібно дотримуватися таких правил:

1. Через два тижні після запуску опустити вітрогенератор при слабкому вітрі і перевірити всі кріплення.

2. Не менш ніж два рази на рік змащувати підшипники поворотного вузла і генератора.

3. При перших ознаках розбалансування вітроколеса (тремтіння лопатей при обертанні у встановленому за вітром положенні) вітрогенератор слід опустити і усунути несправність.

4. Раз на рік перевіряти щітки струмоприймача.

5. Фарбувати металеві деталі вітряної електростанції один раз в 2-3 року.

Ігор Соларов, спеціально для iBud.ua

Дата публікації: 16 грудня 2013

Схожі статті