Вертикальный ветряк своими руками: процесс сборки. Как сделать ветрогенератор своими руками: полезные советы Горизонтальный ветряк для частного дома своими руками

Россия в отношении ветроэнергетических ресурсов занимает двоякое положение. С одной стороны, благодаря огромной общей площади и обилию равнинных местностей ветра в целом много, и он большей частью ровный. С другой – наши ветры преимущественно низкопотенциальные, медленные, см. рис. С третьей, в мало обжитых местностях ветры буйные. Исходя из этого, задача завести на хозяйстве ветрогенератор вполне актуальна. Но, чтобы решить – покупать достаточно дорогое устройство, или сделать его своими руками, нужно как следует подумать, какой тип (а их очень много) для какой цели выбрать.

Основные понятия

1. КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
2. КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
3. Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
4. Максимально допустимая скорость ветра (МДС) – его скорость, при которой выработка энергии прекращается: автоматика или отключает генератор, или ставит ротор во флюгер, или складывает его и прячет, или ротор сам останавливается, или ВСУ просто разрушается.
5. Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
6. Отрицательная стартовая скорость (ОСС) – это значит, что ВСУ (или ВЭУ – ветроэнергетическая установка, или ВЭА, ветроэнергетический агрегат) для запуска при любой скорости ветра требует обязательной раскрутки от постороннего источника энергии.
7. Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
8. Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
9. Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
10. Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
11. Тихоходный ветряк – в нем линейная скорость частей ротора в потоке существенно не превосходит скорость ветра или ниже ее. Динамический напор потока непосредственно преобразуется в тягу лопасти.
12. Быстроходный ветряк – линейная скорость лопастей существенно (до 20 и более раз) выше скорости ветра, и ротор образует свою собственную циркуляцию воздуха. Цикл преобразования энергии потока в тягу сложный.

Примечания:

1. Тихоходные ВСУ, как правило, имеют КИЭВ ниже, чем быстроходные, но имеют стартовый момент, достаточный для раскрутки генератора без отключения нагрузки и нулевую ССВ, т.е. абсолютно самозапускающиеся и применимы при самых слабых ветрах.
2. Тихоходность и быстроходность – понятия относительные. Бытовой ветряк на 300 об/мин может быть тихоходным, а мощные ВСУ типа EuroWind, из которых набирают поля ветроэлектростанций, ВЭС (см. рис.) и роторы которых делают порядка 10 об/мин – быстроходные, т.к. при таком их диаметре линейная скорость лопастей и их аэродинамика на большей части размаха – вполне «самолетные», см. далее.

Какой нужен генератор?

Электрический генератор для ветряка бытового назначения должен вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне скоростей вращения и обладать способностью самозапуска без автоматики и внешних источников питания. В случае использования ВСУ с ОСС (ветряки с раскруткой), обладающих, как правило, высокими КИЭВ и КПД, он должен быть и обратимым, т.е. уметь работать и как двигатель. При мощностях до 5 кВт этому условию удовлетворяют электрические машины с постоянными магнитами на основе ниобия (супермагнитами); на стальных или ферритовых магнитах можно рассчитывать не более чем на 0,5-0,7 кВт.

Примечание: асинхронные генераторы переменного тока или коллекторные с ненамагниченным статором не годятся совершенно. При уменьшении силы ветра они «погаснут» задолго до того, как его скорость упадет до МРС, и потом сами не запустятся.

Отличное «сердце» ВСУ мощностью от 0,3 до 1-2 кВт получается из автогенератора переменного тока со встроенным выпрямителем; таких сейчас большинство. Во-первых, они держат выходное напряжение 11,6-14,7 В в довольно широком диапазоне скоростей без внешних электронных стабилизаторов. Во-вторых, кремниевые вентили открываются, когда напряжение на обмотке достигнет примерно 1,4 В, а до этого генератор «не видит» нагрузки. Для этого генератор нужно уже довольно прилично раскрутить.

В большинстве случаев автогенератор можно непосредственно, без зубчатой или ременной передачи, соединить с валом быстроходного ВД, подобрав обороты выбором количества лопастей, см. ниже. «Быстроходки» имеют малый или нулевой стартовый момент, но ротор и без отключения нагрузки успеет достаточно раскрутиться, прежде чем вентили откроются и генератор даст ток.

Выбор по ветру

Прежде чем решать, какой сделать ветрогенератор, определимся с местной аэрологией. В серо-зеленоватых (безветренных) областях ветровой карты хоть какой-то толк будет лишь от парусного ветродвигателя (и них далее поговорим). Если необходимо постоянное энергоснабжение, то придется добавить бустер (выпрямитель со стабилизатором напряжения), зарядное устройство, мощную аккумуляторную батарею, инвертор 12/24/36/48 В постоянки в 220/380 В 50 Гц переменного тока. Обойдется такое хозяйство никак не менее $20.000, и снять долговременную мощность более 3-4 кВт вряд ли получится. В общем, при непреклонном стремлении к альтернативной энергетике лучше поискать другой ее источник.

В желто-зеленых , слабоветренных местах, при потребности в электричестве до 2-3 кВт самому можно взяться за тихоходный вертикальный ветрогенератор . Их разработано несть числа, и есть конструкции, по КИЭВ и КПД почти не уступающие «лопастникам» промышленного изготовления.

Если же ВЭУ для дома предполагается купить, то лучше ориентироваться на ветряк с парусным ротором. Споров и них много, и в теории пока еще не все ясно, но работают. В РФ «парусники» выпускают в Таганроге на мощность 1-100 кВт.

В красных , ветреных, регионах выбор зависит от потребной мощности. В диапазоне 0,5-1,5 кВт оправданы самодельные «вертикалки»; 1,5-5 кВт – покупные «парусники». «Вертикалка» тоже может быть покупной, но обойдется дороже ВСУ горизонтальной схемы. И, наконец, если требуется ветряк мощностью 5 кВт и более, то выбирать нужно между горизонтальными покупными «лопастниками» или «парусниками».

Примечание: многие производители, особенно второго эшелона, предлагают комплекты деталей, из которых можно собрать ветрогенератор мощностью до 10 кВт самостоятельно. Обойдется такой набор на 20-50% дешевле готового с установкой. Но прежде покупки нужно внимательно изучить аэрологию предполагаемого места установки, а затем по спецификациям подобрать подходящие тип и модель.

О безопасности

Детали ветродвигателя бытового назначения в работе могут иметь линейную скорость, превосходящую 120 и даже 150 м/с, а кусочек любого твердого материала весом в 20 г, летящий со скоростью 100 м/с, при «удачном» попадании убивает здорового мужика наповал. Стальная, или из жесткого пластика, пластина толщиной 2 мм, движущаяся со скоростью 20 м/с, рассекает его же напополам.

Кроме того, большинство ветряков мощностью более 100 Вт довольно сильно шумят. Многие порождают колебания давления воздуха сверхнизкой (менее 16 Гц) частоты – инфразвуки. Инфразвуки неслышимы, но губительны для здоровья, а распространяются очень далеко.

Примечание: в конце 80-х в США был скандал – пришлось закрыть крупнейшую на тот момент в стране ВЭС. Индейцы из резервации в 200 км от поля ее ВСУ доказали в суде, что резко участившиеся у них после ввода ВЭС в эксплуатацию расстройства здоровья обусловлены ее инфразвуками.

В силу указанных выше причин установка ВСУ допускается на расстоянии не менее 5 их высот от ближайших жилых строений. Во дворах частных домовладений можно устанавливать ветряки промышленного изготовления, соответствующим образом сертифицированные. На крышах ставить ВСУ вообще нельзя – при их работе, даже у маломощных, возникают знакопеременные механические нагрузки, способные вызвать резонанс строительной конструкции и ее разрушение.

Примечание: высотой ВСУ считается наивысшая точка ометаемого диска (для лопастных роторов) или геомерической фигуры (для вертикальных ВСУ с ротором на древке). Если мачта ВСУ или ось ротора выступают вверх еще выше, высота считается по их топу – верхушке.

Ветер, аэродинамика, КИЭВ

Самодельный ветрогенератор подчиняется тем же законам природы, что и заводской, рассчитанный на компьютере. И самодельщику основы его работы нужно понимать очень хорошо – в его распоряжении чаще всего нет дорогих суперсовременных материалов и технологического оборудования. Аэродинамика же ВСУ ох как непроста…

Ветер и КИЭВ

Для расчета серийных заводских ВСУ используется т. наз. плоская механистическая модель ветра. В ее основе следующие предположения:

• Скорость и направление ветра постоянны в пределах эффективной поверхности ротора.
• Воздух – сплошная среда.
• Эффективная поверхность ротора равна ометаемой площади.
• Энергия воздушного потока – чисто кинетическая.

При таких условиях максимальную энергию единицы объема воздуха вычисляют по школьной формуле, полагая плотность воздуха при нормальных условиях 1,29 кг*куб. м. При скорости ветра 10 м/с один куб воздуха несет в себе 65 Дж, и с одного квадрата эффективной поверхности ротора можно, при 100% КПД всей ВСУ, снять 650 Вт. Это весьма упрощенный подход – все знают, что ветер идеально ровным не бывает. Но на это приходится идти, чтобы обеспечить повторяемость изделий – обычное в технике дело.

Плоскую модель игнорировать не следует, она дает четкий минимум доступной энергии ветра. Но воздух, во-первых, сжимаем, во-вторых, очень текуч (динамическая вязкость всего 17,2 мкПа*с). Это значит, поток может обтекать ометаемую площадь, уменьшая эффективную поверхность и КИЭВ, что чаще всего и наблюдается. Но в принципе возможна и обратная ситуация: ветер стекается к ротору и площадь эффективной поверхности тогда окажется больше ометаемой, а КИЭВ – больше 1 относительно его же для плоского ветра.

Приведем два примера. Первый – прогулочная, довольно тяжеловесная, яхта может идти не только против ветра, но и быстрее его. Ветер имеется в виду внешний; вымпельный ветер все равно должен быть быстрее, иначе как он судно потянет?

Второй – классика авиационной истории. На испытаниях МИГ-19 оказалось, что перехватчик, который был на тонну тяжелее фронтового истребителя, по скорости разгоняется быстрее. С теми же движками в том же планере.

Теоретики не знали, что и думать, и всерьез засомневались в законе сохранения энергии. В конце концов оказалось – дело в выступающем из воздухозаборника конусе обтекателя РЛС. От его носка к обечайке возникало уплотнение воздуха, как бы сгребавшее его со сторон к компрессорам двигателей. С тех пор ударные волны прочно вошли в теорию как полезные, и фантастические летные данные современных самолетов в немалой степени обусловлены их умелым использованием.

Аэродинамика

Развитие аэродинамики принято делить на две эпохи – до Н. Г. Жуковского и после. Его доклад «О присоединенных вихрях» от 15 ноября 1905 г. стал началом новой эры в авиации.

До Жуковского летали на поставленных плашмя парусах: полагалось, что частицы набегающего потока отдают весь свой импульс передней кромке крыла. Это позволяло сразу избавиться от векторной величины – момента количества движения – порождавшей зубодробительную и чаще всего неаналитическую математику, перейти к куда более удобным скалярным чисто энергетическим соотношениям, и получить в итоге расчетное поле давления на несущую плоскость, более-менее похожее на настоящее.

Такой механистический подход позволил создать аппараты, способные худо-бедно подняться в воздух и совершить перелет из одного места в другое, не обязательно грохнувшись на землю где-то по пути. Но стремление увеличить скорость, грузоподъемность и другие летные качества все больше выявляло несовершенство первоначальной аэродинамической теории.

Идея Жуковского была такова: вдоль верхней и нижней поверхностей крыла воздух проходит разный путь. Из условия непрерывности среды (пузыри вакуума сами по себе в воздухе не образуются) следует, что скорости верхнего и нижнего потоков, сходящих с задней кромки, должны отличаться. Вследствие пусть малой, но конечной вязкости воздуха там из-за разности скоростей должен образоваться вихрь.

Вихрь вращается, а закон сохранения количества движения, столь же непреложный, как и закон сохранения энергии, справедлив и для векторных величин, т.е. должен учитывать и направление движения. Поэтому тут же, на задней кромке, должен сформироваться противоположно вращающийся вихрь с таким же вращательным моментом. За счет чего? За счет энергии, вырабатываемой двигателем.

Для практики авиации это означало революцию: выбрав соответствующий профиль крыла, можно было присоединенный вихрь пустить вокруг крыла в виде циркуляции Г, увеличивающей его подъемную силу. Т.е., затратив часть, а для больших скоростей и нагрузок на крыло – большую часть, мощности мотора, можно создать вокруг аппарата воздушный поток, позволяющий добиться лучших летных качеств.

Это делало авиацию авиацией, а не частью воздухоплавания: теперь летательный аппарат мог сам создавать себе нужную для полета среду и не быть более игрушкой воздушных потоков. Нужен только двигатель помощнее, и еще и еще мощнее…

Снова КИЭВ

Но у ветряка мотора нет. Он, наоборот, должен отбирать энергию у ветра и давать ее потребителям. И здесь выходит – ноги вытащил, хвост увяз. Пустили слишком мало энергии ветра на собственную циркуляцию ротора – она будет слабой, тяга лопастей – малой, а КИЭВ и мощность – низкими. Отдадим на циркуляцию много – ротор при слабом ветре будет на холостом ходу крутиться как бешеный, но потребителям опять достается мало: чуть дали нагрузку, ротор затормозился, ветер сдул циркуляцию, и ротор стал.

Закон сохранения энергии «золотую середину» дает как раз посерединке: 50% энергии даем в нагрузку, а на остальные 50% подкручиваем поток до оптимума. Практика подтверждает предположения: если КПД хорошего тянущего пропеллера составляет 75-80%, то КИЭВ так же тщательно рассчитанного и продутого в аэродинамической трубе лопастного ротора доходит до 38-40%, т.е. до половины от того, чего можно добиться при избытке энергии.

Современность

Ныне аэродинамика, вооруженная современной математикой и компьютерами, все более уходит от неизбежно что-то да упрощающих моделей к точному описанию поведения реального тела в реальном потоке. И тут, кроме генеральной линии – мощность, мощность, и еще раз мощность! – обнаруживаются пути побочные, но многообещающие как раз при ограниченном количестве поступающей в систему энергии.

Известный авиатор-альтернативщик Пол Маккриди еще в 80-х создал самолет, с двумя моторчиками от бензопилы мощностью в 16 л.с. показавший 360 км/ч. Причем шасси его было трехопорным неубирающимся, а колеса – без обтекателей. Ни один из аппаратов Маккриди не вышел на линию и не встал на боевое дежурство, но два – один с поршневыми моторами и пропеллерами, а другой реактивный – впервые в истории облетели вокруг земного шара без посадки на одной заправке.

Парусов, породивших изначальное крыло, развитие теории тоже коснулось весьма существенно. «Живая» аэродинамика позволила яхтам при ветре в 8 узл. встать на подводные крылья (см. рис.); чтобы разогнать такую громадину до нужной скорости гребным винтом, требуется двигатель не менее 100 л.с. Гоночные катамараны при таком же ветре ходят со скоростью около 30 узл. (55 км/ч).

Есть и находки совершенно нетривиальные. Любители самого редкого и экстемального спорта – бейсджампинга – надев апециальный костюм-крыло, вингсьют, летают без мотора, маневрируя, на скорости более 200 км/ч (рис. справа), а затем плавно приземляются в заранее выбранном месте. В какой сказке люди летают сами по себе?

Разрешились и многие загадки природы; в частности – полет жука. По классической аэродинамике, он летать не способен. Точно так же, как и родоначальник «стелсов» F-117 с его крылом ромбовидного профиля тоже не способен подняться в воздух. А МИГ-29 и Су-27, которые некоторое время могут лететь хвостом вперед, и вовсе ни в какие представления не укладываются.

И почему тогда, занимаясь ветродвигателями, не забавой и не орудием уничтожения себе подобных, а источником жизненно важного ресурса, нужно плясать непременно от теории слабых потоков с ее моделью плоского ветра? Неужели не найдется возможности продвинуться дальше?

Чего ожидать от классики?

Однако от классики отказываться ни в коем случае не следует. Она дает основу, не оперевшись на которую нельзя подняться выше. Точно так же, как теория множеств не отменяет таблицу умножения, а от квантовой хромодинамики яблоки с деревьев вверх не улетят.

Итак, на что можно рассчитывать при классическом подходе? Посмотрим на рисунок. Слева – типы роторов; они изображены условно. 1 – вертикальный карусельный, 2 – вертикальный ортогональный (ветряная турбина); 2-5 – лопастные роторы с разным количеством лопастей с оптимизированными профилями.

Справа по горизонтальной оси отложена относительная скорость ротора, т.е., отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. По вертикальной вверх – КИЭВ. А вниз – опять же относительный крутящий момент. Единичным (100%) крутящим моментом считается такой, который создает насильно заторможенный в потоке ротор со 100% КИЭВ, т.е. когда вся энергия потока преобразуется во вращающее усилие.

Такой подход позволяет делать далеко идущие выводы. Скажем, количество лопастей нужно выбирать не только и не столько по желательной скорости вращения: 3- и 4-лопастники сразу много теряют по КИЭВ и вращательному моменту по сравнению с хорошо работающими примерно в том же диапазоне скорстей 2- и 6-лопастниками. А внешне похожие карусель и ортогонал обладают принципиально разными свойствами.

В целом же предпочтение следует отдавать лопастным роторам, кроме случаев, когда требуются предельная дешевизна, простота, необслуживаемый самозапуск без автоматики и невозможен подъем на мачту.

Примечание: о парусных роторах поговорим особо – они, похоже, в классику не укладываются.

Вертикалки

ВСУ с вертикальной осью вращения имеют неоспоримое для быта преимущество: их узлы, требующие обслуживания, сосредоточены внизу и не нужен подъем наверх. Там остается, и то не всегда, упорно-опорный самоустанавливающийся подшипник, но он прочен и долговечен. Поэтому, проектируя простой ветрогенератор, отбор вариантов нужно начинать с вертикалок. Основные их типы представлены на рис.

ВС

На первой позиции – самый простейший, чаще всего называемый ротором Савониуса. На самом деле его изобрели в 1924 г. в СССР Я. А. и А. А. Воронины, а финский промышленник Сигурд Савониус бессовестно присвоил себе изобретение, проигнорировав советское авторское свидетельство, и начал серийный выпуск. Но внедрение в судьбе изобретения значит очень много, поэтому мы, чтобы не ворошить прошлое и не тревожить прах усопших, назовем этот ветряк ротором Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС.

ВС для самодельщика всем хорош, кроме «паровозного» КИЭВ в 10-18%. Однако в СССР над ним работали много, и наработки есть. Ниже мы рассмотрим усовершенствованную конструкцию, не намного более сложную, но по КИЭВ дающую фору лопастникам.

Примечание: двухлопастный ВС не крутится, а дергается рывками; 4-лопастный лишь немного плавнее, но много теряет в КИЭВ. Для улучшения 4-«корытные» чаще всего разносят на два этажа – пара лопастей внизу, а другая пара, повернутая на 90 градусов по горизонтали, над ними. КИЭВ сохраняется, и боковые нагрузки на механику слабеют, но изгибные несколько возрастают, и при ветре более 25 м/с у такой ВСУ на древке, т.е. без растянутого вантами подшипника над ротором, «срывает башню».

Дарье

Следующий – ротор Дарье; КИЭВ – до 20%. Он еще проще: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. Теория ротора Дарье еще недостаточно разработана. Ясно только, что начинает он раскручиваться за счет разности аэродинамического сопротивления горба и кармана ленты, а затем становится вроде как быстроходным, образуя собственную циркуляцию.

Вращательный момент мал, а в стартовых положениях ротора параллельно и перпендикулярно ветру вообще отсутствует, поэтому самораскрутка возможна только при нечетном количестве лопастей (крыльев?) В любом случае на время раскрутки нагрузку от генератора нужно отключать.

Есть у ротора Дарье еще два нехороших качества. Во-первых, при вращении вектор тяги лопасти описывает полный оборот относительно ее аэродинамического фокуса, и не плавно, а рывками. Поэтому ротор Дарье быстро разбивает свою механику даже при ровном ветре.

Во-вторых, Дарье не то что шумит, а вопит и визжит, вплоть до того, что лента рвется. Происходит это вследствие ее вибрации. И чем больше лопастей, тем сильнее рев. Так что Дарье если и делают, то двухлопастными, из дорогих высокопрочных звукопоглощающих материалов (карбона, майлара), а для раскрутки посередине мачты-древка приспосабливают небольшой ВС.

Ортогонал

На поз. 3 – ортогональный вертикальный ротор с профилированными лопастями. Ортогональный потому, что крылья торчат вертикально. Переход от ВС к ортогоналу иллюстрирует рис. слева.

Угол установки лопастей относительно касательной к окружности, касающейся аэродинамических фокусов крыльев, может быть как положительным (на рис.), так и отрицательным, сообразно силе ветра. Иногда лопасти делают поворотными и ставят на них флюгерки, автоматически держащие «альфу», но такие конструкции часто ломаются.

Центральное тело (голубое на рис.) позволяет довести КИЭВ почти до 50% В трехлопастном ортогонале оно должно в разрезе иметь форму треугольника со слегка выпуклыми сторонами и скругленными углами, а при большем количестве лопастей достаточно простого цилиндра. Но теория для ортогонала оптимальное количество лопастей дает однозначно: их должно быть ровно 3.

Ортогонал относится к быстроходным ветрякам с ОСС, т.е. обязательно требует раскрутки при вводе в эксплуатацию и после штиля. По ортогональной схеме выпускаются серийные необслуживаемые ВСУ мощностью до 20 кВт.

Геликоид

Геликоидный ротор, или ротор Горлова (поз. 4) – разновидность ортогонала, обеспечивающая равномерное вращение; ортогонал с прямыми крыльями «рвет» лишь немного слабее двухлопастного ВС. Изгиб лопастей по геликоиде позволяет избежать потерь КИЭВ из-за их кривизны. Хотя часть потока кривая лопасть и отбрасывает, не используя, но зато и загребает часть в зону наибольшей линейной скорости, компенсируя потери. Геликоиды используют реже прочих ветряков, т.к. они вследствие сложности изготовления оказываются дороже равных по качеству собратьев.

Бочка-загребушка

На 5 поз. – ротор типа ВС, окруженный направляющим аппаратом; его схема представлена на рис. справа. В промышленном исполнении встречается редко, т.к. дорогостоящий отвод земли не компенсирует прироста мощности, а материалоемкость и сложность производства велики. Но самодельщик, боящийся работы – уже не мастер, а потребитель, и, если нужно не более 0,5-1,5 кВт, то для него «бочка-загребушка» лакомый кусок:

• Ротор такого типа абсолютно безопасен, бесшумен, не создает вибраций и может быть установлен где угодно, хоть на детской площадке.
• Согнуть «корыта» из оцинковки и сварить каркас из труб – работа ерундовая.
• Вращение – абсолютно равномерное, детали механики можно взять самые дешевые или из хлама.
• Не боится ураганов – слишком сильный ветер не может протолкнуться в «бочку»; вокруг нее возникает обтекаемый вихревой кокон (мы с этим эффектом еще столкнемся).
• А самое главное – поскольку поверхность «загребушки» в несколько раз больше таковой ротора внутри, КИЭВ может быть и сверхединичным, а вращательным момент уже при 3 м/с у «бочки» трехметрового диаметра такой, что генератору на 1 кВт с предельной нагрузкой, как говорится, лучше и не дергаться.

Видео: ветрогенератор Ленца

В 60-х в СССР Е. С. Бирюков запатентовал карусельную ВСУ с КИЭВ 46%. Немного позже В. Блинов добился от конструкции на том же принципе КИЭВ 58%, но данных о ее испытаниях нет. А натурные испытания ВСУ Бирюкова были проведены сотрудниками журнала «Изобретатель и рационализатор». Двухэтажный ротор диаметром 0,75 м и высотой 2 м при свежем ветре раскручивал на полную мощность асинхронный генератор 1,2 кВт и выдерживал без поломки 30 м/с. Чертежи ВСУ Бирюкова приведены на рис.

1. ротор из кровельной оцинковки;
2. самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;
3. ванты – 5 мм стальной трос;
4. ось-древко – стальная труба с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;
5. рычаги аэродинамического регулятора оборотов;
6. лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или листовой пластик;
7. тяги регулятора оборотов;
8. груз регулятора оборотов, его вес определяет частоту вращения;
9. ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;
10. подпятник – упорно-опорный подшипник;
11. ведомый шкив – штатный шкив генератора;
12. генератор.

Бирюков на свою ВСУ получил сразу несколько авторских свидетельств. Во-первых, обратите внимание на разрез ротора. При разгоне он работает подобно ВС, создавая большой стартовый момент. По мере раскрутки во внешних карманах лопастей создается вихревая подушка. С точки зрения ветра, лопасти становятся профилированными, и ротор превращается в быстроходный ортогонал, причем виртуальный профиль меняется соответственно силе ветра.

Во-вторых, профилированный канал между лопастями в рабочем диапазоне скоростей работает как центральное тело. Если же ветер усиливается, то в нем также создается вихревая подушка, выходящая за пределы ротора. Возникает такой же вихревой кокон, как вокруг ВСУ с направляющим аппаратом. Энергия на его создание берется от ветра, и тому на поломку ветряка ее уже не хватает.

В-третьих, регулятор оборотов предназначен прежде всего для турбины. Он держит ее обороты оптимальными с точки зрения КИЭВ. А оптимум частоты вращения генератора обеспечивается выбором передаточного отношения механики.

Примечание: после публикаций в ИР за 1965 г. ВСУ Бирюкова канула в небытие. Ответа от инстанций автор так и не дождался. Судьба многих советских изобретений. Говорят, какой-то японец стал миллиардером, регулярно читая советские популярно-технические журналы и патентуя у себя все, заслуживающее внимания.

Лопастники

Как у сказано, по классике горизонтальный ветрогенератор с лопастным ротором – наилучший. Но, во-первых, ему нужен стабильный хотя бы средней силы ветер. Во-вторых, конструкция для самодельщика таит в себе немало подводных камней, из-за чего нередко плод долгих упорных трудов в лучшем случае освещает туалет, прихожую или крыльцо, а то и оказывается способен только раскрутить самого себя.

По схемам на рис. рассмотрим подробнее; позиции:

• Фиг. А:

1. лопасти ротора;
2. генератор;
3. станина генератора;
4. защитный флюгер (ураганная лопата);
5. токосъемник;
6. шасси;
7. поворотный узел;
8. рабочий флюгер;
9. мачта;
10. хомут под ванты.

• Фиг. Б, вид сверху:

1. защитный флюгер;
2. рабочий флюгер;
3. регулятор натяжения пружины защитного флюгера.

• Фиг. Г, токосъемник:

1. коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;
2. подпружиненные меднографитовые щетки.

Примечание: ураганная защита для горизонтального лопастника диаметром более 1 м совершенно необходима, т.к. создать вокруг себя вихревой кокон он не способен. При меньших размерах можно добиться выносливости ротора до 30 м/с с лопастями из пропилена.

Итак, где нас ждут «спотыки»?

Лопасти

Рассчитывать добиться мощности на валу генератора более 150-200 Вт на лопастях любого размаха, вырезанных из толстостенной пластиковой трубы, как часто советуют – надежды беспросветного дилетанта. Лопасть из трубы (если только она не настолько толстая, что используется просто как заготовка) будет иметь сегментный профиль, т.е. его верхняя, или обе поверхности будут дугами окружности.

Сегментные профили пригодны для несжимаемой среды, скажем, для подводных крыльев или лопастей гребного винта. Для газов же нужна лопасть переменного профиля и шага, для примера см. рис.; размах – 2 м. Это будет сложное и трудоемкое изделие, требующее кропотливого расчета во всеоружии теории, продувок в трубе и натурных испытаний.

Генератор

При насадке ротора прямо на его вал штатный подшипник скоро разобьется – одинаковой нагрузки на все лопасти в ветряках не бывает. Нужен промежуточный вал со специальным опорным подшипником и механическая передача от него на генератор. Для больших ветряков опорный подшипник берут самоустанавливающийся двухрядный; в лучших моделях – трехъярусный, Фиг. Д на рис. выше. Такой позволяет валу ротора не только слегка изгибаться, но и немного смещаться из стороны в сторону или вверх-вниз.

Примечание: на разработку опорного подшипника для ВСУ типа EuroWind ушло около 30 лет.

Аварийный флюгер

Принцип его работы показывает Фиг. В. Ветер, усиливаясь, давит на лопату, пружина растягивается, ротор перекашивается, обороты его падают и в конце концов он становится параллельно потоку. Вроде бы все хорошо, но – гладко было на бумаге…

Попробуйте в ветреный день удержать за ручку параллельно ветру крышку от выварки или большой кастрюли. Только осторожно – вертлявая железяка может садануть по физиономbии так, что расквасит нос, рассечет губу, а то и выбьет глаз.

Плоский ветер бывает только в теоретических выкладках и, с достаточной для практики точностью, в аэродинамических трубах. Реально же ураган ветряки с ураганной лопатой корежит больше, чем вовсе беззащитные. Лучше все-таки менять исковерканные лопасти, чем делать заново все. В промышленных установках – другое дело. Там шаг лопастей, по каждой в отдельности, отслеживает и регулирует автоматика под управлением бортового компьютера. И делаются они из сверхпрочных композитов, а не из водопроводных труб.

Токосъемник

Это – регулярно обслуживаемый узел. Любой энергетик знает, что коллектор со щетками нужно чистить, смазывать, регулировать. А мачта – из водопроводной трубы. Не залезешь, раз в месяц-два придется весь ветряк валить на землю и потом опять поднимать. Сколько он протянет от такой «профилактики»?

Видео: лопастной ветрогенератор + солнечная панель для электроснабжения дачи

Мини и микро

Но с уменьшением размеров лопастника трудности падают по квадрату диаметра колеса. Изготовление горизонтальной лопастной ВСУ своими силами на мощность до 100 Вт уже возможно. Оптимальным будет 6-лопастный. При большем количестве лопастей диаметр ротора, рассчитанного на ту же мощность, будет меньше, но их окажется трудно прочно закрепить на ступице. Роторы о менее чем 6 лопастях можно не иметь в виду: 2-лопастнику на 100 Вт нужен ротор диаметром 6,34 м, а 4-лопастнику той же мощности – 4,5 м. Для 6-лопастного зависимость мощность – диаметр выражается следующим образом:

• 10 Вт – 1,16 м.
• 20 Вт – 1,64 м.
• 30 Вт – 2 м.
• 40 Вт – 2,32 м.
• 50 Вт – 2,6 м.
• 60 Вт – 2,84 м.
• 70 Вт – 3,08 м.
• 80 Вт – 3,28 м.
• 90 Вт – 3,48 м.
• 100 Вт – 3,68 м.
• 300 Вт – 6,34 м.

Оптимальным будет рассчитывать на мощность 10-20 Вт. Во-первых, лопасть из пластика размахом более 0,8 м без дополнительных мер защиты не выдержит ветер более 20 м/с. Во-вторых, при размахе лопасти до тех же 0,8 м линейная скорость ее концов не превысит скорость ветра более чем втрое, и требования к профилировке с круткой снижаются на порядки; здесь уже вполне удовлетворительно будет работать «корытце» с сегментным профилем из трубы, поз. Б на рис. А 10-20 Вт обеспечат питание планшетки, подзарядку смартфона или засветят лампочку-экономку.

Далее, выбираем генератор. Отлично подойдет китайский моторчик – ступица колеса для электровелосипедов, поз. 1 на рис. Его мощность как мотора – 200-300 Вт, но в режиме генератора он даст примерно до 100 Вт. Но подойдет ли он нам по оборотам?

Показатель быстроходности z для 6 лопастей равен 3. Формула для расчета скорости вращения под нагрузкой – N = v/l*z*60, где N – частота вращения, 1/мин, v – скорость ветра, а l – длина окружности ротора. При размахе лопасти 0,8 м и ветре 5 м/с получаем 72 об/мин; при 20 м/с – 288 об/мин. Примерно с такой же скоростью вращается и велосипедное колесо, так что свои 10-20 Вт от генератора, способного дать 100, мы уж снимем. Можно ротор сажать прямо на его вал.

Но тут возникает следующая проблема: мы, потратив немало труда и денег, хотя бы на моторчик, получили… игрушку! Что такое 10-20, ну, 50 Вт? А лопастный ветряк, способный запитать хотя бы телевизор, дома не сделаешь. Нельзя ли купить готовый мини-ветрогенератор, и не обойдется ли он дешевле? Еще как можно, и еще как дешевле, см. поз. 4 и 5. Кроме того, он будет еще и мобильным. Поставил на пенек – и пользуйся.

Второй вариант – если где-то валяется шаговый двигатель от старого 5- или 8-дюймового дисковода, или от привода бумаги или каретки негодного струйного или матричного принтера. Он может работать как генератор, и приделать к нему карусельный ротор из консервных банок (поз. 6) проще, чем собирать конструкцию наподобие показанной на поз. 3.

В целом по «лопастникам» вывод однозначен: самодельные – скорее для того, чтобы помастерить всласть, но не для реальной долговременной энергоотдачи.

Видео: простейший ветрогенератор для освещения дачи

Парусники

Парусный ветрогенератор известен давно, но мягкие полотнища его лопастей (см. рис.) начали делать с появлением высокопрочных износостойких синтетических тканей и пленок. Многолопастные ветряки с жесткими парусами широко разошлись по миру как привод маломощных автоматических водокачек, но их техданные ниже даже чем у каруселей.

Однако мягкий парус как крыло ветряка, похоже, оказался не так-то прост. Дело не в ветроустойчивости (производители не ограничивают максимально допустимую скорость ветра): яхсменам-парусникам и так известно, что ветру разорвать полотнище бермудского паруса практически невозможно. Скорее шкот вырвет, или мачту сломает, или вся посудина сделает «поворот оверкиль». Дело в энергетике.

К сожалению, точных данных испытаний не удается найти. По отзывам пользователей удалось составить «синтетические» зависимости для установки ВЭУ-4.380/220.50 таганрогского производства с диаметром ветроколеса 5 м, массой ветроголовки 160 кг и частотой вращения до 40 1/мин; они представлены на рис.

Разумеется, ручательств за 100% достоверность быть не может, но и так видно, что плоско-механистической моделью тут и не пахнет. Никак не может 5-метровое колесо на плоском ветре в 3 м/с дать около 1 кВт, при 7 м/с выйти на плато по мощности и далее держать ее до жестокого шторма. Производители, кстати, заявляют, что номинальные 4 кВт можно получить и при 3 м/с, но при установке их силами по результатам исследований местной аэрологии.

Количественной теории также не обнаруживается; пояснения разработчиков маловразумительны. Однако, поскольку таганрогские ВЭУ народ покупает, и они работают, остается предположить, что заявленные коническая циркуляция и пропульсивный эффект – не фикция. Во всяком случае, возможны.

Тогда, выходит, ПЕРЕД ротором, по закону сохранения импульса, должен возникнуть тоже конический вихрь, но расширяющийся и медленный. И такая воронка будет сгонять ветер к ротору, его эффективная поверхность получится больше ометаемой, а КИЭВ – сверхединичным.

Пролить свет на этот вопрос могли бы натурные измерения поля давления перед ротором, хотя бы бытовым анероидом. Если оно окажется выше, чем с боков в стороне, то, действительно, парусные ВСУ работают, как жук летает.

Самодельный генератор

Из сказанного выше ясно, что самодельщикам лучше браться или за вертикалки, или за парусники. Но те и другие очень медленные, а передача на быстроходный генератор – лишняя работа, лишние затраты и потери. Можно ли сделать эффективный тихоходный электрогенератор самому?

Да, можно, на магнитах из ниобиевого сплава, т. наз. супермагнитах. Процесс изготовления основных деталей показан на рис. Катушки – каждая из 55 витков медного 1 мм провода в термостойкой высокопрочной эмалевой изоляции, ПЭММ, ПЭТВ и т.п. Высота обмоток – 9 мм.

Обратите внимание на пазы под шпонки в половинах ротора. Они должны быть расположены так, чтобы магниты (они приклеиваются к магнитопроводу эпоксидкой или акрилом) после сборки сошлись разноименными полюсами. «Блины» (магнитопроводы) должны быть изготовлены из магнитомягкого ферромагнетика; подойдет обычная конструкционная сталь. Толщина «блинов» – не менее 6 мм.

Вообще-то лучше купить магниты с осевым отверстием и притянуть их винтами; супермагниты притягиваются со страшной силой. По этой же причине на вал между «блинами» надевается цилиндрическая проставка высотой 12 мм.

Обмотки, составляющие секции статора, соединяются по схемам, также приведенным на рис. Спаянные концы не должны быть натянуты, но должны образовывать петли, иначе эпоксидка, которой будет залит статор, застывая, может порвать провода.

Заливают статор в изложнице до толщины 10 мм. Центрировать и балансировать не нужно, статор не вращается. Зазор между ротором и статором – по 1 мм с каждой стороны. Статор в корпусе генератора нужно надежно зафиксировать не только от смещения по оси, но и от проворачивания; сильное магнитное поле при токе в нагрузке будет тянуть его за собой.

Видео: генератор для ветряка своими руками

Вывод

И что же мы имеем напоследок? Интерес к «лопастникам» объясняется скорее их эффектным внешним видом, чем действительными эксплуатационными качествами в самодельном исполнении и на малых мощностях. Самодельная карусельная ВСУ даст «дежурную» мощность для зарядки автоаккумулятора или энергоснабжения небольшого дома.

А вот с парусными ВСУ стоит поэкспериментировать мастерам с творческой жилкой, особенно в мини-исполнении, с колесом 1-2 м диаметром. Если предположения разработчиков верны, то с такого можно будет снять, посредством описанного выше китайского движка-генератора, все его 200-300 Вт.

Андрей сказал(а):

Спасибо за вашу бесплатную консультацию…А цены “от фирм”не реально дороги,и я думаю,что мастеровые люди из глубинки смогут сделать генераторы подобные вашему.А аккамуляторы Li-po можно выписать из Китая,инверторы в Челябинске делают очень хорошие (с плавным синусом).А паруса,лопасти или роторы – это очередной повод для полёта мысли наших рукастых Русских мужиков.

Иван сказал(а):

вопрос:
Для ветряков с вертикальной осью(позиция 1) и варианта “Ленца” возможно добавить дополнительную деталь – крыльчатку,выставляющуюся по ветру, и закрывающую от него же бесполезную сторону(идущую в сторону ветра). То есть ветер будет не лопасть тормозить, а этот “экран”. Постановка по ветру “хвостом”, находящимся за самим ветряком ниже и выше лопостей(гребней). Читал статью и родилась идея.

Нажимая кнопку «Добавить комментарий», я соглашаюсь с сайта.

Еще недавно ветрогенераторы считались редкостью, зато сегодня данная сфера стремительно развивается, а опыт по созданию ветряков для получения электроэнергии получили многие. Такие устройства можно использовать в самых разных сферах – для водоснабжения, электрификации частных домов, работы сельскохозяйственных агрегатов (к примеру, дробилок) или нагрева воды с целью обогрева жилища.

У промышленных моделей масса преимуществ, за исключением стоимости. Поэтому сегодня мы выясним, как сделать ветрогенератор своими руками и какие материалы/инструменты для этого понадобятся.

Конструктивные особенности и механика ветряного генератора

Принцип действия ветрогенератора заключается в преобразовании кинетической энергии в электроэнергию. Устройство состоит из ряда системных элементов, у каждого из которых имеется своя функция. Попытаемся с этим разобраться.

Обратите внимание! Ветрогенераторы могут быть роторными (вертикальными) и классическими (горизонтальными). У вторых более высокий КПД, поэтому их и делают чаще других.

Стоит заметить, что вертикальные ветряки необходимо поворачивать к ветру, ведь функционировать при боковом потоке они попросту неспособны. У горизонтальных же генераторов есть и другие преимущества. Ознакомимся с ними.

1. Турбины роторных устройств будут «ловить» ветер вне зависимости от того, с какой стороны он дует. Что крайне удобно в случае нестабильного/переменного ветра в регионе.
2. Соорудить горизонтальный ветряк гораздо проще, чем горизонтальный.
3. Конструкция может располагаться непосредственно на земле, но при условии, что ветра там достаточно.

Что же касается недостатков, то у горизонтального ветрогенератора он всего один – достаточно низкий коэффициент полезного действия.

Рассчитываем мощность будущего ветрогенератора

Вначале следует выяснить, какую мощность должен иметь ветрогенератор своими руками, каковы функции и нагрузки, с которыми ему предстоит столкнуться. Как правило, альтернативные источники электричества применяются в качестве вспомогательных, то есть, предназначенных для помощи основному электроснабжению. Следовательно, если мощность системы составляет даже от 500 ватт, это уже вполне хорошо.

Обратите внимание! Чтобы отопить частный дом, имеющий средние размеры, вам потребуется порядка двух-трех киловатт.

Вместе с тем, итоговая мощность ветрогенератора зависит от других факторов, среди которых:

• скорость ветра;
• число лопастей.

Чтобы выяснить подходящее соотношение для приспособлений горизонтального типа, рекомендуем ознакомиться с представленной ниже таблицей. Цифры в ней на пересечении – это необходимая мощность (указана в ваттах).

Таблица. Расчет необходимой мощности для горизонтальных ветряных генераторов.

К примеру, если в вашем регионе скорость ветра преимущественно составляет от 5 до 8 метров в секунду, а требуемая мощность ветрогенератора равна 1,5-2 киловаттам, то диаметр конструкции должен соответствовать примерно 6 метрам и больше.

Какими должны быть лопасти?

Форма лопастей может быть:

• парусной;
• крыльчатой.

Что касается лопастей парусного типа, то являются плоскими, а потому и менее эффективными. Аэродинамики они не учитывают, а крутятся исключительно под напором потока ветра. Как результат – не более 10 процентов всей энергии преобразуется в электрическую. А вот у крыльчатых лопастей площадь у внутренних и наружных поверхностей разная. Еще стоит заметить, что такие лопасти должны располагаться под углом 7-10 градусов относительно ветра.

Теперь несколько слов о материале, из которого должны быть лопасти. Для старинных ветряных мельниц использовались тонике каркасы из древесины, состоящие из жердей и перемычек. На такие каркасы натягивались специальные «крылья», сделанные из тканевого полотна. В случае износа ткани ее просто заменяли на новую. Хотя существует и альтернативный вариант – брать для этих целей плотные материалы (к примеру, брезент).

Хотя своими руками можно изготовить лопасти и из более современных материалов.

1. Если пропеллер небольшой, то в качестве лопастей для него могут послужить разрезанные на части трубы из поливинилхлорида.
2. Также можно использовать легкие металлы (к примеру, дюралюминий).
3. Если планируется использование «парусов», то их можно вырезать из фанеры.
4. Наконец, для большого агрегата лопасти можно сделать из досок (даже если они будут тяжелыми – не беда, нужно лишь, чтобы они друг друга уравновешивали).

Обратите внимание! В случае преобладания порывистых ветров в регионе предпочтение лучше отдавать увесистым лопастям – это обеспечит более стабильное функционирование всей системы.

Что касается диаметра труб, то он должен соответствовать 1/5 их суммарной длины. Каждая из таких труб режется вдоль на четыре куска, а в основании необходимо вырезать прямоугольник размерами 5х5 (тут будут находиться крепления), а после этого – выполнить косой срез, благодаря которому каждая лопасть будет сужаться от основания. Для обработки рваного края используется наждак.

Делаем вертикальный ветряной генератор в домашних условиях

А теперь выясним, как, собственно, изготавливается ветрогенератор своими руками. Процедура состоит из нескольких этапов, ознакомимся с особенностями каждого из них.

Этап первый. Подготавливаем инструменты и материалы

Относительно размеров турбины никаких требований нет – чем она будет большей, тем лучше для самой системы. А в примере, который приведен в данной статье, диаметр турбины составляет 60 сантиметров.

Чтобы сделать вертикальную турбину самостоятельно, заранее подготовьте:

• трубу диаметров в 60 сантиметров, выполненную из нержавеющей стали;
• винты, гайки и прочие крепежные элементы;
• пару пластиковых диском диаметром 60 сантиметров (важно, чтобы пластик был прочным);
• ступицу из автомобиля для основания;
• уголки, с помощью которых будут крепиться лопасти (на каждый элемент – по шесть штук; то есть, 36 экземпляров в общей сложности).

Помимо того, предварительно позаботьтесь о следующих инструментах:

• ключи;
• лобзик;
• маска;
• защитные перчатки;
• болгарка;
• отвертка;
• электродрель.

С целью балансирования лопастей могут быть использованы магниты или небольшие металлические пластины. Если дисбаланс незначительный, то можете попросту просверлить отверстия в соответствующих местах.

Этап второй. Составляет чертеж

Без чертежа здесь точно не обойтись. Можете использовать тот, что приведен ниже, или же составить свой собственный.

Этап третий. Делаем вертикальный ветряк

Шаг 1. Вначале возьмите металлическую трубу и разрежьте ее вдоль таким образом, чтобы в итоге вышло шесть лопастей одинакового размера.

Шаг 2. Вырежьте из пластика пару одинаковых кругов с диаметром 60 сантиметров. Они послужат в качестве опор для нижней и верхней части турбины.

Шаг 3. В верхней опоре можете вырезать небольшой отверстие (диаметром около 30 сантиметров), благодаря чему конструкция несколько облегчится.

Шаг 4. Разметьте по отверстиям на автомобильной ступице аналогичные отверстия в нижней опоре из пластика, необходимые для креплений. Для проделывания отверстий используйте дрель.

Шаг 5. Разметьте в соответствии с шаблоном расположение лопастей (должна получиться пара треугольников, которые как бы образуют звезду). Разметьте места крепежа уголков. На обеих опорах все должно быть одинаково.

Шаг 6. Обрежьте лопасти. Можете резать их сразу по несколько, используя болгарку.

Шаг 7. Разметьте места креплений на лопастях и уголках. Проделайте все эти отверстия.

Шаг 8. Соедините лопасти с основаниями, используя для этого уголки, болты и гайки.

Обратите внимание! Мощность устройства во многом зависит от длины лопастей, но если последние большие, сбалансировать их будет гораздо труднее. Более того, конструкция может «разболтаться» под действием сильного ветра.

Этап четвертый. Изготавливаем генератор

Генератор в данном случае должен бать самовозбуждающимся, причем обязательно на постоянных магнитах. Если вы возьмете обычный генератор от автомобиля, то здесь обмотка напряжения функционирует от аккумулятора, иными словами – в отсутствие напряжения не будет и возбуждения. Следовательно, если вы будете использовать простой генератор в тандеме с аккумулятором, а ветер продолжительное время будет относительно слабым, то аккумулятор вскоре попросту разрядится, а позже, когда ветер возобновится, ветрогенератор своими руками повторно уже не запустится.

Также можно изготовить систему на неодимовых магнитах. Такого рода устройство будет производить от 1,5 киловатта (если ветер слабый) до 3,5 киловатта (если сильный). Пошаговая инструкция по созданию такого генератора выглядит следующим образом.

Шаг 1. Сделайте пару металлических блинов, длина каждого из которых составляла бы около 50 сантиметров.

Шаг 2. Используя суперклей, приклейте к блинам по всему периметру неодимовые магниты размерами 2,5х5.0,12 сантиметра (по двенадцать штук для каждого).

Шаг 3. Разместите блины друг напротив друга, не забывайте при этом о полярности.

Шаг 4. Разместите между ними самопальный статор (из проволоки сечением 0,3 сантиметра сделайте 9 катушек, в каждой – по 70 витков). Соедините катушки «звездочкой» (как показано на изображении), после чего залейте полимерной смолой. При этом важно, чтобы катушки были намотаны в одну сторону, можете пометить конце/начало обмотки с помощью цветной изолетны – так будет удобнее.

Шаг 5. Статор должен получиться около 2 сантиметров в толщину. Обмотка должна выходить посредством болтов с гайками. Дистанция между ротором и статором должна соответствовать 2 миллиметрам.

Магниты будут притягиваться достаточно сильно, а для плавного соединения в них необходимо проделать отверстия и нарезать резьбу под шпильки. Сразу выровняйте роторы, после чего, используя ключи, опустите верхний на нижний. Затем можете убрать временные шпильки.

Обратите внимание! Описанный выше генератор может использоваться не только для вертикальных, но и для горизонтальных ветряков.

Этап пятый. Собираем всю конструкцию

Вначале установите на мачте специальный кронштейн, посредством которого будет крепиться статор (который, в свою очередь, может иметь как три, так и шесть лопастей). Над кронштейном зафиксируйте ступицу, используя все те же гайки. Закрутите на четыре шпильки, которые имеются у ступицы, готовый генератор. После этого соедините статор с кронштейном, который неподвижно зафиксирован на мачте. Ко второй пластине ротора прикрепите турбину. Подключите провода статора к регулятору напряжения, используя клеммы.

Этап шестой. Устанавливаем агрегат, способный превратить ветер в электричество

Для установки всего ветрогенератора своими руками необходимо выполнить действия, которые приведены ниже в виде пошаговой инструкции.

Шаг 1. Забетонируйте в грунте надежное и прочное основание.

Шаг 2. Заливая туда бетонный раствор, добавьте шпильки, необходимые для крепления массивного шарнира (все это с легкостью делается собственноручно).

Шаг 3. Когда бетон окончательно застынет, наденьте шарнир на шпильки и зафиксируйте с помощью гаек.

Шаг 4. Установите мачту в подвижную часть шарнира.

Шаг 5. Сверху мачты прикрепите 3 или 4 растяжки (можете использовать фланец или сварку). Также потребуется стальной трос.

Шаг 6. Поднимите мачту на шарнире, используя один из подготовленных тросов (тянуть можете с помощью легкового автомобиля).

Шаг 7. Вертикальность всей мачты строго фиксируется растяжками.

Где можно устанавливать такой ветрогенератор?

От того, насколько правильно вы подберете место для установки ветрового генератора, во многом зависит эффективность его функционирования. Место должно быть таким, чтобы лопастям системы досталось как можно большее количество ветра. Участок должен быть открытым и возвышенным (например, крыша дома, но как можно дальше от деревьев и других строений). Что характерно, причина тому заключается не только в помехах, но и в произведении устройством некоторого шума при работе, что может не понравиться соседям или самим владельцам.

Для более детального ознакомления с проблемой рекомендуем ознакомиться с приведенным ниже тематическим видеороликом.

Видео – Как сделать ветряной генератор с помощью бытового вентилятора

Роторный (горизонтальный) ветрогенератор

Такое устройство справится с обеспечением электричеством небольшого дома или нескольких хозяйственных построек. Максимальная мощность ветрогенератора не будет превышать 1,5 киловатта.

Для работы подготовьте:

• автомобильный генератор на 12 ватт;
• реле, контрольную лампочку аккумулятора;
• сам аккумулятор на 12 ватт;
• преобразователь тока;
• большую кастрюлю или ведро из дюралюминия либо нержавеющей стали;
• пару хомутов для крепления генератора к мачте;
• выключатель;
• провод, 0,4 и 0,25 сантиметра;
• болты, гайки, шайбы;
• вольтметр.

Инструменты потребуются те же, что и в предыдущем случае. Вначале возьмите кастрюлю (или ведро) и, используя маркер с рулеткой, поделите ее на четыре одинаковые части. Вырежьте лопасти, но до конца не дорезайте (так, как показано на картинке).

Проделайте отверстия для болтов в днище, после чего отогните лопасти, но не очень сильно. Учитывайте при этом тот факт, как будет вращаться генератор (по часовой стрелке или против нее).

Далее закрепите кастрюлю с уже подготовленными лопастями на шкив, закрепите с помощью болтов. Установите на мачту, зафиксированную заранее, генератор (для этого используйте припасенные хомуты), далее соедините все кабели и соберите цепь. Перепишите всю схему, зафиксируйте провода на опоре.

Для подключения аккумулятора используйте 4-миллиметровый кабель длиной максимум 1 метр. Для подключения нагрузки используйте кабель меньшего сечения. Также поставьте инвертер. Ниже приведена примерная схема подключения.

Как видим, соорудить ветрогенератор своими руками вполне возможно. Конструкция может быть двух типов, но при наличии навыков и должного рвения с работой можно справиться даже в одиночку. На этом все, удачи!

Человечество на протяжении всего времени его развития делало, как незначительные, так и колоссальные, буквально меняющие когнитивную и объективную реальность и представления открытия, основанные на самых широких спектрах существующих законов на планете Земля. Все они так или иначе обуславливались определёнными факторами и были плодами нужд и необходимости что-либо улучшить, создать, изменить, подстроить под себя. Исходя из этого, на сегодняшний день буквально пришли к тому, что появляются строго индивидуальные нужды в использовании уже современных и эффективных приборов и механизмов, позволяющих извлекать максимум из всего, что окружает. Речь пойдет о таком устройстве, как ветроустановка (в народе – ветродуйка, ветродуй), а также о том, как же всё-таки сделать его своими собственными руками, затратив минимум энергии и средств, и получив максимальный результат.

Что такое ветровой генератор

Отличным примером для преставления ветрогенератора и его действия может стать известная компьютерная игра Майнкрафт, где ветрогенераторы раскрыты во всех их качествах. Устроен средний мини-генератор определенным образом.

Все ветрогенераторы в своей сущности дифференцируются на следующие основные виды:

1. Одни из самых распространённых – роторные (вертикальные) ветрогенераторы, действующие на основе вертикального осевого вращения, осуществляемого с помощью ротора и лопастей.
2. Крыльчатые ветрогенераторы – горизонтальный механизм осевого вращения, осуществляемых с помощью так называемого колеса и имеющей в своей системе, как правило, пропеллер.
3. Реже также можно наткнуться на барабанные ветрогенераторы, являющиеся, по своей сути, подвидом роторных и действующих на тех же принципах, но в горизонтальной плоскости.

Конечно, первые картинки, что приходят на ум при возникновении образа ветрогенератора – это вращающиеся лопасти, винт, хвост, турбина или, как её ещё называют, ветротурбина, так называемый ротор.

Ключевое звено всей деятельности – генератор, мачта, аккумуляторы, инвертор, подключённый к электросети, мультипликатор (редуктор, при необходимости) и флюгер.

Как сделать ветряк своими руками

Вертикальные ветрогенераторы являются наиболее эффективными и простыми в изготовлении и эксплуатации, что обуславливает их достаточную распространённость, будь то спиральный или прямой механизм.

Большое значение имеет, как цель создания ветрогенератора, так и местность, на которой он будет установлен, от чего и следует отталкиваться при планировке.

Существуют основные моменты, требующие обязательного внимания, при создании ветрогенератора. Первое, что следует определить, – конечно же двигатель всего прогресса, сердце всей системы – генератор, который можно как приобрести, так и сделать самому, что, в сущности, требует определённой сноровки и умений, однако, при должном желании, можно справиться и новичку. В зависимости от поставленной цели, хотите серьёзный аппарат на 10кВт, 5кВт (5kW) или менее мощный на 12V, или более маленький и простой ветродвиатель велосипедного образца, используемый, как электрическая установка на балконе квартиры.

Ветровик может быть оснащён практически любым генератором:

• Будь то многим известный сельский тракторный генератор;
• Деталь из старого компьютера или ЭВМ;
• А может быть это малошумный автомобильный мотор;
• Элемент двигателя стиральной машины, имеет значение лишь его работоспособность.

Далее определяемся с лопастями – теми самыми крутящимися объектами, напоминающими лопасти мельницы. Лопасти можно изготовить из также большого количества материалов, наиболее перспективными и распространёнными из которых являются, например, фанеры, пластика, иногда жести (краёв бочки, например), ПВХ материала и так далее. При изготовлении, следует учитывать все существенные факторы – как влияние центробежной силы, так и размеры лопастей, поток ветра на местности и другие. Наиболее рационально создавать крыльчатого характера, в силу повышения эффективности, путём влияния на распределение ветрового потока.

Следующий шаг – изготовление прибора для определения скорости и направления ветра – флюгера. Представляет собой что-то вроде металлического флажка, изменяющего своё положение в соответствии с потоками ветра. В роль флюгера может подойти практически любой сравнительно прочный, но лёгкий слой металла.

Мачта – в её роли может использоваться также широкий спектр подручных средств, например, прочная водопроводная труба. Самодельный ветряной аппарат (самоделки) вполне реально изготовить самому, как уже было описано, из максимально доступных средств, при чём сила ветряка зависит от используемых материалов и продуманности использования в конкретных условиях. Самый простой представитель таких устройств вполне способен создавать электричества на освещение помещения, зарядки устройств, а при должном желании, даже для обеспечения базовых нужд сравнительно небольшого загородного домика.

Подбор генератора для ветряка

Генератор – важнейший элемент всей установки, без которого невозможно создание ни единого вольта электроэнергии. Изготовить низкооборотный генератор самостоятельно из подручных средств вполне реально, но следует подбирать все элементы под конкретные цели, ведь если речь идёт о мощной установке, то здесь необходимы достаточно серьёзные детали.

Генератор включает в себя:

1. Ротор – подвижный элемент в механизме, выполняющий оборотную функцию, а также на котором размещён прибор, получающий энергию от источника (тела).
2. Статор – тесно взаимосвязанный элемент с ротором, являющийся неподвижным, собирающийся, если речь идёт об генераторе, из металлических листов, присоединённых друг к другу, и на котором размещается индуктор (металлическая обмотка).
3. Неодимовые магниты, выполняющие индукционную функцию.

При этом, для выполнения функции генератора, в зависимости от цели, можно использовать практически любой работоспособный механизм, будь то остатки тракторного двигателя или же электромотор от принтера или стартера вентилятора.

Важно, как подбирается медная электро проволока.

Если речь идёт об изготовлении генератора с нуля, то здесь необходимы элементы. Ступица – средняя часть колеса, металлическое основание для будущего моторчика. Неодимовые магниты в определённом количестве и размерах. Необходимы металлические диски, на которые будут крепиться магниты, полиэфирная смола или иной способный закрепить и склеить магнитный слой, плотный слой бумаги, фанера.

Изготовление ветрогенераторов своими руками на 220В

Изготовить ветрогенератор мощностью 220 вольт вполне реально самому, и даже это далеко не предел возможностей, при должном желании и наличии необходимых материалов.

Отличительными чертами генераторов со сравнительно значимой мощностью до мелких с небольшой мощностью являются:

1. Конечно, более мощная электростанция требует более надежных, прочных деталей и элементов, а также более сильный ветер.
2. Также при создании и содержании ветрогенераторов с мощностью, достаточной для содержания хотя бы одного крупного электробытового прибора, обязательным элементом является аккумулятор, используемый для запасания на нём лишней энергии.
3. Нужно учитывать, что для большего количества энергии, требуется более серьёзная система контроля, что обуславливает встраивание блока управления, включающие в свою систему стабилизаторы напряжения, в такие ветряки.
4. Для более серьёзных и некомпактных систем требуется соответствующая стабильная установка.

Из последнего вытекает потребность в фундаменте, хотя бы в виде небольших подготовленных и залитых лунок для того, чтобы установить в них макет.Также аксиальные генераторы лишены свойства залипания, или, что называется, отправной точки, в силу чего даже малейший ветер способен сдвинуть с места лопасти такого прибора.

В остальном ветрогнераторы на 220 В (в том числе их изготовление) практически не отличаются от иных представителей и подчиняются общим правилам, изложенным выше.

Наиболее распространён ветровой генератор, основа которого – аксиальная система ветроустановок, основанная на использовании в ней неодимовых магнитов, завоевавших своё высокое место на рынке в силу качества, стойкости и доступности.

Этапы строительства ветряков для дома своими руками

Если говорить о загородном участке дачи или усадьбе, но следует понимать, что чем больше потребность, тем больше стоимость. Особенно, если иметь в виду цели отопления или постоянного содержания всех домашних приборов, трудоёмкость и содержание такого устройства, пусть даже он и является одним из самых выгодных.

Ветродвигатель, как уже освещалось выше, вполне может выполнять функцию основного источника электроэнергии даже для целого дома.

Если сравнивать с близкими аналогами, например, солнечный источник во многом уступает ветрякам, ведь солнце бывает не ежедневно, а электрогенератор и подавно не чета ветрогенератору в экономической и экологической составляющей.

Основные компоненты ветрогенератора для дома (к онечно же, говоря о ветрогенераторе для дома, следует понимать, что необходимы все базовые элементы

• Статор, ротор, индуктор, являющиеся основными составными элементами генератора;
• Аккумуляторы для накопления энергии;
• Ветроуловитель, если речь идёт об маловетреной местности.

Помимо того, при изготовлении также можно использовать принципы изобретений ВСУ Склярова, Бирюкова или Третьякова, что существенно повысит рационализм и выгоду использования системы и, для комфорта, уменьшит шумовые эффекты.

Инструкция: как сделать ветрогенератор своими руками

Процесс изготовления ветрогенератора является творческим и то, как он будет устроен, зависит только от мастера. Нет универсальной инструкции, так как каждая конструкция – совокупность различных деталей и других факторов каждого частного случая.

Делается всё с помощью базовых инструментов – шуруповерта, молотка, болгарки и иных подобных.

Первым, что нужно сделать при изготовлении ветрогенератора – это определиться с целью и сделать базовые расчёты, чертежи, определить место и так далее. Далее следует собрать и закрепить лопасти, хвост к аккумулятору (подключить к генератору).

Основная и наиболее оптимальная, апробированная и подробная инструкция по изготовлению ветрогенератора своими руками:

1. Изготовить генератор из заранее приготовленных деталей – 2 подготовленных металлических блина с неодимовыми магнитами скрепляются друг на против друга, между которыми вставляется статор с уже имеющейся на ней медной обмоткой.
2. На мачте (трубе) устанавливается опора (кронштейн), а над ним – ступица.
3. Далее на ступицу следует установить генератор, после чего статор нужно соединить с опорой.
4. На другую часть устанавливается ветротурбина.

Забетонировать и построить основание конструкции, чтобы стабилизировать её при сильном ветре, рассчитав основные параметры, ведь для значительной установки шагового расстояния может быть недостаточно.

Преимущества самодельного ветрогенератора

В заключение, следует отметить, что самодельный ветряной генератор – отличный, современный и с каждым днём всё более доступный источник энергии, распространяющийся с невероятной скоростью. Основные преимущества ветрогенератора, чего не могут присвоить электрогенераторы на основе бензогенератора – высокая экономичность, доступность, эффективность, простота монтажа и эксплуатации, современность, большинство – малошумные, экологичные.

Ветрогенераторы на сегодняшний день являются перспективным и всё более эффективным и набирающим обороты средством получения электроэнергии, при этом являющимися сравнительном экономичными и вполне доступными, даже для того, чтобы сделать такой прибор своими руками.

Ветрогенератор своими руками: 4 кВт (видео)

Ветрогенераторы-самоделки – отличный способ узнать что-то новое, попробовать в новом деле, а также сделать доступный и простой способ обеспечить домик электроэнергией в простейших домашних условиях.

Неисчерпаемая энергия, которую несут с собой воздушные массы, всегда привлекала внимание людей. Наши прадеды научились запрягать ветер в паруса и колеса ветряных мельниц, после чего он два столетия бесцельно носился по необозримым просторам Земли.

Сегодня для него вновь нашлась полезная работа. Ветрогенератор для частного дома из разряда технических новинок становится реальным фактором нашего быта.

Давайте поближе познакомимся с ветряными электростанциями, оценим условия их рентабельного применения и рассмотрим существующие разновидности. Домашние умельцы получат в нашей статье информацию для размышления по теме самостоятельной сборки ветряка и устройствах, необходимых для его эффективной работы.

Что такое ветрогенератор?

Принцип работы бытовой ветряной электростанции прост: воздушный поток вращает лопасти ротора, насаженного на вал генератора и создает в его обмотках переменный ток. Полученное электричество запасается в аккумуляторах и по мере необходимости расходуется бытовыми приборами. Конечно, это упрощенная схема работы домашнего ветряка. В практическом плане он дополняется устройствами, выполняющими преобразование электричества.

Сразу за генератором в энергоцепочке стоит контроллер. Он преобразует трехфазный переменный ток в постоянный и направляет его на зарядку аккумуляторов. Большинство бытовых приборов не может работать от «постоянки», поэтому за аккумуляторами ставится другое устройство – инвертор. Он выполняет обратную операцию: превращает постоянный ток в бытовой переменный напряжением 220 Вольт. Понятно, что эти преобразования не проходят бесследно и забирают от исходной энергии довольно приличную часть (15-20%).

Если ветряк работает в паре с солнечной батареей или другим генератором электричества (бензиновым, дизельным), то схема дополняется автоматическим выключателем (АВР). При отключении основного источника тока, он активирует резервный.

Для получения максимальной мощности ветряной генератор должен располагаться вдоль ветрового потока. В простых системах реализуется принцип флюгера. Для этого на противоположном конце генератора закрепляется вертикальная лопасть, разворачивающая его навстречу ветру.

В более мощных установках стоит поворотный электромотор, управляемый датчиком направления.

Основные виды ветрогенераторов и их особенности

Существует две разновидности ветрогенераторов:

1. С горизонтальным расположением ротора.
2. С вертикальным ротором.

Первый тип – самый распространенный. Он характеризуется высоким КПД (40-50%), но имеет повышенный уровень шума и вибрации. Кроме этого, для его установки требуется большое свободное пространство (100 метров) или высокая мачта (от 6 метров).

Генераторы с вертикальным ротором энергетически менее эффективны (КПД почти в 3 раза ниже, чем у горизонтальных).

К их преимуществам можно отнести простой монтаж и надежность конструкции. Низкая шумность позволяет ставить вертикальные генераторы на крышах домов и даже на уровне земли. Эти установки не боятся обледенения и ураганов. Они запускаются от слабого ветра (от 1,0-2,0 м/с) в то время, как горизонтальному ветряку нужен воздушный поток средней силы (3,5 м/с и выше). По форме рабочего колеса (ротора) вертикальные ветрогенераторы весьма разнообразны.

Роторные колеса вертикальных ветряков

Благодаря малой частоте вращения ротора (до 200 об/мин), механический ресурс таких установок существенно превышает показатели горизонтальных ветрогенераторов.

Как рассчитать и подобрать ветрогенератор?

Ветер это не природный газ, качаемый по трубам и не электроэнергия, бесперебойно поступающая по проводам в наш дом. Он капризен и непостоянен. Сегодня ураган срывает крыши и ломает деревья, а завтра сменяется полным штилем. Поэтому перед покупкой или самостоятельным изготовлением ветряка нужно оценить потенциал воздушной энергии в своем районе. Для этого следует определить среднегодовую силу ветра. Эту величину можно узнать в интернете по соответствующему запросу.

Получив вот такую таблицу, находим район своего проживания и смотрим на интенсивность его окраски, сравнивая ее с оценочной шкалой. Если среднегодовая скорость ветра получится меньше 4,0 метров в секунду, то ветряк ставить нет смысла. Он не даст нужного количества энергии.

Если сила ветра достаточна для установки ветряной электростанции, то можно переходить к следующему шагу: подбору мощности генератора.

Если речь идет об автономном энергоснабжении дома, то в расчет берут среднестатистическое потребление электроэнергии 1 семьей. Оно находится в диапазоне от 100 до 300 кВт*ч в месяц. В регионах с низким годовым ветропотенциалом (5-8 м/сек) такое количество электричества способен сгенерировать ветряк мощностью 2-3 кВт. При этом следует учитывать, что зимой средняя скорость ветра выше, поэтому выработка энергии в этот период будет больше, чем летом.

Выбор ветрогенератора. Ориентировочные цены

Цены на вертикальные отечественные ветрогенераторы мощностью 1,5-2,0 кВт находятся в диапазоне от 90 до 110 тысяч рублей. Комплектация при такой цене включает только генератор с лопастями, без мачты и дополнительного оборудования (контроллер, инвертор, кабель, аккумуляторы). Полнокомплектная электростанция вместе с монтажом обойдется дороже на 40-60%.

Стоимость более мощных ветроустановок (3-5 кВт) составляет от 350 до 450 тысяч рублей (с дополнительным оборудованием и монтажными работами).

Ветряк своими руками. Забава или реальная экономия?

Скажем сразу, что сделать ветрогенератор своими руками полноценным и эффективным непросто. Грамотный расчет ветрового колеса, передаточного механизма, подбор подходящего по мощности и оборотам генератора – отдельная тема. Мы дадим лишь краткие рекомендации по основным этапам данного процесса.

Генератор

Автомобильные генераторы и электродвигатели от стиральных машин с прямым приводом для этой цели не подходят. Они способны генерировать энергию от ветрового колеса, но она будет незначительной. Автогенераторам для эффективной работы нужны очень высокие обороты, которые не может развить ветряк.

В моторах для стиралок другая проблема. Там стоят ферритовые магниты, а для ветрогенератора нужны более производительные – ниодимовые. Процесс их самостоятельного монтажа и намотки токоведущих обмоток требует терпения и высокой точности.

Мощность устройства, собранного своими руками, как правило, не превышает 100-200 Ватт.

В последнее время среди самодельщиков пользуются популярностью мотор-колеса для велосипедов и скутеров. С позиций ветроэнергетики это мощные ниодимовые генераторы, оптимально походящие для работы с вертикальными ветровыми колесами и зарядки аккумуляторов. С такого генератора можно снимать до 1 кВт ветровой энергии.

Мотор-колесо – готовый генератор для самодельной ветряной электростанции

Винт

Проще всего изготавливаются парусный и роторный винты. Первый состоит из легких изогнутых трубок, закрепленных на центральной пластине. На каждую трубку натягиваются лопасти из прочной ткани. Большая парусность винта требует шарнирного крепления лопастей, чтобы при урагане они складывались и не деформировались.

Роторная конструкция ветрового колеса используется для вертикальных генераторов. Она проста в изготовлении и надежна в работе.

Самодельные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения работают от пропеллерного винта. Домашние умельцы собирают его из труб ПВХ диаметром 160-250 мм. Монтаж лопастей выполняется на круглой стальной пластине с посадочным отверстием для вала генератора.