Самодельный генератор из асинхронного электродвигателя. Генератор свободной энергии своими руками: схема

В современных реалиях каждый домовладелец хорошо знаком с постоянным ростом стоимости коммунальных услуг – это касается и электрической энергии. Поэтому для создания комфортных условий обитания в загородном домостроении, как летом, так и зимой, придётся или оплачивать услуги по энергоснабжению, или найти альтернативный выход из сложившейся ситуации, благо природные источники энергии бесплатны.

Как сделать ветрогенератор своими руками - пошаговое руководство

Территория нашего государства – это по большей части равнины. Несмотря на то, что в городах доступ ветра перекрыт высотными постройками, за городом буйствуют сильные воздушные потоки. Поэтому самостоятельное изготовление ветряного генератора - единственно правильное решение для обеспечения загородного дома электричеством. Но для начала нужно разобраться, какая модель подходит для самостоятельного изготовления.

Роторный

Роторный ветряк – несложное преобразовательное устройство, которое просто сделать своими руками. Естественно, такое изделие не сможет обеспечить электроэнергией загородный особняк, но для дачного домика вполне сгодится. Он позволит осветить не только жиле домостроение а, и хозяйственные постройки и даже дорожки в саду. Для самостоятельной сборки агрегата мощностью до 1500 ватт нужно подготовить расходные материалы и комплектующие из следующего перечня:

Естественно, нужно иметь и минимальный комплект инструмента: ножницы для резки металла, болгарка, измерительная рулетка, карандаш, набор гаечных ключей и отвёрток, дрель со свёрлами и пассатижи.

Пошаговые действия

Сборку начинают с изготовления ротора и переделки шкива для чего придерживаются определённой последовательности работ.

Для подсоединения аккумуляторной батареи используются проводники с 4 мм сечением и длиной не более 100 см. Потребители подключаются проводниками с сечением в 2 мм. Важно в разрыв цепи включить преобразователь постоянного напряжения в переменное значение 220В согласно схеме клеммных контактов.

Плюсы и минусы конструкции

Если все манипуляции проделаны, верно, то аппарат прослужит достаточно долго. При использовании достаточно мощной аккумуляторной батареи и подходящего инвертора до 1,5 кВт можно обеспечить питанием уличное и внутридомовое освещение, холодильник и телевизор. Сделать такой ветряк очень просто и экономически выгодно. Такое изделие легко ремонтируется и неприхотливо в использовании. Оно очень надёжно в плане работы и не шумит, надоедая обитателям дома. Однако роторный ветряк имеет низкую производительность, и его работа зависит от наличия ветра.

Аксиальная конструкция с без железным статором на основе неодимовых постоянных магнитов, на территории нашего государства появились не так давно из-за недоступности комплектующих частей. Но на сегодняшний день, мощные магниты не являются редкостью, да и стоимость на них значительно упала по сравнению с несколькими годами тому назад.

Основой такого генератора является ступица с тормозными дисками от легковой машины. Если это будет не новая деталь, то целесообразно её перебрать и сменить смазочные материалы и подшипники.

Размещение и установка неодимовых магнитов

Работы начинают с наклеивания магнитов на диск ротора. С этой целью используются магниты в количестве 20 шт. и размерами 2,5 на 0,8 см. Для изменения количества полюсов нужно придерживаться следующих правил:

• однофазный генератор подразумевает количество магнитов соответствующе числу полюсов;
• в случае с трёхфазным прибором соблюдается соотношение в 2/3 полюсов и катушек соответственно;
• размещение магнитов должно происходить с чередованием полюсов, для упрощения их распределения лучше пользоваться готовым шаблоном, сделанным из картона.

По возможности целесообразно использовать магниты прямоугольной формы, так как в круглых аналогах сосредоточение магнитных полей идёт в центре, а не по всей поверхности. Важно соблюсти условие, чтобы стоящие друг напротив друга магниты имели противоположные полюса. С целью определения полюсов магниты подносятся друг к другу, и притягивающиеся стороны являются положительными, следовательно, отталкивающиеся края отрицательными.

Для крепления магнитов используется специальный клеевой состав, после чего для увеличения прочности выполняют усиление посредством эпоксидной смолы. С этой целью, ею заливают магнитные элементы. Для предотвращения растекания смолы делают бортики при помощи обычного пластилина.

Агрегат трёхфазного и однофазного типа

Однофазные статоры по своим параметрам уступают трёхфазным аналогам, так как при увеличении нагрузки возрастает вибрация. Это обусловлено разницей амплитуды тока возникающей в результате непостоянности его отдачи за определённый промежуток времени. В свою очередь, в трёхфазном аналоге такой проблемы нет. Это позволило увеличить отдачу трёхфазного генератора почти на 50% в сравнении с однофазной моделью. Плюс ко всему из-за отсутствия дополнительной вибрации во время работы устройства не создаются посторонние шумы.

Намотка катушек

Каждый электрик в курсе, что прежде чем начинать намотку катушки, важно выполнить предварительные расчёты. Самодельный ветрогенератор на 220В – устройство, работающее на малых скоростях. Необходимо добиться, чтобы зарядка аккумуляторной батареи стартовала со 100 оборотов в минуту.

Если исходить из таких параметров, то для намотки всех катушек потребуется не более 1200 витков. Для определения витков для одной катушки нужно выполнить простое деление общих показателей на число отдельных элементов.

Для поднятия мощности ветряка с низкими оборотами увеличивается число полюсов. При этом будет происходить увеличение частоты тока в катушках. Намотка катушек должна, выполнятся толстыми медными проводами. Это позволит уменьшить величину сопротивления а, следовательно, увеличить силу тока. Важно учитывать, что с резким увеличением напряжения ток может полностью расходоваться на сопротивление обмоток. Для упрощения намотки можно использовать специальный станок.

В соответствии с числом и толщиной магнитов, закреплённых на дисках, изменяются рабочие характеристики аппарата. Чтобы выяснить, какие показатели мощности получатся в конечном счёте, достаточно выполнить намотку одного элемента и прокрутить его в агрегате. Для определения мощностных характеристик замеряется напряжение при определённых оборотах.

Зачастую катушка выполняется круглой, но целесообразно её слегка вытянуть. В таком случае меди в каждом секторе будет больше, а расположение витков становится плотнее. По диаметру внутреннее отверстие катушки должно равняться габаритам магнита. При изготовлении статора важно учитывать, что он по толщине должен равняться параметрам магнитов.

Обычно в качестве заготовки для статора используется фанера, но, вполне возможно, выполнить разметку на бумажном листе расчертив сектора для катушек, а для бордюров использовать обычный пластилин. Для придания прочности изделию используется стеклоткань, располагаемая на дне формы сверху катушек. Важно чтобы не происходило прилипания эпоксидной смолы к форме. Для этого её покрывают сверху воском. Катушки неподвижно фиксируются друг с другом, а концы фаз выводятся наружу. После чего выполняется соединение всех проводов по схеме звезда или треугольник. Для тестирования готового устройства его вращают вручную.

Обычно конечная высота мачты составляет 6 метров, но по возможности лучше её увеличить в 2 раза. Из-за этого для её крепления используется бетонное основание. Крепление должно быть таким, чтобы труба легко поднималась и опускалась с помощью лебёдки. На верхнем конце трубы выполняется фиксация винта.

Чтобы сделать винт, понадобиться ПВХ труба, сечение которой должно составлять 16 см. Из трубы вырезается винт двухметровой длины с шестью лопастями. Оптимальная форма лопастей определяется экспериментальным путём, что позволяет увеличить крутящий момент при минимальных оборотах. Для отвода винта от сильных порывов ветра используется хвост складной конструкции. Вырабатываемая электроэнергия накапливается в аккумуляторных батареях.

Видео: самодельный ветряной генератор

После рассмотрения доступных вариантов ветрогенераторов каждый домовладелец сможет определиться с подходящим для его целей устройством. Каждый из них имеет как свои положительные стороны, так и отрицательные качества. Особенно прочувствовать эффективность ветряка можно за городом, где происходит постоянное движение воздушных масс.

К сожалению, часто электроснабжающие организации не справляются с обеспечением частных домовладений электроэнергией. Из-за перебоев с электричеством владельцы дач и загородных коттеджей вынуждены обращаться к альтернативным источникам электричества. Наиболее распространенный из них – генератор.

Особенности электрогенератора и область его применения

Электрогенератором называется мобильный прибор, служащий для преобразования и накапливания электроэнергии. Принцип действия данного устройства несложен, что позволяет изготовить его собственноручно. Схему простого генератора можно легко найти в Интернете.

Агрегат, сделанный вручную, не станет достойным конкурентом изделию, собранному на заводе, но это оптимальное решение, если вы хотите сэкономить значительную сумму денег.

Электрогенераторы имеют довольно широкую область применения. Как видно на фото самодельных генераторов, они могут использоваться на ветровых электростанциях, в сварочных работах, а также в качестве автономного устройства для поддержки электроэнергии в частных домах.

Включение генератора осуществляется входящим напряжением. Для этого аппарат подключают к источнику питания, но это не рационально для мини-электростанции, ведь она обязана вырабатывать электрический ток, а не расходовать его для запуска.

Вследствие этого, особой популярностью пользуются модели, оснащённые возможностью последовательно переключать конденсаторы или функцией самовозбуждения.

Нюансы, которые надо знать для создания электрогенератора

Покупка генератора обойдётся довольно дорого. Поэтому всё больше рачительных хозяев прибегают к изготовлению агрегата своими руками. Простота принципа действия и конструкционного решения позволяет собрать электрогенерирующее устройство всего за пару часов.

Как сделать генератор своим руками?

Первый этап – настройка всего оборудования таким образом, чтобы скорость вращения превышала скорость оборотов электродвигателя. Измерив величину вращения мотора, прибавьте еще 10%. Вы получите скорость, с которой должен работать электрогенератор.

Шаг второй – переделка генератора под себя при помощи конденсаторов. Очень важно правильно определить требуемую ёмкость.

Третий шаг – установка конденсаторов. Здесь необходимо строго следовать расчёту. Кроме того, нужно убедиться в качестве изоляции. Вот и всё – сборка генератора завершена.

Мастер-класс по изготовлению генератора асинхронного типа

Одним из наиболее распространённых видов самодельных генераторов является асинхронный электрогенератор. Это объясняется его несложным принципом работы и неплохими теххарактеристиками.

Что нужно для изготовления такого генератора своими руками? Прежде всего, вам потребуется асинхронный двигатель. Его отличительной чертой являются короткозамкнутые витки вместо магнита на роторе. Ещё понадобятся конденсаторы.

Инструкция по изготовлению

Подключим вольтметр к любой из обмоток двигателя, и раскрутим вал. Вольтметр покажет наличие напряжения, которое берётся вследствие остаточной намагниченности ротора.

Это ещё не генератор. Попробуем создать магнитное поле при помощи роторных витков. При включении электродвигателя происходит намагничивание короткозамкнутых витков ротора. Аналогичный результат можно получить и при работе устройства в режиме «генератор».

Поставим шунт на одну из статорных обмоток, используя не электрический конденсатор. Раскрутим вал. Значение появившегося напряжения со временем станет равным номинальному напряжению двигателя. Далее зашунтируем при помощи конденсатора оставшиеся обмотки силового устройства и соединим их.

Генератор считается потенциально опасным устройством, потому обращение с ним требует особой аккуратности. Он должен быть защищён от атмосферных осадков и механических ударов. Лучше всего изготовить специальный кожух.

Если устройство автономное, то оно должно быть оборудовано датчиками и приборами для фиксации необходимых данных. Также желательно оснащение прибора кнопкой включения/выключения.

При малейших сомнениях в своих силах лучше отказаться от самостоятельного изготовления генератора.

Фото генераторов своими руками

Из чего можно собрать электрогенератор своими руками

К сожалению, отечественные электроснабжающие организации не держат своего слова. Их контракты, подписанные с потребителями, ничего не стоят. Подача электроэнергии за пределами больших городов непостоянная, качество подаваемого тока низкое (имеется в виду напряжение), поэтому жители небольших городов и поселков в запасе всегда имеют свечи, керосиновые лампы, а самые продвинутые устанавливают бензиновые генераторы тока. В этой статье будет предложен другой вариант, который будет обозначен вопросом, как сделать электрогенератор своими руками? Давайте рассмотрим один вариант этого прибора.

Электрический генератор из мотоблока

Жители загородных поселков давно пользуются мотоблоками. Ведь это на сегодняшний день, если так можно выразиться, самый надежный помощник, без которого работы в огороде или саду не проводятся. Правда, как и все этого типа инструменты, мотоблок выходит из строя. Восстановить его можно, но как показывает практика, лучше купить новый.

Владельцы инструмента распрощаться с ним не спешат, поэтому у каждого хозяина загородного дома в кладовке найдется один старый экземпляр. Его-то и можно будет использовать в конструкции электрогенератора напряжением 220/380 вольт. Он будет создавать крутящий момент генератору тока, в качестве которого можно приспособить обычный асинхронный двигатель. При этом необходим будет мощный электродвигатель (не меньше 15 кВт, с частотой оборотов вала 800-1600 об/мин). Почему такая большая мощность электродвигателя?

Делать самодельный генератор для парочки лампочек нет смысла, ведь решается вопрос полного обеспечения загородного дома электроэнергией. А с электродвигателем небольшой мощности получить достаточно электроэнергии не получиться. Хотя все зависит от суммарной мощности бытовых приборов и освещения дома. Ведь в небольших дачах кроме холодильника с телевизором ничего-то и нет. Поэтому совет – сначала рассчитайте мощность дома, затем выбирайте электрический мотор-генератор.

Сборка электрогенератора

Итак, чтобы собрать бензиновый генератор своими руками напряжением 220 вольт, необходимо установить на одной станине мотоблок и электродвигатель так, чтобы их валы располагались параллельно. Все дело в том, что вращение от мотоблока к электрическому мотору будет передаваться при помощи двух шкивов. Один будет установлен на валу бензинового двигателя, второй на валу электрического. При этом необходимо правильно выбрать диаметры шкивов. Именно этими размерами подбирается частота вращения электрического мотора. Этот показатель должен быть равен номинальному, который указан на бирке оборудования. Небольшое отклонение в большую сторону в пределах 10-15% приветствуется.

Когда механическая часть сборки будет закончена, будут установлены шкивы, соединяемые ремнем, можно переходить к электрической части.

Устройство электрогенератора

• Во-первых, обмотки электрического мотора соединяются по схеме звезда.
• Во-вторых, подключаемые к каждой обмотке конденсаторы должны образовать треугольник.
• В-третьих, напряжение в такой схеме снимается между концом обмотки и средней точкой. Именно здесь получается ток напряжением 220 вольт, а между обмотками 380 вольт.

Внимание! Устанавливаемые в электрическую схему конденсаторы должны иметь одинаковую емкость. При этом величину емкости подбирают в зависимости от мощности электродвигателя. Именно данное соотношение будет поддерживать правильно саму работу генератора тока, но особенно его пуск.

Для информации даем соотношение мощности мотора с емкостью конденсаторов:

• 2 кВт – 60 мкФ.
• 5 кВт – 140 мкФ.
• 10 кВт – 250 мкФ.
• 15 кВт – 350 мкФ.

Обратите внимание на некоторые полезные советы, которые дают специалисты.

• Если электрический двигатель будет греться, то необходимо поменять конденсаторы на элементы с пониженной емкостью.
• Обычно для самодельных электрогенераторов используют конденсаторы напряжением не меньше 400 вольт.
• Обычно одного конденсатора хватает для активной нагрузки.
• Если есть необходимость использовать для питания дома все три фазы электродвигателя, то необходимо установить в сеть трехфазный трансформатор.

И еще один момент. Если перед вами стоит проблема, как организовать отопление с помощью самодельного электрогенератора, то двигатель от мотоблока здесь будет мал (имеется в виду мощность прибора). Оптимальный вариант – это двигатель от автомобиля, к примеру, от Оки или Жигулей. Многие могут сказать, что такое оборудование обойдется в копеечку. Ничего подобного. Купить сегодня подержанный автомобиль можно именно за копейки, так что расходы будут мизерными.

Достоинства и недостатки

Итак, в чем достоинства этого прибора:

• Вы тешите себя мыслью, что сделали его сами. То есть, вы горды собой.
• Финансовые затраты снижены до минимума. Самодельный агрегат будет стоить гораздо меньше, чем заводской его собрат.
• Если все этапы сборки провести грамотно, то собранное вашими руками электрическое оборудование можно считать надежным и достаточно продуктивным.

Несколько отрицательных моментов этого рода приборов.

• Если вы в электрике новичок или пытаетесь, не вникая во все тонкости и нюансы сборки, изготовить генератор тока, то потерпите фиаско. Затраченное вами время и деньги будут считаться выброшенными на ветер.

В принципе, это и есть единственный недостаток, что и вселяет оптимизм.

Другие конструкции электрогенератора

Бензиновый вариант не является единственным. Заставить вращаться вал электродвигателя можно разными способами. К примеру, с помощью ветряка или водяного насоса. Не самые простые конструкции, но именно они позволяют отойти от потребления энергоносителя в виде бензина.

К примеру, собрать гидрогенератор своими руками тоже несложно. Если возле дома протекает речка, ее воду можно использовать в качестве силы для вращения вала. Для этого в ее русло устанавливается колесо со множеством емкостей. С помощью этой конструкции можно создать поток воды, который будет вращать турбину, прикрепленную к валу электродвигателя. И чем больше объем каждой емкости, чем чаще они установлены (увеличивается количество), тем большей мощности водяной поток. По сути, это своеобразный регулятор напряжения генератора.

С ветровыми генераторами все немного по-другому, потому что ветровые нагрузки не являются величинами постоянными. Вращение ветряка, которое передается валу электрического мотора, необходимо регулировать, подстраивая под необходимую величину частоты вращения вала электродвигателя. Поэтому в этой конструкции регулятор напряжения - это обычный механический редуктор. Но здесь, как говорится, палка о двух концах. Если ветер снижает порывы, необходим повышающий редуктор, если, наоборот, увеличивает, нужен снижающий. В этом и заключается сложность сооружения ветрового электрогенератора тока.

Заключение по теме

Подводя итог, нужно понять, что самодельные электрогенераторы не панацея. Лучше добиться того, чтобы в поселок постоянно подавался электрический ток. Добиться этого сложно, а вот получить компенсацию за неудобства можно через суд. А уже полученные деньги направить на приобретение заводского бензинового генератора. Правда, придется учитывать расход недешевого топлива (бензина). Но если есть желание собрать электрогенератор своими руками, тогда вникайте в тему и пытайтесь.

Как правильно провести подключение электродвигателя 380 на 220 вольт

Как сделать генератор из асинхронного двигателя своими руками

Устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

http://onlineelektrik.ru

В этом проекте мы рассмотрим, как можно собрать простой бензиновый генератор своими руками из недорогих комплектующих. Автор сделал все на базе бензинового двигателя от газонокосилки, а также постоянном двигателе, который используется в качестве генератора электричества. Такой генератор нужен для того, чтобы заряжать аккумуляторы, когда солнечные панели или воздушные винты не выдают нужного количества энергии.

Что касается реальных технических данных самоделки , то устройство имеет на выходе 12В/16А.

Однако истинной целью автора является создание установки, благодаря которой будет образовываться биогаз. Вероятно, планируется питать этот или подобный генератор таким газом и получать бесплатную электроэнергию. Также подобный генератор можно запустить и на древесном газу, если создать установку для его добычи.

Материалы и инструменты для самоделки:
- бензиновый двигатель (подойдет от газонокосилки);
- двигатель постоянного тока на 90В (можно встретить в беговых дорожках и так далее);
- шкивы и ремень;
- U-образные болты с гайками;
- кусок пластика или другой материал для создания крепления под двигатель (генератор);
- шарнир (нужен для того, чтобы ремень можно было натянуть);
- дрель, режущий инструмент и другое.

Процесс изготовления генератора:

Шаг 1. Подготовка двигателя
Если двигатель был приобретен в использованном состоянии, то его нужно будет настроить, а возможно и отремонтировать. При покупке важно замерить степень сжатия, если это возможно. Если она окажется плохой, то двигатель будет слабо работать и потреблять много топлива. Также нужно будет тщательно настроить карбюратор.

С газонокосилки нужно снять лезвие, защитное крыло и другие элементы, которые не важны и будут мешать. Как правило, снимается здесь все довольно просто, понадобятся гаечные ключи и отвертки.

Шаг 2. Устанавливаем электрический генератор (двигатель постоянного тока)
Для того чтобы закрепить генератор, автору понадобился толстый кусок жесткого пластика. Он был вырезан по размеру и прикручен болтами в виде буквы «U». Для таких целей также отлично подойдет металл или древесина, но с пластиком легче всего работать.

Далее понадобится немного энтузиазма, чтобы собрать шарнир, на котором будет держаться двигатель. С помощью этого шарнира двигатель можно будет поднимать или опускать, тем самым настраивая натяжение ремня. Для таких целей подходит дверная петля. Для надежности лучше всего использовать одновременно две петли, и выбирать нужно покрепче.

Для удобного натяжения ремня, автор делает ручку, которую подсоединяет к двигателю (генератору). На месте крепления ручки есть пластина с рядом отверстий, которые и позволят фиксировать ручку под заданным углом. Помимо всего прочего эта ручка работает как сцепление, это нужно для более простого запуска бензинового двигателя.

Если вы будете использовать пластик или тонкий металл, не следует слишком сильно затягивать винты, так как материал может выгнуться, так произошло у автора.

Шаг 3. Тестируем генератор
В первую очередь, чтобы запустить генератора, надо опустить ручку натяжения ремня, тем самым ослабив его. Теперь нужно завести бензиновый двигатель. Когда он прогреется, можно поднимать ручку назад, теперь ремень натянется, и электромотор начнет вырабатывать ток.

Здесь важно выбрать оптимальные обороты бензинового двигателя. Во-первых, от оборотов зависит то, какое напряжение вырабатывает генератор. А во-вторых, от этого зависит расход топлива.

В качестве тестирования генератора автор взял блок из лампочек на 12В в количестве 20 штук, каждая лампа потребляет 2 А. Сем больше будет включено ламп, тем больше нагрузка будет идти на генератор. Если включить все лампы, нагрузка составит 40 А, однако это слишком много и даже не нужно для такого генератора.

Изначально было подключено 4 лампы, нагрузка составила 8 А, и генератор ее без труда выдержал, лампы горели ярко. Такого напряжения вполне хватит, чтобы заряжать аккумулятор. Позже автор выкрутил еще 2 лампы, то есть нагрузка составила 10А. Теоретически такой генератор может выдавать и более 10А, но опыт показал, что при большей нагрузки двигатель начинает барахлить. Возможно, это потому, что он старый и требует ремонта. В принципе, ему можно поднять степень сжатия и залить синтетическое масло для повышения производительности.

Шаг 4. Зарядка аккумулятора
Важно отметить, что при зарядке от такого генератора в цепи должен находиться диод. Он будет препятствовать направлению тока к двигателю, и как следствие потерям. Автор такой диод не использовал, поскольку у него имеется специальный контроллер для заряда батарей от подобных источников, в этом контроллере уже есть защитный диод. Помимо этого контроллер препятствует перезарядке аккумулятора и как следует их порче. Кстати, контроллер автор тоже собрал 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.