Однофазный ветрогенератор. Ветрогенератор своими руками – руководство по постройке эко-генератора, его монтаж и подключение (105 фото)

Цены на электроэнергию неуклонно растут. Чтобы ваша жизнь была комфортной как жарким летом, так и морозной зимой, следует или потратить немало денег на электроэнергию, или искать альтернативный источник энергии. В развитых странах уже давно используют солнечную энергию, водную и ветровую. Это природный источник питания, за который вам не придется платить. Довольно популярным способом получать энергию является ветряк, использующий ветер для получения электричества – ветрогенератор.

Россия довольно большая страна с равнинными территориями. Несмотря на то что во многих местах преимущественно медленные ветры, есть регионы, сильно обдуваемые мощными потоками воздуха. Так почему бы не использовать в хозяйстве это преимущество? Все что требуется – потратить время и средства, чтобы сделать самодельный ветрогенератор. Ветряк полностью окупит себя всего за несколько месяцев. Мы рассмотрим 2 вида ветрогенераторов, которые можно сделать своими руками.

Ветрогенератор роторного типа

Для начала мы рассмотрим, как сделать несложную конструкцию роторного вертогенератора. С простого начинать легче, и вы поймете принцип работы. Этот тип ветрогенератора подойдет для владельцев небольшого садового домика. Использовать сделанный ветряк для большого коттеджа не получится, ввиду маломощности ветрогенератора.

Но ветряк легко справиться с тем, чтобы вечером обеспечить светом хозяйственные помещения, осветить садовую дорожку крыльцо и т. д. Давайте подробно рассмотрим, как сделать такой ветрогенератор своими руками.

Преимущества и недостатки роторного ветрогенератора

Когда ветрогенератор сделать как надо, он будет функционировать без каких-либо ошибок. С аккумулятором на 75А и с хорошим инвертером на 1000 W, ветряк без проблем будет обеспечивать светом улицу, площадку дома, питать защитную сигнализацию, видеонаблюдение и т. д.

Ветрогенераторы такого типа имеют следующие преимущества:

• простота монтажа;
• небольшая себестоимость;
• экономичность;
• податливость к ремонту;
• не привередлив к условиям функционирования;
• надежность и бесшумность работы.

Минусов ветрогенератора несколько:

• небольшая производительность ветрогенератора;
• полная зависимость ветряка от ветра;
• лопасти может сорвать воздушный поток.

Подготовка материалов для ветрогенератора

Первым делом нужно собрать все расходники и детали для ветряка. Сделанный вами ветрогенератор будет выдавать мощность не более 1,5 КВт. Чтобы сделать агрегат вам нужно иметь:

1. Автомобильный генератор на 12 В.
2. Гелиевый или кислотный аккумулятор на 12 В.
3. Специальный преобразователь с 12 В на 220 В и с 700 Вт на 1500 Вт.
4. Большую емкость из нержавейки или алюминия: ведро или кастрюля.
5. Простой вольтметр.
6. Болты, шайбы и гайки.
7. Реле зарядки аккумулятора от автомобиля и контрольной лампочки заряда.
8. Провода с разным сечением (2,5 мм 2 и 4 мм 2).
9. Хомуты, фиксирующие ветрогенератор.
10. Выключатель «кнопка» полугерметичный, на 12 В.

Кроме того, запаситесь такими инструментами:

• болгаркой или ножницами по металлу;
• рулеткой;
• строительным карандашом или маркером;
• отверткой, дрелью, кусачками и сверлом.

Конструкторские работы ветрогенератора

Работа заключается в изготовлении ротора и переделывания шкива генератора. Этапы следующие:

1. Подготовьте ведро или кастрюлю.
2. При помощи рулетки и маркера сделайте разметку, разделив емкость на 4 одинаковые части.
3. Теперь нужно вырезать лопасти.

Обратите внимание! Работая ножницами по металлу, необходимо вырезать под них отверстие. Если же ведро сделано не из покрашенной жести или оцинковки, то можно использовать болгарку.

1. Снизу ведра и в шкиве пометьте место, где будут отверстия. В них ввинчиваются болты. Не торопитесь, сделайте все ровно, так как при вращении может возникнуть дисбаланс. После чего сделайте отверстия.
2. Теперь отогните лопасти. Только не забудьте учесть, в каком направлении крутится генератор.
3. Угол изгиба лопасти влияет на площадь, которую будет встречать ветер. Это напрямую влияет на скорость и частоту оборотов ветряка.
4. При помощи болтов, закрепите ведро на шкиве.
5. Установите свой ветрогенератор на мачту, закрепив его хомутами.
6. Осталось подсоединить провода и собрать цепь.
7. На мачте зафиксируйте провода, чтобы они не болтались.

Для подсоединения аккумулятора возьмите провода, сечение которых 4 мм 2 . Рекомендуемый размер – не больше 1 м. А благодаря проводам с 2,5 мм 2 подключите свет и приборы. Не забудьте установить инвертер (преобразователь). Подключите прибор в сеть к контактам №7 и №8, показанным на схеме ниже. Пользуйтесь проводами 4 мм 2 .

Вот и все, теперь ваш ветрогенератор готов к работе. Не может не радовать то, что он сделанный своими руками.

Ветрогенератор аксиальной конструкции на магнитах

В основе такого ветряка на 220в, лежит ступица от легковой машины, имеющая тормозные диски. Если деталь не новая, разберите ее проверьте и смажьте подшипники, а также счистите ржавчину.

Распределяем и закрепляем магниты

Для начала нужно наклеить магниты на диск ротора. При этом используемые магниты не обычные, а специальные неодимовые магниты. Они значительно мощнее. Потребуется 20 магнитов, размер которых 25 на 8 мм. Магниты размещаются с чередованием полюсов. Для правильного расположения сделайте шаблон, как показано на фото ниже.

Совет! По возможности используйте для ветрогенератора не круглые магниты, а прямоугольные. У них магнитное поле сосредотачивается не в центре, а по длине.

Чтобы закрепить магниты на диске, пользуйтесь силикатным клеем. А для прочности в конце можно залить магниты эпоксидной смолой. Во избежание протекания смолы, сделайте пластилиновые бордюры или обмотайте скотчем диск.

Обратите внимание! Чтобы не перепутать где какой полюс у магнита, можете пометить их «+» или «–». Чтобы определить это – поднесите один магнит к другому. Поверхности магнита, которые притягиваются, имеют «+». Если магнит отталкивается, он имеет полюс «–».

Трехфазный и однофазный генератор для ветрогенератора

Если сравнивать их, то прибор с одной фазой хуже, ведь при нагрузке он вибрирует за счет разницы в амплитуде тока. А она появляется из-за непостоянности тока. В трехфазных изделиях этот эффект отсутствует. Их мощность всегда одинаковая. Все дело в том, что одна фаза компенсирует другую и наоборот, если в одной фазе ток пропадет, то в другой он будет увеличиваться.

Что получается в итоге? А то, что трехфазные генераторы имеют отдачу на 50% больше, чем однофазные. Кроме того, радует и отсутствие вибрации, которая может раздражать и влиять на комфортность. Работая под большой нагрузкой, статор не будет гудеть. Если же вам шум не мешает, и вы решили использовать однофазный генератор, будьте готовыми к тому, что вибрация негативно скажется на работе ветрогенератора. Срок его эксплуатации будет меньшим.

Наматываем катушки

Очень быстроходным ветрогенератор назвать нельзя. Требуется сделать все так, чтобы аккумулятор на 12 В заражался от 100–140 об./мин. С такими первоначальными данными, все количество витков в катушках должно быть равно 1000–1200. Но как узнать, сколько витков приходится на 1 катушку? Все просто: эта цифра делится на количество катушек.

Если вы хотите, чтобы ветрогенератор при низких оборотах выдавал больше мощности, требуется сделать больше полюсов. В таком случае в катушке частота колебания тока увеличится. Чтобы уменьшить сопротивление и увеличить сопротивление тока, рекомендуем наматывать на катушки толстый провод. Учитывайте и то, что при сильном напряжении сопротивление обмотки может «съесть» ток.

Обратите внимание, что число и толщина магнитов, которые закреплены на дисках, определяют рабочие параметры генератора. Чтобы выяснить, какую мощность может выдавать ветрогенератор, намотайте одну катушку и прокрутите генератор. Измеряйте напряжение на некоторых оборотах без нагрузки. К примеру, за 200 об./мин вы получили силу тока в 30 В с сопротивлением в 3 Ом. Отнимите от этих 30 В 12 В (напряжение аккумулятора). Теперь разделите число, которое получились на 3 Ом. Выглядит все так:

В итоге получилось 6 А. Именно они пойдут в аккумулятор. Понятно, что на практике будет немного меньше из-за потерь в проводах.

Катушки лучше делайте вытянутой формы. Тогда медь в секторе выйдет больше, а витки будут прямыми. Диаметр отверстия внутри катушки должен быть равен размеру магнитов или немного превышать его.

Обратите внимание! Толщина статора должна быть такой же, как и толщина магнитов.

Формой для статора может быть фанера. Но сектора для катушек можно разместить и на бумаге, сделав пластилиновый бордюр. Катушки нужно закрепить так, чтобы они не двигались, а концы фаз выведите наружу. Все провода соедините звездой или треугольником. Осталось протестировать ветрогенератор, вращая его рукой.

Делаем винт и мачту для ветрогенератора

Мачта для верогенератора должна быть высокой, от 8 до 12 м. Основание нужно забетонировать. Крепление лучше сделать такое, чтобы труба легко поднималась и опускалась лебедкой. Сверху на трубу будет крепиться винт ветрогенератора.

Вы можете сделать его из пластиковой трубы Ø160 мм. Из нее вырежьте винт с шестью лопастями, длиною 2 м.

Чтобы увести винт от сильного порыва ветра сделайте складывающийся хвост. В результате вся энергия, которую выработает ветрогенератор, сможет накапливаться в аккумуляторе.

Вот и все, вы знаете, как сделать ветрогенератор на магнитах. Теперь вы можете пользоваться электроэнергией, выработанной таким ветрогенератором, экономя свои средства. Все ваши усилия вознаградятся.

Заключение

Из этой статьи вы узнали, как сделать ветрогенератор своими руками, да не один, а двух видов. Именно такие ветрогенераторы любят и используют для загородных домов владельцы. Как видите, каждый ветрогенератор хорош в чем-то своем и сделать его не тяжело.

Если вы живете в районе с сильными ветрами, то увидите, насколько меньшими стали счета за электроэнергию, благодаря ветрогенератору. Такой ветряк в хозяйстве никогда не будет лишним. Дополнительно предлагаем вам посмотреть видео, как сделать такой ветрогенератор.

Делаем ветроэлектростанцию своими руками у себя в частном доме. Ознакомимся с уже существующими промышленными аналогами на рынке и с работами народных умельцев.

Человечество на протяжении всего своего развития не перестает искать дешевые возобновляемые источники энергии, которые могли бы решить многие проблемы энергообеспечения. Одним из таких источников является энергия ветра, для преобразования которой в электрическую энергию, разработаны ветровые энергетические установки (ВЭУ), или, как их чаще называют, ветряные электростанции.

Любому человеку, особенно имеющему частный или загородный дом, хотелось бы иметь свой ветрогенератор, обеспечивающий жилье недорогой электрической энергией. Препятствием этому служит высокая стоимость промышленных образцов ВЭУ и, соответственно, слишком большой срок окупаемости для отдельно взятого владельца жилья, делающий его приобретение невыгодным. Одним из выходов может служить изготовление ветряной электростанции своими руками, позволяющее не только снизить общие затраты на ее приобретение, но и распределить эти затраты на некоторый срок, так как работа осуществляется в течение довольно длительного времени.

Для того чтобы сделать ветряную электростанцию, необходимо определить, позволяют ли погодные условия использовать ветровую энергию в качестве постоянного источника энергии. Ведь, если ветер для вашей местности редкость, вряд ли стоит начинать строительство самодельной ветряной электростанции. Если же с ветром все обстоит благополучно, желательно узнать общие климатические характеристики и, в частности, скорость ветра, с распределением ее по времени. Знание скорости ветра позволит правильно выбрать и сделать своими руками конструкцию ветряной электростанции.

Виды

Ветроэлектростанция своими руками классифицируется по расположению оси вращения и бывают:

• с горизонтальным расположением;
• с вертикальным расположением.

Установки с горизонтальным расположением оси называются установками пропеллерного типа и имеют самое широкое распространение в связи с высоким коэффициентом полезного действия. Недостатком этих установок является их более сложная конструкция, затрудняющая самодельные варианты изготовления, необходимость применения механизма следования направлению ветра и большая зависимость работы от скорости ветра — как правило, при малых скоростях эти установки не работают.

Более просты, неприхотливы и мало зависимы от скорости и направления ветра установки с вертикальным расположением рабочего вала — ортогональные с ротором Дарье и карусельные с ротором Савониуса. Недостатком их является весьма малый КПД, составляющий порядка 15%.

Недостатком обеих типов самодельной ветряной электростанции является низкое качество вырабатываемой электроэнергии, требующее дорогостоящих вариантов компенсации этого качества — стабилизирующих устройств, аккумуляторов, электрических преобразователей. В чистом виде электроэнергия пригодна только для использования в активной бытовой нагрузке — лампах накаливания и простых нагревательных устройствах. Для питания бытовой техники электроэнергия такого качества не пригодна.

Конструктивные элементы

Конструктивно, независимо от расположения оси, самодельная полноценная ветряная электростанция должна состоять из следующих элементов:

• устройство для ориентирования ветряного двигателя по направлению ветра;
• редуктор или мультипликатор для передачи вращения от ветряного двигателя к генератору;
• генератор постоянного тока;
• зарядное устройство;
• аккумуляторная батарея для накопления электроэнергии;
• инвертор для преобразования постоянного тока в переменный.

Особенности выбора источника тока

Одним из сложных элементов ветряной электростанции является генератор. Наиболее подходящим для изготовления своими руками является электродвигатель постоянного тока с рабочим напряжением 60-100 вольт. Этот вариант не требует переделки и способен работать с аппаратурой для зарядки автомобильной батареи.

Применение автомобильного источника напряжения затруднено тем, что его номинальная частота вращения составляет порядка 1800-2500 об/мин, а такую частоту вращения при прямом соединении не сможет обеспечить ни одна конструкция ветряного двигателя. В этом случае в составе установки необходимо предусмотреть редуктор или мультипликатор подходящей конструкции для увеличения частоты вращения в необходимых размерах. Скорее всего, этот параметр придется подбирать экспериментальным путем.

Возможным вариантом может стать реконструированный асинхронный двигатель с использованием неодимовых магнитов, но этот способ требует сложных расчетов и токарных работ, что зачастую не приемлет самодельная работа. Имеется вариант с межфазным подключением к обмоткам электродвигателя конденсаторов, емкость которых рассчитывается в зависимости от его мощности.

Изготовление

Учитывая то, что эффективность электростанции с горизонтальной осью имеет лучшие показатели эффективности, а бесперебойность подачи электроэнергии предполагается обеспечивать с помощью накопления энергии в аккумуляторной батарее, предпочтительнее для изготовления своими руками является именно такой вид ВЭУ, который мы и рассмотрим в рамках данной статьи.

Для того что бы сделать такую электростанцию своими руками понадобится следующий инструмент:

• сварочный аппарат электродуговой сварки;
• набор гаечных ключей;
• набор сверл по металлу;
• электродрель;
• ножовка по металлу или УШМ с отрезным диском;
• болты диаметром 6 мм с гайками для крепления лопастей к шкиву и алюминиевого листа к квадратной трубе.

Для изготовления ветряной электростанции своими руками потребуются следующие материалы:

• пластиковая труба 150 мм длиной 600 мм;
• лист алюминия размером 300х300 мм и толщиной 2,0 — 2,5 мм;
• металлическая квадратная труба 80х40 мм и длиной 1,0 м;
• труба диаметром 25 мм и длиной 300 мм;
• труба диаметром 32 мм и длиной 4000-6000 мм;
• медный провод длиной, достаточной для соединения электродвигателя, находящегося на мачте длиной 6 м, и нагрузки, которую будет питать этот источник тока;
• электродвигатель постоянного тока 500 об/мин;
• шкив для двигателя диаметром 120-150 мм;
• аккумуляторная батарея 12 вольт;
• автомобильное зарядное реле аккумулятора;
• инвертор 12/220 вольт.

Процесс изготовления своими руками производится в следующем порядке:

Далее, в процессе работы установки, возможно, придется сделать другими размеры и конфигурацию лопастей, передаточное отношение между ветряным двигателем и генератором — каждый ветрогенератор, изготовленный своими руками, индивидуален в силу использования различных компонентов и условий ветрообразования. Первоначально ветряную электростанцию рекомендуют изготавливать небольшой мощности, на которой можно отработать полученную информацию не вкладывая большое количество средств.

Из этой статьи Вы узнаете, как изготовить несложный ветрогенератор своими руками в домашних условиях. Такая ветряная электростанция всегда пригодится в удалённых местах, где нет доступа к бытовой электрической сети, например, на удалённом дачном участке. Конечно, можно использовать бензиновый генератор, но рокот и дым от двигателя внутреннего сгорания вряд ли кому-то придётся по душе, и уж точно это не располагает к отдыху на природе. Кроме того, расходы на бензин будут весьма немаленькими.

Ветряная электростанция сможет заряжать аккумуляторные батареи для автономной работы не сильно мощной бытовой техники и освещения. Впрочем, куда именно тратить полученную энергию, решать Вам.

Эта статья рассчитана на любителей в области конструирования ветрогенераторов своими руками, и поэтому в качестве конструкции выбрана максимально простая схема ветряной электростанции. Это будет относительно тихоходный самодельный ветряк (показатель быстроходности Z=3). Такая конструкция является надёжной и безопасной при работе.

Выбор мощности ветряной электростанции

Наверняка многим, кто читает эту статью, не захочется ограничиваться постройкой ветрогенератора для питания холодильника и освещения на даче, а сразу построить такую электростанцию, чтобы запитать ею не только аккумуляторные батареи, но и батареи отопления или бойлер для горячей воды. Но такая мощная электростанция будет чрезвычайно сложна в изготовлении, ведь усложнение конструкции с ростом мощности возрастает даже не в квадрате, а чуть ли не в кубе!

Как пример ветряной электростанции мощностью всего 2 кВт можно привести промышленный ветрогенератор W-HR2 международной компании AVIC (изображен на фото). Этот ветрогенератор номинальной мощностью 2 кВт имеет ротор диаметром 3,2 м с аэродинамически металлическими лопастями, прочную стальную башню высотой 8 м на массивном железобетонном фундаменте. Монтаж узлов производится при помощи автокрана. Очевидно, что расчет и изготовление подобного ветрогенератора сложно даже для отдельных специализированных фирм, и практически нереально силами одного человека непрофессионала для сооружения такого ветряка своими руками.

Таблица 1. Зависимость мощности ветрогенератора от количества лопастей и диаметра ветроколеса при скорости ветра 4 м\с

В табл. 1 показано зависимость мощности ветроколеса крыльчатого типа от его диаметра и количества лопастей. Или другими словами, какой длинны нужно взять лопасти определённого ветроколеса, чтобы получить нужную мощность. Данные в этой таблице основаны на практических испытаниях эксплуатируемых ветрогенераторов, у которых КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) ветроколеса равен 0,35 (профиль среднего качества), КПД генератора имеет значение 0,8 и КПД редуктора — 0,9.

Для кого-то эти данные могут на первый взгляд показаться слишком завышенными. Так, для примера, из табл. 1 видно, что для постройки ветряной электростанции мощностью 500 Вт с тремя лопастями, диаметр ветроколеса должен быть равным 11,48 м. Но не стоит пугаться этой цифры, поскольку данные приведены для слабого ветра 4 м/с. Это обычный ветер для равнинной местности вдали от моря.

При этом с ростом скорости ветра мощность ветряной электростанции увеличивается. На рис. показано такую зависимость для электростанции номинальной мощностью 240 Вт. Из графика видно, что при минимальном ветре 4 м/с (при котором электростанция начинает работать), мощность составляет всего 30 Вт. Но мощность ветроэлектростанции пропорциональна скорости ветра в кубе. То есть при увеличении скорости ветра в два раза до максимальной рабочей скорости 8 м/с, мощность ветряной электростанции увеличивается в 2 3 =8 раз или с 30 Вт до полной мощности 240 Вт. При более высокой скорости ветра работа ветровой станции должна будет ограничиваться.

В целом, основываясь на практическом опыте можно заключить, что относительно несложный самодельный ветрогенератор будет иметь мощность в пределах 200-500 Вт. Это своего рода «золотая середина». Редко индивидуальным конструкторам удаётся собрать более мощный ветрогенератор своими руками, который реально будет работать.

Выбор конструкции ветроколеса

Ветряное колесо — самая важная часть ветрогенератора. Именно оно преобразует энергию ветра в механическую. И от его конструкции зависит выбор всех остальных узлов, например, генератора электрического тока.

Наверняка, всем хорошо знакома форма ветряных колёс старинных ветряных мельниц. Это как раз тот случай исключение, когда всё забытое старое не всегда хорошо. Такие ветроколёса ветряной мельницы имеют очень низкий КИЭВ порядка 0,10-0,15, что намного меньше КИЭВ современных быстроходных крыльчатых колёс, которое достигает 0,46. Всё потому, что низкие познания в аэродинамике старинных мастеров не позволяли им сконструировать более совершенную конструкцию.

На рисунке изображена работа двух типов лопастей: парусной (1) и крыльчатой (2). Для того чтобы сделать парусную лопасть (1), достаточно просто прикрепить листовой материал к оси, расположив под углом к ветру, то есть по аналогии с ветряными мельницами древности. Но при вращении такой лопасти она будет иметь значительное аэродинамическое сопротивление, которое возрастает с увеличением угла атаки. Также на её концах образуются завихрения, и за лопастью возникает зона пониженного давления. Всё это делает парусные лопасти неэффективными ветровыми движителями.

Гораздо более эффективной является лопасть крыльчатого типа (2). При такой форме лопасти, которая похожа на крыло самолёта, потери от трения и разрежения сведены к минимуму. Что касается угла атаки лопасти, то на практике установлено, что наиболее оптимальный угол составляет 10-12º. При более высоком угле атаки прирост мощности в результате более высокого давления ветра на лопасть не покрывается ростом аэродинамических потерь.

Конечно, есть много других интересных типов ветровых двигателей, например, вертикально-осевые роторы Савониуса или роторы Дарье. Но все они имеют более низкие коэффициенты использования энергии ветра при более высокой материалоёмкости (в сравнении с крыльчатыми колёсами). Например, установка с ротором Савониуса диаметром 2 метра и высотой 2 метра при тихом ветре 4 м/с будет иметь полезную мощность 20 Вт. Такую же мощность выработает шестнадцатилопастный крыльчатый винт диаметром всего 1 метр.

Поэтому мы не будем «изобретать велосипед» и сразу за основу возьмём конструкцию, где используются лопасти крыльчатого типа с горизонтальной осью вращения. Именно этот тип ветряного двигателя имеет максимальный КИЭВ при минимальном расходе материалов. Неудивительно, что такая конструкция используется почти в 99% всех действующих промышленных ветровых электростанциях.

Прежде всего, нужно выбрать число лопастей. Наиболее дешевыми являются двух- и трёхлопастные ветроколёса, но они являются быстроходными и обладают следующими недостатками:

— высокие рабочие обороты приводят к возникновении больших центробежных и гироскопических сил. Гироскопические силы нагружают ось генератора, крепления и мачту, а центробежные стремятся разорвать лопасти на части. Так, окружная скорость концов лопастей быстроходных двухлопастных ветроколёс нередко достигает 200 м/с и более. Для сравнения скорость пули, выпущенной из винтовки Бейкера 1808 г., равнялась 150 м/с. Таким образом, осколки разлетающегося сломанного винта могут ранить или даже убить человека. По этой причине никому не рекомендуется изготавливать лопасти высокоскоростных ветроколёс из пластиковой трубы. Для этих целей лучше подходит более прочная на растяжение древесина. Изготовление же лопастей из дерева весьма трудоёмкий процесс.

— известно, что чем быстрее вращаются лопасти, тем больше сила трения о воздух. Поэтому лопасти быстроходных ветроколёс гораздо более требовательны к аэродинамическому качеству изготовления. Даже небольшие погрешности сильно снижают КИЭВ быстроходных лопастей. Крайне нежелательно делать быстроходные лопасти вогнутыми, они должны иметь форму крыла самолёта. Изготовить же лопасти тихоходного винта гораздо проще для любителя. Нужно сильно «постараться», чтобы сделать лопасть для тихоходного винта из разрезанной трубы с КИЭВ хуже 0,3.

— быстроходные ветродвигатели издают сильный шум при вращении, ведь даже аэродинамически высококачественные лопасти при быстром вращении создают значительные зоны сжатий и разряджений воздуха, а кустарно изготовленные лопасти и подавно. Соответственно, чем больше окружная скорость и размеры лопасти, тем больше шум. Поэтому мощный быстроходный ветряк нельзя просто установить на крыше дома или в огороде при плотной застройке, иначе Вы рискуете просыпаться ночью от шума взлетающего вертолёта и испортить отношения с соседями в придачу.

— чем меньше лопастей у ветроколеса, тем больше вибрации. Поэтому ветроколёса с малым числом лопастей (2-3) будет труднее сбалансировать.

Учитывая все эти недостатки быстроходных ветроколёс, для более-менее мощного «ветряка» лучше выбрать число лопастей не менее 5-6.

Теперь основываясь на данных табл. 1, давайте прикинем, какой максимальной длинны лопасти подойдут для изготовления несложной электростанции. Очевидно, шестилопастный винт диаметром 2,5-3 м будет сложен в изготовлении. Представьте себе хотя бы процесс балансировки такого винта и его установку на мачту, которая в свою очередь должна быть довольно прочной, чтобы выдержать вес такого винта и аэродинамические нагрузки. А вот шестилопастный винт диаметром 2 метра или около того будет по силам энтузиасту для изготовления своими руками.

Возможно у кого-то возникнет соблазн, не посчитаться с затратой материалов и ещё больше увеличить количества лопастей для увеличения полезной мощности ветроустановки. Так, при числе лопастей двухметрового винта равным 12 мощность при «свежем» ветре (8 м/с) достигнет почти 500 Вт. Но такое дорогое ветряное колесо получиться слишком тихоходным, а значит, неизбежно потребует применения отдельного редуктора, что сильно усложнит конструкцию ветровой электростанции.

Таким образом, наиболее оптимальной является конструкция винта ветрогенератора диаметром 2 м и количеством лопастей равным 6.

Электрический генератор для ветряной электростанции

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

W=V/L*Z*60,
L=π*D,

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

Таблица 2. Показатель быстроходности ветроколеса

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

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

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

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

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

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

Таблица 4. Технические характеристики веломотора мощностью 250 Вт

Изготовление ветрогенератора своими руками

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

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

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

Изготовление лопастей

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

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

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

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

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

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

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

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

Крепление генератора (веломотора) к раме

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

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

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

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

Изготовление токоприёмника и поворотного узла

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

Для изготовления токоприёмника ветрогенератора удобно использовать такой способ: сначала на готовом поворотном узле размещаются контакты, например, из толстой латунной или медной проволоки прямоугольного сечения (используется для трансформаторов), контакты должны быть уже с припаянными проводами (10), в качестве которых нужно использовать одно- или многожильный медный провод сечением не менее 4 мм 2 . Контакты накрываются пластиковым стаканчиком или другой ёмкостью, закрывается отверстие в опорной втулке (8) и заливается эпоксидной смолой. На фото использована эпоксидная смола с добавкой двуокиси титана. После затвердевания эпоксидной смолы деталь стачивается на токарном станке до появления контактов.

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

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

Защита ветряной электростанции от ураганного ветра

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Мачта ветрогенератора

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

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

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

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

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

Электрическая схема ветряной электростанции

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

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

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

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

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

Токи от генератора достигают десятки ампер, поэтому для соединения всех приборов в цепи следует использовать медные провода общим сечением 3-4 мм 2 .

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

Уход за ветряной электростанцией

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

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

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

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

4. Раз в год проверять щетки токоприёмника.

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

Игорь Соларов, специально для

Зачастую у владельцев частных домов возникает идея о реализации системы резервного электропитания . Наиболее простой и доступный способ — это, естественно, или генератор, однако многие люди обращают свой взгляд на более сложные способы преобразования так называемой даровой энергии ( излучения, энергии текущей воды или ветра) в .

Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. Если с использованием течения воды (мини-ГЭС) все понятно — это доступно только в непосредственной близости от достаточно быстротекущей реки, то солнечный свет или ветер можно использовать практически везде. Оба этих метода будут иметь и общий минус — если водяная турбина может работать круглосуточно, то солнечная батарея или ветрогенератор эффективны только некоторое время, что делает необходимым включение аккумуляторов в структуру домашней электросети.

Поскольку условия в России (малая длительность светового дня большую часть года, частые осадки) делают применение солнечных батарей неэффективным при их современных стоимости и КПД, наиболее выгодным становится конструирование ветрового генератора . Рассмотрим его принцип действия и возможные варианты конструкции.