Изготавливаем лопасти
В этом обзоре мы делаем довольно мощный ветрогенератор – его мощность составит до 3-3,5 кВт при сильном ветре или до 1,5 или 2 кВт при ветре средней силы. Причем он получится достаточно бесшумным, в отличие от генераторов на электродвигателях. Далее нужно подумать о расположении лопастей. Мы с вами задумали сделать простой трехлопастной горизонтальный ветрогенератор. Можно было бы подумать и над вертикальным ветрогенератором, но в этом случае коэффициент использования энергии ветра будет более низким – в среднем 0,3.
Если сделать вертикальный ветрогенератор, то у него будет лишь одно преимущество – он сможет работать при любом направлении ветра.
В домашних условиях проще всего сделать простые лопасти. Для их изготовления можно использовать различные материалы:
- Дерево – правда, со временем оно может потрескаться и рассохнуться;
- Полипропилен – этот вид пластика подходит для маломощных генераторов;
- Металл – надежный и долговечный материал, из которого можно сделать лопасти любого размера (хорошо подходит дюралюминий, используемый в авиации).
Прикинуть диаметр лопастей поможет небольшая таблица. Уточните примерную скорость ветра в вашей местной и узнайте, какого диаметра нужно сделать лопасти для ветрогенератора.
Сделать лопасти для ветрогенератора не так уж и сложно. Гораздо сложнее сделать так, чтобы вся наша конструкция получилась сбалансированной – иначе ее быстро разобьют сильные порывы ветра. Балансировка выполняется путем коррекции длины лопастей. После этого объединяем лопасти с ротором нашего ветрогенератора и устанавливаем конструкцию на монтажной площадке, к которой крепится хвостовая часть.
Конструкция аксиального генератора
Делая выбор между трехфазным или однофазным генератором, лучше остановить свой выбор на первом варианте. Трехфазный источник тока менее подвержен вибрациям, возникающим из-за неравномерности нагрузки, и позволяет получать постоянную мощность при одинаковых оборотах ротора.
Однофазные генераторы мотать не стоит: испытано и давно проверено на практике. Только на трех фазах можно получить достойные генераторы.
Расчетные параметры генератора, о которых мы рассказывали в нашем предыдущем материале, определяются текущими потребностями в электроэнергии. И чтобы на практике они соответствовали объему вырабатываемой мощности, конструкция аксиального генератора должна отвечать определенным требованиям:
- Толщина всех дисков (ротора и статора) должна равняться толщине магнитов.
- Оптимальное соотношение катушек и магнитов – 3:4 (на каждые 3 катушки – 4 магнита). На 9 катушек – 12 магнитов (по 6 на каждый диск ротора), на 12 катушек – 16 магнитов и так далее.
- Оптимальное расстояние между двумя соседними магнитами, расположенными на одном диске, равно ширине этих магнитов.
Увеличение расстояния между двумя соседними магнитами приведет к неравномерной выработке электроэнергии. Уменьшить это расстояние можно, но лучше, все же, соблюдать оптимальные параметры.
Ошибочно делать расстояние между магнитами равным половине ширины магнита. Один человек оказался прав, когда говорил, что расстояние должно быть не меньше ширины магнита.
Если не вникать в скучную теорию, то схема перекрытия катушек аксиального генератора постоянными магнитами на практике должна выглядеть следующим образом.
В каждый момент времени одинаковые полюса магнитов аналогичным образом перекрывают обмотки катушек отдельно взятой фазы.
Вот так в реале: всё совпадает с рисунком почти на 100%, только катушки совсем немного отличаются по форме.
Последовательность сборки аксиального генератора рассмотрим на примере устройства, собранного пользователем Aleksei2011.
На этот раз я делаю дисковый аксиальный генератор. Диаметр дисков – 220 мм, магниты – 50*30*10 мм. Всего – 16 магнитов (по 8 штук на дисках). Катушки мотал проводом Ø1.06 мм по 75 витков. Катушек – 12 штук.
Схема самодельного ветрогенератора – основные узлы
Сделать самодельный ветрогенератор в домашних условиях сравнительно легко. Ниже вы можете увидеть простой чертеж, объясняющий расположение отдельных узлов. Согласно этому чертежу, нам необходимо сделать или подготовить следующие узлы:
Схема самодельного ветряка.
- Лопасти – они могут быть изготовлены из самых разных материалов;
- Генератор для ветрогенератора – можно приобрести готовый или сделать самостоятельно;
- Хвостовая часть – направляет лопасти по направлению ветра, позволяя добиться максимального КПД;
- Мультипликатор – повышает обороты вращения вала (ротора) генератора;
- Крепежная мачта – на ней будут удерживаться все вышеперечисленные узлы;
- Натяжные тросы – удерживают всю конструкцию и не дают упасть от порывов ветра;
- Контроллер заряда, аккумуляторы и инвертор – обеспечивают преобразование, стабилизацию и накопление полученной электроэнергии.
Мы попробуем сделать с вами простой роторный ветрогенератор.
Устройство и принцип работы ветрогенератора
Такие технические решения востребованы в регионах, где преобладает ветреная погода, они функционируют, используя воздушный поток, в итоге образуется электрический ток. Устройства работают благодаря присутствию в конструкции лопастей, они вращаются и запускают генератор. Последний превращает кинетическую энергию ветра в электричество, ток подается к потребляющему его оборудованию и аккумуляторным блокам.
Ветряки промышленного производства и изготовленные дома своими руками могут быть использованы как в качестве ключевого, так и вспомогательного источника напряжения. В частности, непрерывно функционирующие генераторы обслуживают осветительную систему дома, отвечают за нагревание воды вне зависимости от основной электроцепи.
Если объект не соединен с централизованной электрической сетью, мощности ветряка может быть достаточно для поддержания отопительной системы, всех бытовых приборов, лампочек. Следует учитывать, что в зимние месяцы для обслуживания отопления производительность установки должна быть выше 10 кВт, в этом случае мощности будет хватать и для бытовой техники. Ветряные электростанции эксплуатируются в тандеме со стабилизаторами.
Как рассчитать правильно
На КПД ветрового генератора оказывает значительное влияние аэродинамические характеристики устанавливаемых на него лопастей, поэтому перед их изготовлением, производятся специальные расчеты. В результате проведения таких расчетов, изделия проверяются на соответствие полученных результатов требуемым параметрам и прочим требованиям, предъявляемым к ним.
Ветер оказывает воздействие на лопасти генератора и эта сила, или иными словами – напор, действует по направлению воздушного потока. В свою очередь, перпендикулярно к силе напора действует подъемная сила, именно которая и работает в ветровых генераторах с горизонтальной осью вращения (показано на ниже приведенной схеме).
При расчете геометрических размеров лопасти определяется ширина ее хорды и угол ее установки, на схеме β, на всей протяженности элемента устройства.
При проведении расчетов используется метод конечных элементов, суть которого заключается в том, что лопасть рассматривается как совокупность отдельных элементов, входящих в ее состав.
Сила напора ветровых потоков направлена против движения лопасти (на схеме названа «истинным ветром») и на диаграмме разложена на вектора — «скорость ветра» и «окружная скорость». Окружная скорость обеспечивает движение лопастей в плоскости вращения, при этом подъемная сила оказывает воздействие именно в этом направлении.
Сила напора и подъемная сила, определяют производительность ветрового генератора (формула приведена в разделе «Основные характеристики») и зависят от коэффициента подъемной силы, а также коэффициента лобового сопротивления. Кроме этого, данные коэффициенты, находятся в прямой зависимости от геометрического профиля лопасти и угла между линией ее хорды и направлением воздушного потока.
Линия хорды– самая длинная линия при рассмотрении ее сечения, от носка лопасти до ее задней кромки.
Угол между линией хорды и направлением воздушного потока (набегающий поток) называется углом атаки (угол α).
Коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления определены экспериментальным путем и занесены в специальные журналы (атласы). График зависимости подъемной силы от угла атаки (формы лопасти), выглядит следующим образом:
Наилучшие аэродинамические показатели имеют подобные элементы, обладающие углом α (углом атаки) равным значению – 5.
Еще одним важным параметром, при расположении элементов, является угол их установки (угол β), который определяется по формуле:
где:
R – радиус наружного круга вращения;
r – радиус вращения, без учета комля и и прикомлевой части;
Z – быстроходность кончика данного элемента устройства.
Ширина лопасти (размер «b») это также важный параметр, требующий соответствующего расчета
Наиболее важной частью является наружная, что обусловлено кольцом ветра и площадью охвата, с которым эта часть устройства работает
Расчет выполняется по формуле:
где:
R – наружный радиус вращения;
r – внутренний радиус вращения, без учета комля и и прикомлевой части;
Z – быстроходность кончика.
i – количество лопастей.
Из данной формулы видно, что:
- Ширина обратно пропорциональна внутреннему радиусу ее вращения, и что, в свою очередь говорит о том, что наиболее оптимальной формой, является форма треугольника;
- Ветровой генератор с малым количеством лопастей должен иметь более широкие лопасти;
- Увеличение быстроходности снижает их ширину.
Быстроходность с показателем «5», является наиболее оптимальной, что позволяет снизить потери установки при максимальном количестве лопастей. На приведенном ниже рисунке, указано, как количество однотипных элементов, установленных на ветровом генераторе, влияет на его быстроходность:
Высокая быстроходность позволяет увеличить КПД ветровых генераторов, при этом негативными факторами, при эксплуатации подобных устройств, будут:
- Повышенный уровень производимого шума;
- Вибрация, при использовании одной или двух лопастей;
- Повышенная эрозия кромок;
- Трудности старта при малых потоках ветра.
Для снижения уровня шума кончики лопастей делают заостренной формы, а для облегчения старта, основания изготавливаются несколько шире, чем размер «b».
Принципы изготовления лопастей для ветрогенератора своими руками
Зачастую главной сложностью становится определение оптимальных размеров, так как от длины и формы лопастей ветрогенератора зависит его производительность.
Материалы и инструменты
В основу закладываются следующие материалы:
- фанера либо древесина в другой форме;
- стекловолоконные листы;
- алюминиевый прокат;
- ПВХ-трубы, комплектующие для пластиковых трубопроводов.
Лопасти для ветрогенератора своими руками
Выбирают один вид из того, что есть в наличии в виде остатков после ремонта, к примеру. Для их последующей обработки понадобятся маркер либо карандаш для черчения, лобзик, наждачная бумага, ножницы по металлу, ножовка.
Чертежи и расчеты
Если идет о маломощных генераторах, производительность которых не превышает отметки в 50 ватт, для них изготавливают винт по приведенной ниже таблице, именно он способен обеспечить высокие обороты.
Далее рассчитан низкооборотный трехлопастной винт, имеющий высокий стартовый показатель страгивания. Эта деталь будет полноценно обслуживать высокооборотистые генераторы, производительность которых достигает 100 ватт. Винт функционирует в тандеме с шаговыми моторами, низковольтными маломощными двигателями, автомобильными генераторами со слабыми магнитами.
С точки зрения аэродинамики чертеж винта должен выглядеть следующим образом:
Изготовление из пластиковых труб
Канализационные ПВХ-трубы считаются самым удобным материалом, при конечном диаметре винта до 2 м подойдут заготовки с диаметром до 160 мм. Материал привлекает простотой обработки, доступной стоимостью, повсеместной распространенностью и изобилием уже проработанных чертежей, схем
Важно выбрать качественный пластик, чтобы предотвратить растрескивание лопастей
Наиболее удобна продукция, представляющая собой ровный желоб, ее нужно лишь подрезать в соответствии с чертежом. Ресурс не боится воздействия влаги и нетребователен в уходе, но может стать хрупким при минусовых температурах.
Выполнение лопастей из алюминиевых заготовок
Такие винты характеризуются долговечностью и надежностью, они устойчивы к внешним воздействиям и весьма прочны. Но нужно учитывать, что они получаются в итоге более тяжелыми, если сравнивать с пластиковыми, колесо в этом случае подвергается скрупулезной балансировке. Несмотря на то, что алюминий считается довольно податливым, работа с металлом подразумевает наличие удобных инструментов и минимальных навыков обращения с ними.
Форма подачи материала может затруднить процесс, так как распространенный листовой алюминий превращается в лопасти только после придания заготовкам характерного профиля, с этой целью предварительно нужно создать специальный шаблон. Многие начинающие конструкторы сначала изгибают металл по оправке, после чего переходят к разметке и вырезанию заготовок.
Лопасти из алюминиевых заготовок
Алюминиевые лопасти проявляют высокую устойчивость к нагрузкам, не реагируют на атмосферные явления и температурные перепады.
Винт из стекловолокна
Его предпочитают специалисты, так как материал капризен и сложен в обработке. Последовательность действий:
- вырезают деревянный шаблон, натирают его мастикой или воском – покрытие должно отталкивать клей;
- сначала выполняют одну половинку заготовки – шаблон намазывают слоем эпоксидки, сверху укладывают стеклоткань. Процедуру оперативно повторяют, пока первый слой не успел высохнуть. Таким образом заготовка получает требуемую толщину;
- аналогичным способом выполняют вторую половинку;
- когда клей застынет, обе половинки можно будет соединить эпоксидкой с тщательной шлифовкой стыков.
Торец оснащается втулкой, посредством которой изделие соединяется со ступицей.
Как сделать лопасть из древесины?
Это сложная задача ввиду специфичной формы изделия, к тому же все рабочие элементы винта в итоге должны получиться идентичными. Минусом решения также признается необходимость в последующей защите заготовки от воздействия влаги, для этого ее красят, пропитывают маслом или олифой.
Древесина не желательна в качестве материала для ветрового колеса, так как склонна к растрескиванию, короблению, гниению. Из-за того, что она быстро отдает и впитывает влагу, то есть меняет массу, произвольно корректируется баланс крыльчатки, это негативно сказывается на эффективности конструкции.
Подбор материала
Лопасти для ветряного устройства можно выполнить из любого более или менее подходящего материала, например:
Из трубы ПВХ
Соорудить лопасти из этого материала, наверное, проще всего. Трубы ПВХ можно найти в каждом строительном магазине. Выбирать трубы следует те, которые разработаны для канализации с напором либо газопровода. В противном случае поток воздуха при сильном ветре может искорежить лопасти и повредить их о мачту генератора.
Лопасти ветрогенератора претерпевают серьезные нагрузки от центробежной силы, причем, чем длиннее лопасти, тем сильнее нагрузки.
Край лопасти двухлопастного колеса домашнего ветрогенератора вращается со скоростью сотни метров в секунду, такова скорость вылетающей из пистолета пули. Такая скорость может привести к разрыву труб ПВХ. Особенно опасно это тем, что разлетающиеся осколки труб могут убить либо серьезно ранить людей.
Выйти из положения можно укоротив по максимуму лопасти и увеличив их число. Многолопастное ветряное колесо легче балансировать, оно меньше шумит
Немаловажное значение имеет толщина стенок труб. К примеру, для ветряного колеса с шестью лопастями из ПВХ трубы, составляющего в диаметре два метра, их толщина не должна быть менее 4 миллиметров
Для расчета конструкции лопастей домашнему умельцу можно воспользоваться готовыми таблицами и шаблонами.
Шаблон следует смастерить из бумаги, приложить к трубе и обвести. Это следует сделать столько раз, сколько лопастей будет у ветрогенератора. При помощи лобзика трубу необходимо рассечь по меткам – лопасти практически готовы. Края труб шлифуются, углы и концы закругляются для того, чтобы ветряк выглядел симпатично и поменьше шумел.
Из стали следует смастерить диск с шестью полосами, который будет играть роль конструкции, объединяющей лопасти и фиксирующей колесо к турбине.
Габариты и форма соединительной конструкции должны соответствовать типу генератора и постоянного тока, который будет задействован в ветряной электростанции. Сталь необходимо выбрать такой толщины, чтобы она не деформировалась под ударами ветра.
Из алюминия
По сравнению с лопастями из ПВХ труб алюминиевые более выносливы и на изгиб, и на разрыв. Недостаток их заключается в большом весе, что требует принятия мер к обеспечению устойчивости всего сооружения в целом. Кроме того, следует максимально тщательно балансировать колесо.
Рассмотрим особенности исполнения лопастей из алюминия для шестилопастного ветряного колеса.
По шаблону следует выполнить лекало из фанеры. Уже по лекалу из листа алюминия высечь заготовки лопастей в количестве шести штук. Будущая лопасть прокатывается в желоб глубиной в 10 миллиметров, при этом ось прокрутки должна образовать с долевой осью заготовки угол в 10 градусов. Эти манипуляции наделят лопасти приемлемыми аэродинамическими параметрами. К внутренней стороне лопасти крепится втулка с резьбой.
Соединительный механизм ветряного колеса с лопастями из алюминия в отличие от колеса с лопастями из труб ПВХ имеет на диске не полоски, а шпильки, представляющие собой куски стального прута с резьбой, подходящей к резьбе втулок.
Из стекловолокна
Лопасти из собранной из стекловолокна специфической стеклоткани являются наиболее безупречными, учитывая их аэродинамические параметры, прочность, вес. Соорудить эти лопасти трудней всего, поскольку нужно уметь обрабатывать дерево и стеклоткань.
Мы рассмотрим выполнение лопастей из стекловолокна для колеса диаметром два метра.
Наиболее скрупулезно следует подойти к выполнению матрицы из дерева. Она вытачивается из брусьев по готовому шаблону и служит моделью лопасти. Закончив трудиться над матрицей, можно начинать мастерить лопасти, которые будут состоять из двух частей.
Матрицу для начала надо обработать воском, одну из ее сторон покрыть эпоксидной смолой, на ней расстелить стеклоткань. На нее снова нанести эпоксидную смолу, и снова слой стеклоткани. Количество слоев может быть три или четыре.
Затем нужно прямо на матрице получившуюся слойку держать около суток до полного высыхания. Вот и готова одна часть лопасти. С другой стороны матрицы выполняется та же последовательность действий.
Готовые части лопастей следует соединить при помощи эпоксидной смолы. Внутрь можно поместить деревянную пробку, зафиксировать ее клеем, это позволит закрепить лопасти к ступице колеса. В пробку следует внедрить втулку с резьбой. Соединительный узел станет ступицей так же как и в предыдущих примерах.
Возможные ограничения
Ветрогенератор с редуктором своими руками
Главное при установке ветрогенератора — это, естественно, попытки нашего государства даже в этой области получить какую-либо прибыль. Для того, чтобы не сертифицировать изготовленную своими руками установку, т.е. не платить отдельных налогов, стоит собирать маломощный ветрогенератор, который вырабатывает не более 5 кВт. Хотя в домашних условиях самодельное устройство большей мощности изготовить довольно проблематично.
Также следует уточнить наличие нормативных актов и документов по высоте построек в районе установки, чтобы не превысить ее для лучшего ветра.
Стоит также помнить и о соседях — им может помешать шум, который издают лопасти, и редуктор, которыми оснащены самодельные ветрогенераторы. Конечно, шумят подобные установки незначительно, но и зависть никто пока не отменял, а при жалобах возможны штрафы, а также и постановление о демонтаже. Преимущество здесь имеет вариант в заводском исполнении, т.к. он малошумный, но ввиду его высокой стоимости подобное устройство сейчас не рассматривается.
Также не стоит забывать о защите от радиопомех — при самостоятельном изготовлении ветряка необходимо предусмотреть установку фильтра. Ну а при приобретении подобного прибора — уточнить его наличие в схеме.
Собственная электростанция для дачи
А вот изготовление более мощного ветрогенератора придётся начать с покупки ведра и это не розыгрыш. Да, для начала, придётся купить обычное оцинкованное ведро. Это, конечно, в том случае, если такое прохудившееся ведро не завалялось где-либо в сарае. Размечаем его на четыре части и делаем ножницами по металлу прорези, так, как это показано на рис.4.
Ведро крепится за днище к шкиву генератора. Крепить следует четырьмя болтами, расположив их строго симметрично и на одном расстоянии от оси вращения, что позволит избежать дисбаланса.
Итак, практически всё готово, осталось выполнить следующие действия:
- Отогнуть металл на прорезях, чтобы получить лопасти. Если чаще всего господствует сильный ветер, достаточно слегка отогнуть бока. Если ветер слабый, отогнуть можно и посильнее. В любом случае, величину изгиба можно отрегулировать позднее;
- Соединить все необходимые приборы (кроме генератора) так, как это показано на рис.5;
- Закрепить генератор с идущими от него проводами на мачте;
- Укрепить мачту;
- Подсоединить провода, идущие от генератора, к контроллеру.
Всё. Изготовленный своими руками ветрогенератор готов к работе.
Выбор материала
Для изготовления лопастей используются различные материалы, главными требованиями, предъявляемые к ним, являются следующие:
- Прочность – способность выдерживать постоянные нагрузки, обусловленные воздействием ветровых потоков;
- Малый вес – увеличивает срок службы узлов и механизмов аппарата (подшипники, растяжки и т.д.);
- Стойкость по отношению к атмосферным явлениям (осадки, солнечный свет, температура окружающего воздуха).
Всем, выше перечисленными требованиям, соответствуют: стекловолокно, композитные материалы, пластик и легкие металлы (алюминий, титан и прочие).
Выбор материала осуществляет производитель, в соответствии с экономической целесообразностью, наличием материала на соответствующем рынке, а также трудоемкости его обработки в процессе выполнения работ.
Общий принцип работы
Основным рабочим органом ветрогенератора являются лопасти, которые и вращает ветер. В зависимости от расположения оси вращения ветрогенераторы делятся на горизонтальные и вертикальные:
Горизонтальные ветрогенераторы наиболее широко распространены. Их лопасти имеют конструкцию, аналогичную пропеллеру самолета: в первом приближении это — наклонные относительно плоскости вращения пластины, которые преобразуют часть нагрузки от давления ветра во вращение
Важной особенностью горизонтального ветрогенератора является необходимость обеспечения поворота лопастного узла сообразно направлению ветра, так как максимальная эффективность обеспечивается при перпендикулярности направления ветра к плоскости вращения.
Лопасти вертикального ветрогенератора имеют выпукло-вогнутую форму. Так как обтекаемость выпуклой стороны больше, чем вогнутой, такой ветрогенератор вращается всегда в одном направлении независимо от направления ветра, что делает ненужным поворотный механизм в отличие от горизонтальных ветряков
Вместе с тем, за счет того, что в любой момент времени полезную работу выполняет только часть лопастей, а остальные только противодействуют вращению, КПД вертикального ветряка значительно ниже, чем горизонтального: если для трехлопастного горизонтального ветрогенератора этот показатель доходит до 45%, то у вертикального не превысит 25%.
Поскольку средняя скорость ветров в России невелика, даже большой ветряк большую часть времени будет вращаться достаточно медленно. Для обеспечения достаточной мощности электропитания от должен соединяться с генератором через повышающий редуктор, ременной или шестеренчатый. В горизонтальном ветряке блок лопасти-редуктор-генератор устанавливается на поворотной головке, которая дает им возможность следовать за направлением ветра
Важно учесть, что поворотная головка должна иметь ограничитель, не дающий ей сделать полный оборот, так как иначе проводка от генератора будет оборвана (вариант с использованием контактных шайб, позволяющих головке свободно вращаться, более сложен). Для обеспечения поворота ветрогенератор дополняется направленным вдоль оси вращения рабочим флюгером
Наиболее распространенный материал для лопастей — это ПВХ-трубы большого диаметра, разрезаемые вдоль. По краю к ним приклепываются металлические пластины, приваренные к ступице лопастного узла. Чертежи такого рода лопастей наиболее широко распространены в Интернете.
На видео рассказывается про ветрогенератор, изготовленный своими руками
