Среди двигателей, которые могут использоваться для генерации электроэнергии, выделяются коллекторно-щёточные, бесколлекторные асинхронные и шаговые двигатели. Эти три типа моторов наиболее популярны среди энтузиастов, которые собирают ветроустановки своими руками.
Ветрогенератор на заднем дворе
Покупка настоящего ветрогенератора может оказаться слишком дорогим мероприятием, если планируется использовать его для простых домашних задач, которые не требуют большой мощностной отдачи. Например, если вам нужно лишь немного энергии для LED-освещения или для проекта, связанного с Raspberry Pi Zero, стоимость даже небольшого ветрогенератора может показаться несоразмерной. Это особенно актуально для школьных экспериментов, когда время и деньги, тратимые на организацию таких проектов, следует свести к минимуму — многие школы страдают от нехватки средств.
В этой статье мы рассмотрим, как создать собственный небольшой ветрогенератор. Основные компоненты будут изготовлены из велосипедных запчастей и предметов, доступных в строительных магазинах. Ожидаемая стоимость проекта составляет около $80-150, и на его создание может уйти от 8 до 16 часов. При ветре, который немного сильнее легкого по шкале Бофорта, наш генератор способен производить порядка 1 ватта мощности. Эта мощность достаточна для зарядки небольшой батареи, что обеспечит наличие энергии даже в безветренную погоду.
Домашний ветрогенератор
Создаваемая в данном проекте небольшая ветряная турбина является, по сути, экспериментальной работой, в процессе выполнения которой можно освоить основы ветроэнергетики. Данный тип турбины не стоит рассматривать как надёжный источник энергии; не стоит ожидать от неё фантастических результатов! Давайте также учтем, что сильный ветер может быть опасным для конструкции нашей турбины, и она не предназначена для эксплуатации при таких условиях. В бурный ветер турбина может быть разрушена, поэтому её следует убирать в плохую погоду. Также важно помнить, что обломки, которые могут быть унесены ветром, могут представлять опасность для людей.
В отличие от стандартных коммерческих турбин с горизонтальной осью вращения, которые обычно имеют три лопасти, закреплённые на горизонтальном валу, в нашем проекте предусмотрена вертикальная ось ротора. Это позволяет избежать необходимости в механизме, который бы ориентировал устройство по направлению ветра, что существенно упрощает проектирование турбины. В Essentially, наш генератор представляет собой велосипедное колесо, установлено на вертикальной стойке, соединённое с электрическим генератором. В качестве лопастей ротора используются восемь полутруб, вырезанных из недорогих пластиковых канализационных труб (PVC), и прикреплённых к ободу колеса.
Это устройство начинает вращение при достижении достаточной силы ветра, приблизительно равной 2 баллам по шкале Бофорта (это примерно 6 км/ч). При достижении 5 баллов по шкале Бофорта (около 30 км/ч) турбина производит около 1 ватта мощности (по нашим измерениям — 147 мАч при 6,7 В).
Шкала Бофорта (по материалам Википедии)
| Баллы Бофорта | Словесное определение силы ветра | Средняя скорость ветра | ||
| м/с | км/ч | узлов | ||
| 0 | Штиль | 0—0,2 | < 2 | 0—1 |
| 1 | Тихий | 0,3—1,5 | 2—5 | 1—3 |
| 2 | Лёгкий | 1,6—3,3 | 6—11 | 4—6 |
| 3 | Слабый | 3,4—5,4 | 12—19 | 7—10 |
| 4 | Умеренный | 5,5—7,9 | 23-28 | 11—16 |
| 5 | Свежий | 8,0—10,7 | 29—38 | 17—21 |
| 6 | Сильный | 10,8—13,8 | 39—49 | 22—27 |
| 7 | Крепкий | 13,9—17,1 | 50—61 | 28—33 |
| 8 | Очень крепкий | 17,2—20,7 | 62—74 | 34—40 |
| 9 | Шторм | 20,8—24,4 | 75—88 | 41—47 |
| 10 | Сильный шторм | 24,5—28,4 | 89—102 | 48—55 |
| 11 | Жестокий шторм | 28,5—32,6 | 103—117 | 56—63 |
| 12 | Ураган | 33 и более | 118 и более | 64 и более |
Материалы и инструменты
- Переднее велосипедное колесо диаметром 28 дюймов и электрический генератор. Я приобрёл новый генератор на eBay за €40, но в Европе часто можно найти подержанные генераторы. В США аналогичный генератор можно отыскать на eBay или же купить недорогую динамо-втулку Shimano и установить её в старое колесо.
- 2 ПВХ-трубы диаметром 4 дюйма (условный проход трубы — 110 мм) длиной 2 метра. Я использовал тонкостенные трубы, но, в принципе, не имеет значения, какие именно они будут.
- 16 крепёжных винтов с гайками и большими шайбами. Длина и диаметр винтов будут зависеть от характеристик обода колеса.
- Стальная водопроводная оцинкованная труба диаметром 1 1/2 дюйма с резьбой по обоим концам. Длина этой трубы (высота мачты ветряка) подбирается индивидуально, исходя из условий, в которых генератор будет функционировать.
- Стальная трубопроводная арматура для водопроводной трубы 1 1/2 дюйма. Обязательно необходима торцевая заглушка и тройник (последний — не обязательно).
- Повышающе-понижающий (buck-boost) преобразователь напряжения DC-DC, например, Mesa #DSN6009 с выходным током 4 A. Я рекомендую использовать преобразователь с выходной мощностью не менее 30 Вт.
- 2 электролитических конденсатора на 2200 мкФ, минимум на 12 В.
- Мостовой выпрямитель. Необходимый ток — минимум 500 мА.
- Диод 1N4007.
- Термоусаживаемые трубки или изолента для изоляции соединений.
- Проволочные тросы и винты с петлями (по желанию). Эти детали могут понадобиться для крепления мачты.
- Мешок цемента (по желанию). Он может понадобиться для закрепления мачты.
- Ножовка или электролобзик для резки тонких PVC-труб.
- Дрель со свёрлами для работы с пластиком и металлом.
- Отвёртка и/или гаечный ключ и набор бит, подходящих по размеру к используемым винтам, гайкам и болтам.
- Паяльник и припой для выполнения электрических соединений.
Правовые аспекты установки ветряного электрогенератора
Ветрогенераторы относятся к необычной собственности, и владение подобным устройством подразумевает соблюдение определённых правил и законов. Если установка осуществляется вблизи мостов, аэропортов и тоннелей, то высота мачты не должна превышать 15 метров. Уровень шума, создаваемый устройством, не должен превышать 70 дБ днём и 60 дБ ночью. Нужно также предотвратить возможные телепомехи. Экологические службы не должны иметь претензий по поводу возможных препятствий для миграции перелётных птиц. Рекомендуется перед началом строительства проконсультироваться с юристом по каждому из параметров и иметь все необходимые документы. Никакого налогообложения за производство электроэнергии для собственных нужд законами не предусмотрено.
Классификация ветровых электростанций для частного дома
Устройство, которое преобразует кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращающегося ротора, а затем в электрическую энергию, может называться ветрогенератором, ветроэлектрической установкой (ВЭУ) или просто — ветряком. Эти установки можно классифицировать на три категории: промышленные, которые используются на производственных предприятиях; коммерческие, вырабатывающие электричество для продажи; и бытовые, предназначенные для индивидуального использования.
В зависимости от расположения оси основного ротора можно выделить два типа устройств: вертикальные и горизонтальные. У вертикальных турбин ось расположена вертикально относительно земной поверхности, что позволяет им эффективно работать даже при небольшом ветре.
В устройствах с горизонтальной осью вращения ротор параллелен поверхности земли. Они обладают большей мощностью и эффективностью преобразования энергии ветра в электрический ток. Такие ветрогенераторы раньше использовались не только для получения электричества, но и, например, для помола муки или перекачивания воды.
Ветрогенератор представляет собой отличное решение для обеспечения электроснабжения загородного дома. В некоторых случаях это даже может быть единственным вариантом для получения электроэнергии.
Что потребуется?
Один из наиболее распространённых вариантов — использование двигателя стиральной машины для создания самодельного генератора. Если у вас нет старой стиральной машины, двигатель можно найти у старьёвщиков на рынке или в сервисном центре бытовой техники, либо приобрести в специализированном магазине. Также не составит труда заказать такой мотор из Китая.
В большинстве стиральных машин используются бесколлекторные асинхронные двигатели.
Как новые, так и б/у моторы долговечны. Мощность таких двигателей на 200 ватт можно легко модифицировать под киловатт или даже больше.
Материалы
Для сборки генератора, кроме мотора, может потребоваться:
- неодимовые магниты разных размеров: 20, 10 и 5 мм (всего 32 магнитов);
- выпрямительные диоды или диодный мост, имеющий ток на десятки ампер (обязательно учитывать двухкратный запас по мощностям);
- эпоксидный клей;
- холодная сварка;
- наждачная бумага;
- металлические листы от консервной банки;
Неодимовые магниты можно заказать через интернет из Китая.
Инструменты
Для ускорения процесса изготовления потребуется следующий инструментарий:
- токарный станок;
- ножницы;
- отвёртка с набором насадок;
- плоскогубцы.
Если у вас нет токарного станка, постарайтесь найти знакомого, который умеет на нём работать.
Схемы и чертежи
Генератор, как устройство, вырабатывает переменный ток, который необходимо преобразовать в постоянный и привести к нужному уровню напряжения. Например, если мотор-генератор выдает 40 В, это вряд ли будет подходящим значением для большинства бытовых приборов, которые работают от 5 или 12 вольт постоянного тока либо 127/220 вольт переменного тока.
Проверенная временем схема системы включает в себя выпрямитель, контроллер, аккумулятор и инвертор. Для накопления запасаемой энергии используется автомобильный аккумулятор ёмкостью от 55 до 300 ампер-часов. Его рабочее напряжение составляет 10,9-14,4 В во время циклической зарядки (полный цикл) и 12,6-13,65 при буферной зарядке (когда необходимо дозарядить частично разряженную батарею).
Контроллер преобразует, к примеру, те же 40 вольт в 15. Его эффективность колеблется в пределах 80-95%, не учитывая потерь на выпрямителе.
Наивысшую эффективность демонстрирует трёхфазный генератор: его выходная мощность на 50% выше, чем у однофазного, и при работе он не вибрирует, что делает конструкцию более долговечной.
Катушки обмотки каждой из фаз чередуются и соединены последовательно, как и полюса магнитов, которые обращены к катушкам.
Функция инвертора заключается в преобразовании постоянного напряжения около 12 вольт, получаемого с аккумулятора, в переменное, порядка 220 вольт.
Современные бытовые устройства и электроника способны работать от напряжения 110 вольт (это американский стандарт) вплоть до 250 вольт. Не рекомендуется передавать большее напряжение на электрические приборы. Все преобразователи, как правило, являются импульсными, что приводит к меньшим потерям на тепло по сравнению с линейными.
Ветрогенератор на 220В полностью своими руками
Если вы живете в зоне, открытой для ветров, создание небольшого ветряка становится отличным решением. Это позволит вам получать бесплатную электроэнергию, доступную круглосуточно. Проектируемый ветряк способен выдавать напряжение 220В, что позволяет использовать его с некоторыми потребителями без дополнительного оборудования.
Материалы:
- Туристический газовый баллон;
- листовая сталь толщиной 1-2 мм;
- болты и гайки М6;
- магниты от двигателя электровелосипеда — 16 штук;
- эмалированная медная проволока;
- эпоксидная смола;
- алюминиевая профильная труба 10х10 мм;
- пластиковая канализационная труба с диаметром 110 мм.
Для изготовления ветряка вам нужно вырезать из туристического газового баллона или трубы диаметром 200 мм два кольца шириной 10 и 25 мм.
После этого под каждое кольцо вырезаются заглушки из листовой стали. Эти диски необходимо приварить к кольцам.
На детали из широкого кольца сделайте отверстие в центре для вала ветряка. Эта часть послужит корпусом для статора.
Вторая заготовка будет использоваться для ротора. Ее нужно разделить на три равные сектора и приварить по два болта на линиях деления для крепления лопастей.
В центр детали ротора изнутри приварите вал, который будет выполнять вращение. Его можно отрезать от якоря любого неработающего мотора.
Для вала ветряка используйте два подшипника, которые также можно снять с донора-мотора. Подшипники нужно установить в отрезок подходящей трубки. Если у вас нет трубы нужного диаметра, то вы можете разрезать имеющуюся, сузить её и заварить.
Место установки ветрогенератора
Описываемый ветрогенератор установлен на 4-метровой опоре на краю скалы. Трубный фланец, установленный внизу генератора, обеспечивает простоту и скорость установки — достаточно прикрутить всего 4 болта. Однако для надёжности лучше всего приварить фланец.
Обычно горизонтальные ветрогенераторы обладают предпочтениями относительно направления ветра, так как ветер обычно дует с одного направления, в отличие от вертикальных ветряков, которые могут поворачиваться благодаря флюгеру. Это делает их менее зависимыми от направления ветерка. В данном случае, из-за установки на берегу скалы, ветер создает сложные турбулентные потоки с разных направлений, что делает установку менее эффективной.
Также следует учитывать силу ветра при выборе места для установки ветрогенератора. Архивированные данные о силе ветра в вашем регионе можно найти в интернете, конечно, учтите, что информация может быть лишь ориентировочной, так как всё зависит от конкретного места.
Для более точных измерений вам поможет анемометр — прибор для оценки силы ветра.
Немного о механике ветрогенератора
Ветер возникает в результате разницы температур на поверхности земли. Когда ветер вращает лопасти ветрогенератора, он создаёт три силы: подъемную, тормозящую и импульсную. Подъемная сила обычно возникает на выпуклой поверхности и связана с разницей давлений. Тормозная сила — нежелательная, которая возникает за лопастями и замедляет вращение ветряка. Импульсная сила возникает из-за формы лопастей — молекулы воздуха, ударяясь о лопасти сзади, создают напряжённость, что способствует вращению лопастей. Чем больше подъемная и импульсная силы и меньше тормозная, тем быстрее вращаются лопасти. Соответственно, вращается ротор, создавая магнитное поле на статоре, и в результате вырабатывается электрическая энергия.
Скачать схему расположения магнитов можно по ссылке.
