Халявная электроэнергия из воздуха: простой ветрогенератор своими руками

Вертикалки

Ветряки с вертикальной осью вращения являются наиболее подходящей для самостоятельного изготовления группой устройств. Они имеют простую, понятную конструкцию. Не нуждаются в большом количестве узлов вращения, нетребовательны к направлению ветра. Возможности этой группы породили большое количество вариантов конструкции, некоторые из которых следует рассмотреть подробнее.

ВС

Ветрогенератор Савониуса — одна из наиболее старых разработок, увидевших свет в 20-х годах прошлого столетия. Устройство состоит из двух лопастей достаточно большой площади, изогнутых в продольном направлении. В поперечном сечении они напоминают латинскую букву S. При этом, они слегка сдвинуты друг к другу, несколько перекрывая рабочие стороны.

При воздействии потока ветра одна из лопастей получает усилие на рабочую часть, а вторая — на обратную сторону. Форма лопасти способствует рассечению потока, часть которого уходит в сторону, а другая часть соскальзывает на рабочую поверхность второй лопасти, увеличивая вращающий момент.

Дарье

Конструкция Дарье была предложена почти одновременно с ротором Савониуса. Ее основа — лопасти, имеющие форму крыла самолета и расположенные вертикально по касательной к окружности вращения. Требуется нечетное число лопастей, иначе возникнет чрезмерно высокое уравновешивающее усилие. Подъемная сила лопастей способствует возникновению высокой скорости вращения, превышающей этот показатель в 3-4 раза по сравнению с ротором Савониуса.

Математического описания работы устройства до сих пор не имеется, но разработки, выполненные на основе конструкции, существуют и постоянно пополняются. Существует большое количество моделей частных ветрогенераторов с мощностью, достаточной для обеспечения небольшого дома.

Ортогонал

Ортогональные конструкции являются наиболее эффективными из всех базовых моделей вертикальных ветряков. Они обладают высокими скоростями, чувствительностью, производительностью. Конструкция состоит из нескольких лопастей (обычно три и больше), расположенных на некотором расстоянии от оси параллельно ей. Рассмотренный выше ротор Дарье — один из представителей ортогональных устройств. К недостаткам можно отнести высокие нагрузки на узел вращения, способствующие быстрому выходу из строя движущихся деталей.

Геликоид

Геликоидные конструкции созданы на основе базовой модели ортогонального типа, но со значительными изменениями геометрии лопастей. Они изогнуты по окружности вращения, получив форму, приближенную к спиральной. В результате достигается значительная стабилизация вращения, снижается износ движущихся элементов, конструкция в целом приобретает долговечность, прочность и надежность.

Более плавный режим вращения обеспечивает равномерную выработку электрического тока, что позволяет использовать устройства для прямого питания некоторых потребителей (осветительных устройств, насосов и т.д.). Для самостоятельного изготовления конструкция представляет достаточно трудную задачу из-за сложной геометрической формы лопастей.

Бочка-загребушка

Это — «народное» название многолопастного карусельного (вертикального) ветрогенератора. Устройство имеет хороший баланс, эффективно захватывает поток ветра, низкий уровень шума. Для желающих попробовать силы в изготовлении ветряк своими руками этот вариант конструкции рекомендуется как один из базовых типов конструкции. Лопасти делаются из листовой оцинкованной стали, разрезанных вдоль бочек или иного подручного материала.

Каркас — сваривается из металлического профиля — уголка, трубы и т.п. Особенность устройства в его неуязвимости для сильных порывов ветра — вокруг крыльчатки при усилении потока образуется вихревой кокон, препятствующий проникновению ветра внутрь крыльчатки. Поток просто обтекает устройство, как трубу.

Ветрогенератор Ленца

Особенность конструкции Ленца состоит в использовании вместо подшипников сильных неодимовых магнитов. Они удерживают узел вращения в «подвешенном» состоянии, что обеспечивает легкость вращения. Отсутствие трения способствует высокой долговечности оборудования. Показатели весьма впечатляющие — старт вращения происходит при скорости ветра от 0,17 м/с, а на номинальную производительность ветряк выходит уже при 3,4 м/с.

Покупка ветряка

Если вы не в состоянии сами сделать ветрогенератор, его можно приобрести. Наиболее популярными являются фирмы Winder, EuroWind, WindElectric, ВЭУ.

Рассмотрим конкретно случай приобретения ветрогенератора Winder Malard 800.

Конструкция лопастей даёт возможность выдерживать сильные ветра.При штормовом ветре скоростью до 35 м/с выработка энергии составляет до 1800 Вт.

Технические характеристики модели:

• Ветрогенератор рассчитан на 125 тысяч часов работы. Элементарная схема позволяет собрать ветряк самому в домашних условиях. Страна-производитель — США. Гарантия на 1 год
• Мощность устройства при скорости ветра в 3 м/с — 750 Вт. Скорость, при которой начинается вращение ротора — 2,5 м/с. Все лопасти сделаны из углеродного волокна. Роторный диаметр составляет 150 см.

Комплектация:

• 6 лопастей из углеволокна;
• Ветротурбина;
• Ротор;
• Крепления;
• Хвост.

Стоимость ветрогенератора Winder Malard 800 составляет 885 евро, собирается за два часа.

Срок окупаемости ветряков составляет 5-7 лет. При постоянных отключениях, а также при отсутствии электросети срок окупаемости составит от 3 до 5 лет.

Какой выбрать генератор для домашней ветроэлектростанции?

От автомобиля

1. Достоинства: не дорогой, очень легко отыскать, уже полностью собран.
2. Недостатки: для работы нужна большая скорость вращения, по этому требуется установка дополнительных шкив. Непродуктивен.

Цена: Зависит от модели и марки автомобиля.

Самодельный генератор

1. Достоинства: не высока стоимость всей комплектации, довольно хорошая продуктивность, относительно автомобильного генератора, при правильной сборке, возможно получение большой мощности, очень крепкая и неразрушимая сборка.
2. Недостатки: очень сложная затея для не обученного человека, требует обработки на токарном станке.

Цена: Зависит от купленных вами запчастей и номинальной, желаемой мощности.

Переменного тока, асинхронный

1. Достоинства: не высокая стоимость, очень легко найти и приобрести, не сложно переоборудовать под ветряк, при низких оборотах очень хорошая продуктивность.
2. Недостатки: максимальная мощность ограниченная, так как агрегат имеет внутреннее сопротивление, при высоких оборотах лопасти, генератор не производит достаточное количество электроэнергии для того, чтобы установить на ветряк, нужно обработать на токарном станке.

Цена: можно найти от одной тысячи рублей.

Постоянного тока

1. Достоинства: простая и понятная конструкция, уже собранный и готов к использованию, достаточно хорошо работает на низких оборотах.
2. Недостатки: очень сложно найти генераторы нужной мощности, ведь маленькие агрегаты не выдают нужную мощность, очень похотливый.

Цена: начинается от 7 тысяч рублей.

С постоянными магнитами

1. Достоинства: Очень высокая эффективность, есть возможность получить много мощности, конструкция крепкая и устойчивая.
2. Недостатки: Если делать своими руками, то очень сложный проект, требуется обработка на токарском станке.

Цена:  на 500 Вт конструкцию колеблется в районе 14 – 15 тысяч рублей.

Низкооборотный

1. Достоинства: Простой в использовании, не требует больших затрат, хорошо работает на низких оборотах.
2. Недостатки: Не будет работать на высоких оборотах, слабая мощность.

Цена:  Около 10 тысяч рублей.

Асинхронный

1. Достоинства: Не дорогой, легко найти, не сложно переоборудовать под ветряк, отлично работает на низких оборотах.
2. Недостатки: Внутреннее сопротивление ограничивает мощность, малая эффективность на высоких скоростях.

Цена: Имеется очень огромный сортимент данного товара, цена колеблется в районе 5 тысяч рублей, до пятиста тысяч, ценовой диапазон ориентируется по мощности.

Ископаемые, которые дают человечеству энергию скоро закончатся, нам нужно искать выход. Одним из таких выходов и является ветрогенератор. Его конструкция и установка дорогая, однако, установив его сейчас, вы обеспечиваете светлое будущее своим детям.

Ветровое колесо

Лопасти, пожалуй, самая важная часть ветрогенератора. От конструкции будет зависеть работа остальных узлов устройства. Изготавливают их из разных материалов. Даже из пластиковой канализационной трубы. Лопасти из трубы просты в изготовлении, стоят дёшево и не подвержены воздействию влаги. Порядок изготовления ветроколеса следующий:

1. Необходимо рассчитать длину лопасти. Диаметр трубы должен быть равен 1/5 от общего метража. К примеру, если лопасть будет метровая, то подойдёт труба диаметром 20 см.
2. Разрезаем трубу лобзиком вдоль на 4 части.
3. Из одной части изготавливаем крыло, которое послужит шаблоном для вырезания последующих лопастников.
4. Заусенца на краях сглаживаем абразивом.
5. Лопасти фиксируют к алюминиевому диску с приваренными полосами для крепления.
6. Далее к этому диску прикручивается генератор.

Лопасти для ветрового колеса

После сборки ветроколесо нуждается в балансировке. Его закрепляют на штативе горизонтально. Операцию проводят в закрытом от ветра помещении. В случае правильно проведённой балансировки колесо не должно двигаться. Если же лопасти вращаются сами, то их требуется подточить до придания равновесия всей конструкции.

Только после успешного завершения данной процедуры следует перейти к проверке точности вращения лопастей, они должны крутиться в одной плоскости без перекоса. Допускается погрешность в 2 мм.

Схема сборки генератора

Расчет ветрогенератора

Для того чтобы правильно рассчитать номинальную мощность ветряного генератора, необходимо соблюдать определенные правила.

Перед выбором ветрогенератора необходимо определить скорость и направление ветра, наиболее характерные в месте предполагаемого монтажа. Следует помнить, что вращение лопастей начинается при минимальной скорости ветра 2 м/с. Максимального КПД удается достичь, когда этот показатель достигает значения от 9 до 12 м/с. То есть, для того чтобы обеспечить электричеством небольшой загородный дом, потребуется генератор с минимальной мощностью 1 кВт/ч и ветер со скоростью не менее 8 м/с.

Скорость ветра и диаметр винта оказывают непосредственное влияние на мощность, вырабатываемую ветряной электроустановкой. Точно рассчитать эксплуатационные характеристики той или иной модели возможно с помощью следующих формул:

1. Расчеты в соответствии с площадью вращения выполняются следующим образом: P = 0,6 х S х V3, где S – площадь, перпендикулярная направлению ветра (м2), V – скорость ветра (м/с), Р – мощность генераторной установки (кВт).
2. Для расчетов электроустановки по диаметру винта применяется формула: Р = D2 х V3/7000, в которой D является диаметром винта (м), V – скорость ветра (м/с), Р – мощность генератора (кВт).
3. При более сложных вычислениях учитывается плотность воздушного потока. Для этих целей существует формула: P = ξ х π х R2 х 0,5 х V3 х ρ х η_ред х η_ген, где ξ является коэффициентом использования ветровой энергии (безмерная величина), π = 3,14, R – радиус ротора (м), V – скорость воздушного потока (м/с), ρ – плотность воздуха (кг/м3), η_ред – КПД редуктора (%), η_ген – КПД генератора (%).

Таким образом, электроэнергия, производимая ветрогенератором, возрастает количественно в кубическом соотношении с повышающейся скоростью ветрового потока. Например, при повышении скорости ветра в 2 раза, выработка ротором кинетической энергии возрастет в 8 раз.

При выборе места установки ветрогенератора необходимо отдавать предпочтение участкам без больших построек и высоких деревьев, которые создают преграду для ветра. Минимальное расстояние от жилых домов составляет от 25 до 30 метров, в противном случае шум во время работы будет создавать неудобства и дискомфорт. Ротор ветряка должен быть расположен на высоте, превышающей ближайшие постройки не менее чем на 3-5 м.

Если подключение загородного дома к общей сети не планируется, в этом случае можно воспользоваться вариантами комбинированных систем. Работа ветряной установки будет значительно эффективнее при использовании ее совместно с дизель-генератором или солнечной батареей.

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.

Ветрогенераторы своими руками на 220 в

Для того, чтобы собрать ветроуловитель нам понадобятся: генератор на 12 вольт, аккумуляторные батареи, преобразователь с 12 v на 220 в, вольтметр, медные провода, крепежи (хомуты, болты, гайки).

Чтобы ветрогенератор получился практичным и качественным, перед его изготовлением лучше дополнительно ознакомиться с подробной инструкцией

Изготовление любого ветряка предполагает наличие таких этапов как:

1. Изготовление лопастей. Лопасти вертикального ветрогенератора можно сделать из бочки. Нарезать детали можно при помощи болгарки. Винт для небольшого ветряка можно изготовить из трубы ПВХ с сечением в 160 мм.
2. Изготовление мачты. Мачта должна быть высотой не менее 6 метров. При этом, для того, чтобы крутящее усилие не сорвало мачту, ее необходимо закрепить ее на 4 растяжки. Каждую растяжку, при этом, нужно намотать на бревно, которое следует закопать глубоко в землю.
3. Установка неодимовых магнитов. Магниты наклеиваются на диск ротора. Лучше выбирать прямоугольные магниты, магнитные поля в которых сосредотачиваются по всей поверхности.
4. Намотка катушек генератора. Намотка выполняется медной нитью с диаметром не менее двух мм. При этом, мотков должно быть не более 1200.
5. Фиксация лопастей к трубе при помощи гаек.

При наличии мощных аккумуляторных батарей и инвертора, полученное устройство сможет выработать такое количество электричества, которого будет достаточно для использования бытовой техники (например, холодильника и телевизора). Отлично подойдет такой генератор для поддержания работы систем освещения, отопления и вентиляции небольшого дачного домика, теплицы.

Самостоятельное изготовление домашней ветродуйки из шагового двигателя

Шаговые двигатели используются во многих электромеханических устройствах, например в принтерах. Если начать вращать вал такого движка, то на его клеммах появится электрическое напряжение. Это означает, что шаговый электродвигатель можно использовать в качестве электрогенератора.

Что подготовить для работы

Перед началом работы следует обзавестись маленьким шаговым электродвигателем, например от принтера. Приготовить электронные компоненты и провода для того, чтобы собрать схему выпрямителя. Потребуются обрезки тонкой листовой стали или алюминия для создания конструкции. И обязательно − мелкий крепёж. Нужен несложный слесарный инструмент и паяльник.

Чертежи и эскизы

Конструкторскую часть можно оформить в виде эскизов. Электродвигатель устанавливается на фанерную пластину по посадочным отверстиям на корпусе моторчика. Схема выпрямителя приведена на рисунке ниже.

ФОТО: YouTube.comЭлектрическая схема выпрямителя для генератора из шагового двигателя

Технология изготовления

Двигатель привинтить к фанерной пластине. Для увеличения его оборотов и получения повышенного напряжения можно сделать повышающий обороты редуктор. Для этого, тщательно определив межцентровое расстояние и выбрав параметры зуба, нужно на этой же базовой пластине на оси установить шестерню большего диаметра.

ФОТО: YouTube.comПовышающий обороты редуктор

Ручка на ведущей шестерне нужна для проверочных работ и для выработки тока при срочной зарядке микроаккумуляторов.

ФОТО: YouTube.comУстройство в сборе для проверки его работыФОТО: YouTube.comНа плате установлены мотор-генератор и блок выпрямителя

Проверка работоспособности

Для проверки работоспособности готового устройства к нему подключается USB-тестер. При вращении ручки на мониторе тестера появляется значение величины электрического напряжения.

ФОТО: YouTube.comПроверка работоспособности устройства

Для работы в качестве ветрогенератора на вал двигателя следует одеть крыльчатку.

Как самостоятельно изготовить ветрогенератор вертикального типа

Самостоятельное изготовление ветрогенератора вполне возможно, хотя и не так просто, как может показаться на первый взгляд. Понадобится либо собрать весь комплект оборудования, что весьма сложно, либо некоторые его элементы приобрести, что довольно дорого. В состав комплекта могут входить:

• ветрогенератор
• инвертор
• контроллер
• комплект аккумуляторов
• провода, кабели, вспомогательное оборудование

Оптимальным вариантом станет частичное приобретение готового оборудования, частичное изготовление своими руками. Дело в том, что цены на узлы и элементы очень высоки, доступны не для всех. Кроме того, высокие единовременные вложения заставляют задуматься, нельзя ли эти средства реализовать более эффективным образом.

Система работает следующим образом:

• ветряк вращается и передает момент на генератор
• возникает электрический ток, который заряжает аккумулятор
• аккумулятор присоединяется к инвертору, преобразующему постоянный ток в 220 В 50Гц переменного тока.

Сборку обычно начинают с генератора. Наиболее удачным вариантом является сборка 3-фазной конструкции на неодимовых магнитах, позволяющей вырабатывать соответствующий ток.

Вращающиеся части делаются на основе одной из систем, наиболее доступной для воссоздания своими руками. Лопасти изготавливаются из отрезков труб, распиленных пополам металлических бочек или согнутого определенным образом листового металла.

Мачта сваривается на земле и устанавливается в вертикальное положение уже в готовом виде. Как вариант, делается из дерева сразу на месте установки генератора. Для прочной и надежной установки следует сделать для опор фундамент и закрепить мачту анкерами. При большой высоте ее следует дополнительно закрепить растяжками.

Все узлы и детали системы требуют подгонки друг к другу по мощности, настройки работоспособности. Заранее сказать, насколько эффективным будет ветрогенератор, невозможно, так как слишком много неизвестных параметров не позволят вычислить характеристики системы. При этом, если изначально закладывать систему под определенную мощность, то на выходе всегда получаются довольно близкие значения. Основным требованием становится прочность и аккуратность изготовления узлов, чтобы работа генератора была достаточно стабильной и надежной.

Ветрогенератор с вертикальной осью вращения

В ветряных генераторах данного вида вращающаяся ось генератора расположена вертикально по отношению к поверхности земли.

За годы использования устройств данного вида появились разнообразные конструкции которые объединены в группы, это:

С ротором Дарье — агрегаты оснащаются двумя или тремя лопастями, изогнутыми в форме овала.

К положительным особенностям данной конструкции можно отнести:

• Самостоятельную ориентацию по отношению к воздушным потокам;
• Удобное обслуживание установки.
• Простота схемы агрегата.

К отрицательным относятся:

• Нет возможности в самостоятельной раскрутке лопастей;
• Значительная нагрузка на элементы конструкции;
• Лопасти должны быть идентичны и соответствовать заданному профилю;
• Повышенный уровень шума в процессе работы.
• С ротором Савониуса – агрегаты оснащены лопастями в виде цилиндрических поверхностей.

• Для запуска в работу требуются незначительные потоки ветра;
• Способность быстрого набора крутящего момента;
• Надёжность конструкции;
• Низкая стоимость.

К недостаткам можно отнести:

Низкий КПД устройств этой группы.

Устройства с ротором Савониуса применяют при монтаже комбинированных ветровых генераторов, их используют для разгона агрегатов с ротором Дарье.

С вертикально-осевой конструкций ротора — у агрегатов этой группы лопасти напоминают форму крыла самолета и расположены вертикально, ось ротора расположена параллельна валу.

По внешнему виду агрегаты данной группы похожи на устройства с ротором Дарье.

К положительным качествам устройств относятся:

1. Простота в изготовлении;
2. Способность быстрого набора скорости вращения;
3. Низкий уровень шума.
4. Надежность в работе.
5. С геликоидным ротором – агрегаты этой группы являются более развитым вариантом устройств с вертикально-осевым ротором. Лопасти имеют форму геликоидной кривой.

Положительные качества:

1. Более низкие нагрузки на элементы конструкции;
2. Быстрый набор скорости вращения.

Недостатки:

• Повышенный уровень шума;
• Высокая стоимость.
• Многолопастный ротор – в основу агрегатов этого типа положена вертикально-осевая конструкция с устройством дополнительного внешнего кольца неподвижных лопастей.

Достоинства агрегатов данной группы:

• Более высокий КПД установок;
• Чувствительность к потокам ветра.

Недостатки:

• Высокая стоимость;
• Повышенный уровень шума.

Конструктивные особенности и механика ветряного генератора

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

Опора (ее еще называют мачтой). На нее крепится пропеллер, поскольку на высоте большая вероятность «поймать» хороший ветер

Следовательно, изготовлению опоры следует уделить особое внимание, ведь данный элемент должен выдерживать требуемые нагрузки. Лопасти

Они «ловят» воздушные массы, вследствие чего вращаются сами и вращают вал.

Лопасти. Они «ловят» воздушные массы, вследствие чего вращаются сами и вращают вал.

Вал. На него можно устанавливать сразу несколько генераторов, а также угловой редуктор, благодаря которому движение будет передаваться ниже, на кардан. Применение редуктора заметно повышает обороты.

Анемоскоп. Специальное устройство, которое применяется в мощных ветряных установках. Собирает сведения о направлении/скорости движения воздуха. В ветряках, сделанных своими руками, почти не используется – вместо него, как правило, устанавливают флюгер с поворотным механизмом.

Генератор. Он как раз и превращает кинетическую энергию в электроэнергию. Если то, производимый генератором, стабилен, то элемент можно подключить к аккумулятору.

Инвертор. Дает напряжение требуемой величины – к примеру, 220 вольт. Необходим, прежде всего, для удобства, поскольку большая часть современных приборов рассчитана именно на такое напряжение. Но заметим, что инвертор включают далеко не во все схемы, ведь предназначение ветряков может быть разным.

Аккумулятор (один или сразу несколько). Обеспечивает стабильность работы, подзаряжаясь в ветреное время и расходуя накопленную энергию после того, как ветер утихает.

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

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

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