Ветрогенератор своими руками

Разновидности генераторов

Прежде чем решить, как сделать ветрогенератор своими руками, рассмотрим особенности конструкции:

По расположению генератора устройство может быть горизонтальным или вертикальным

• Классическая конструкция — ось вращения расположена параллельно земле, плоскость лопастей — перпендикулярно. Такая схема предусматривает свободное вращение вокруг вертикальной оси, для позиционирования «по ветру».Чтобы плоскость вращения всегда занимала эффективное положения перпендикулярно направлению ветра, требуется хвостовое оперение, которое работает по принципу флюгера. Принцип действия простой: ветер меняет направление, воздействует на хвостовую плоскость, ось вращения генератора всегда расположена вдоль движения потока воздуха. Единственная сложность — подключение силовых кабелей. Если корпус генератора совершит несколько оборотов вокруг вертикальной оси, провода намотаются на мачту, и оборвутся. Поэтому требуется установка ограничителя. Он не позволяет совершить полный оборот, но приводит к зависанию) корпуса в мертвых зонах.Промышленные образцы имеют электронный регулятор слежения за направлением, и поворачивает корпус с помощью встроенного электромотора.Решить проблему можно с помощью цилиндрического пропеллера, который принимает воздушный поток как поперек, так и вдоль оси вращения. Правда, эффективность зависит от угла атаки. Чем больше ветер отклоняется от угла 90°, тем ниже КПД.Но такую конструкцию трудно сделать своими руками, из-за сложностей в аэродинамике движителя.
• Оптимальный вариант — вертикальные генераторы (то есть, ось вращения вала располагается перпендикулярно земле). При таком расположении аэродинамического движителя, вы вообще не зависите от направления ветра. Вращение одинаково эффективно, и зависит только от силы потока воздуха.Форма лопастей может быть самой разной, есть простор для инженерной мысли. Существует множество интересных аэродинамических проектов, разработанных научными учреждениями. Причем чертежи большинства их них представлены в свободном доступе. Причем конструкции, опубликованные в литературе технической направленности времен СССР, порой оказываются наиболее рациональными.Роторные винты имеют неоспоримое преимущество: вертикальный генератор закреплен статично, что упрощает электрическое подключение. Нет необходимости устанавливать ограничители вращения, как в горизонтальных схемах.

По номиналу генерируемого напряжения

• Ветрогенераторы, изготовленные своими руками на 220 вольт, не требуют дополнительных преобразователей величины напряжения, и являются конструкциями прямого применения. Однако их работа зависит от силы ветра. Как минимум, необходим стабилизатор на выходе, выполняющий функцию регулятора при разных оборотах вала. При отсутствии ветра, система просто не работает.Преимущества неоспоримы: как правило, используется мощный электродвигатель, на который можно устанавливать винт, непосредственно закрепив его к валу ротора. Переделки минимальны по трудозатратам, такие моторы уже имеют удобный постамент, остается лишь изготовить опорную площадку.Электродвигатели можно найти с минимальными финансовыми затратами: от любой списанной электроустановки. Например, промышленного вентилятора. Подходят и моторы от бытовой техники: стиральные машины, пылесосы.
• 12 вольт (реже 24 вольта). Наиболее популярная конструкция — ветрогенератор своими руками из автомобильного генератора. Причем он демонтируется из автомобиля-донора в комплекте с преобразователем напряжения. Переделка схемы не требуется: на выходе мы получаем либо 14 вольт (в автомобиле таким напряжением заряжается аккумулятор), либо требуемые для питания вашей энергосистемы 12 вольт. Наличие шкива позволяет сконструировать ременную передачу с требуемым соотношением оборотов. Ответную часть также можно снять с автомобиля донора.При желании, лопасти крепятся непосредственно на вал.Такие ветрогенераторы можно использовать как для непосредственного подключения к потребителю, так и в автомобильном режиме, воспроизведя систему зарядки в комплекте с аккумулятором. Если для организации энергоснабжения требуется 12 вольт, питание берется напрямую с клемм аккумулятора. Для получения 220 вольт, используется преобразователь. Подходящий вариант — источник бесперебойного питания.Система работает следующим образом: если отбираемая мощность ниже, чем может обеспечить генератор — аккумуляторные батареи заряжаются. Если порог превышен — мощность генерируется от АКБ.

Краткое описание устройства

Как сделать ветряной генератор такого типа? Полное описание сборки займет огромное количество времени, а также оно требует хороших знаний в области работы магнитов и обращения с ними. Поэтому в статье представлена более краткая инструкция. Если она будет проста и понятна, то в таком случае можно углубиться в изучение этого вопроса.

Во-первых, длина мачты у таких ветряков должна быть от 6 до 12 метров.

Во-вторых, придется бетонировать площадку под установку, так как такая высота слишком велика, чтобы избежать этого этапа. Сам по себе ветряк будет крепиться на самом верху мачты, а потому внизу необходимо предусмотреть крепление, которое при помощи лебедки позволит собственноручно в любое время опускать или поднимать трубу. Это необходимо, чтобы была возможность добраться до ветряка, если его придется чинить. Для изготовления винта в данном случае можно использовать трубу из ПВХ материала с диаметром в 160 мм. Она будет использоваться в качестве основы для вырезания винта длиной в 2 метра и лопастей для него. Количество лопастей лучше всего сделать шесть, а вот их форму придется подобрать опытным путем, чтобы получить максимальную выгоду. Цель в данном случае — это достичь максимального крутящего момента при низких оборотах конструкции. Так как необходимо будет уберечь винт от очень сильного ветра, придется сделать складной хвост для него. Энергия, которая будет вырабатываться ветряным источником, должна накапливаться в аккумуляторах, как и в первом случае.

В конце следует добавить, что можно делать ветряной генератор на 10 кВт, к примеру. Однако в этом случае его мощность будет огромной и использовать его только в бытовых целях неразумно. Кроме того, потребуется разрешение на эксплуатацию мощного источника альтернативного питания. К тому же, скорее всего, придется платить налог, так как электричество будет использоваться не только для обеспечения индивидуальных потребностей человека.

В данном случае были представлены две модели, обе из которых можно собрать своими руками. Их особенности и преимущества несколько отличаются, однако оба вида вполне могут эксплуатироваться самостоятельно.

Как сделать своими руками?

Ветряной генератор – это не очень сложная конструкция, которую сможет собрать практически любой человек, если он имеет начальные навыки работы с ручным инструментом и обладает знаниями в электротехнике. Рассмотрим процесс сборки самого простого ветряного генератора для пользователей, начинающих осваивать альтернативные источники энергии.

Инструменты и материалы

Чтобы не ошибиться в размерах и собрать все правильно, можно воспользоваться любым готовым чертежом из интернета или можно начертить свой собственный и проверить его на деле. Для изготовления надежной и качественной конструкции потребуется:

• листовой металл для изготовления лопастей с толщиной 0.8-0.9 мм, он не должен быть слишком тонким и слабым, чтобы его не погнул или не порвал сильный порыв ветра, но и слишком толстый материал также нежелателен, поскольку избыточный вес конструкции приведет к быстрому износу подшипников;
• стальная пластина 40 мм или другого диаметра;
• стальная труба 25 мм;
• полуось от любого автомобиля с подшипником;
• стальной уголок;
• 2 шкива разного размера;
• автомобильный генератор.

Схема изготовления

Схема сборки самодельного ветряного генератора простая, в нее всегда можно добавить свои конструкторские решения. Из листового металла нужно изготовить 4 лопасти, размер которых будет составлять 1000 на 800 мм. Для скрепления лопастей между собой применяется стальная полоса. В результате конструкция должна напоминать форму барабана. Лопасти должны быть направлены от центра к наружной стороне. Такое направление позволит иметь больший парус на захват воздушного потока, а при развороте лопасти ее обтекаемая форма будет иметь минимальное сопротивление воздуху.

Из стальной трубы изготавливается вертикальный упор, который одной стороной крепится к полуоси, а на противоположную устанавливаются получившиеся лопасти.

Для большей производительности нам и понадобятся шкивы разных радиусов. Тот, который побольше, крепим на мачту, а который поменьше – на сам генератор. Если на генераторе имеется свой шкив, то можно использовать его. После этого генератор готов к выработке тока, но его нужно отправить в нужное нам место. Для этого прикрепляем к контактам провода. Желательно, чтобы они были медные и сечением не менее 1.5 кв. мм.

Лопасти для ветрогенератора

Эффективность работы ветровых электроустановок во многом зависит от конструкции лопастей. Прежде всего, это их количество и размеры, а также материал, из которого будут изготовлены лопасти для ветрогенератора.

Факторы, влияющие на конструкцию лопастей:

• Даже самый слабый ветер сможет привести в движение длинные лопасти. Однако слишком большая длина может привести к замедлению скорости вращения ветряного колеса.
• Увеличение общего количества лопастей делает ветряное колесо более чутким. То есть, чем больше лопастей, тем лучше запускается вращение. Однако мощность и скорость будут снижаться, что делает подобное устройство непригодным для выработки электроэнергии.
• Диаметр и скорость вращения ветряного колеса оказывает влияние на уровень шума, создаваемого устройством.

Количество лопастей должно сочетаться с местом установки всей конструкции. В наиболее оптимальных условиях правильно подобранные лопасти способны обеспечить максимальную отдачу ветрогенератора.

Выбор ветрогенератора. Средние цены

Определив вид устройства, критерии по которым следует выбрать агрегат, можно продолжить осуществлять выбор ветряного генератора.

Следует определиться с ценовым диапазоном, в котором должен находиться подбираемый агрегат и соответственно со страной и фирмой производителем.

В настоящее время ветровые генераторы выпускаются как в нашей стране, так и за ее пределами.

В России подобные агрегаты выпускают:

• ООО «СКБ Искра», г. Москва;
• ООО «ГРЦ-Вертикаль», г. Миасс, Челябинская область;
• ЗАО «Ветроэнергетическая компания» г. Санкт-Петербург;
• ЛМВ «Ветроэнергетика», г. Хабаровск;
• ЗАО «Агрегат-Привод», г. Москва и еще ряд компаний, зарегистрированных в нашей стране.

Наиболее известными зарубежными производителями ветровых генераторов являются:

• Датская «Vestas»;
• Бельгийская «Blue Planet Wind»;
• Испанская «Gemesa»;
• Компании из Китая: «Guangzhou Sunning Windpower Generator Co., Ltd.», «Hefei Wind Wing Energy Technology Co., Ltd.», «Foshan Tanfon Energy Technology Co., Ltd.», «Hangzhou Lectstyle Trade Co., Ltd.», и другие;
• Компания «GE Energy» из США.

Наиболее востребованы и надежны в эксплуатации ветровые генераторы, выпускаемые фирмой «Blue Planet Wind» (Бельгия), поэтому для определения средней цены изучим оборудование именно этой компании.

В зависимости от мощности генераторы выпускаются:

1. Ветрогенератор EnergyWind мощностью 1,0 кВт – 68000,00 рублей;
2. Ветрогенератор EnergyWind мощностью 2,0 кВт – 80000,00 рублей;
3. Ветрогенератор EnergyWind мощностью 5,0 кВт – 250000,00 рублей;
4. Ветрогенератор EnergyWind мощностью 10,0 кВт – 650000,00 рублей.

Оценка целесообразности установки

Прежде чем приступать к изготовлению ветряного генератора вертикального типа, изучают метеоситуацию в своем регионе и стараются определить, сможет ли агрегат обеспечить необходимое количество ресурса.

Специалисты рекомендуют оценить следующие параметры:

• количество ветреных дней  – берут среднее значение за год, когда порыв превышает 3 м/с;
• объем электроэнергии, потребляемый за сутки домовладением;
• подходящее место на собственном участке для ветряного оборудования.

Первый показатель узнают из данных, полученных на ближайшей метеостанции или найденных в интернете на соответствующих порталах. Дополнительно сверяются с печатными географическими изданиями и составляют полную картину о ситуации с ветром в своем регионе.

Статистику берут не за один год, а за 15-20 лет, только тогда средние цифры будут максимально корректными и покажут, сможет ли генератор полностью удовлетворить потребность домовладения в электроэнергии или его сил хватит только на питание отдельных бытовых нужд.

Если в распоряжении владельца большой участок земли, расположенный на склоне, у берега реки или на открытом пространстве, с установкой не будет проблем.

Когда же дом находится в глубине населенного пункта, а двор отличается компактными габаритами и вплотную прилегает к соседским постройкам, установить вертикальную модель ветряка своими руками будет непросто. Конструкцию придется поднимать на 3-5 м над землей и дополнительно укреплять, чтобы при сильном порыве она не упала.

Учесть всю эту информацию нужно на этапе планирования, чтобы стало понятно, сможет ли ветряной генератор взять на себя полное энергообеспечение или его роль останется в рамках вспомогательного источника энергии. Предварительно желательно провести расчет ветряка.

Финальная сборка

Раму генератора сваривают из профильной трубы. Хвост изготавливают из оцинкованной жести. Поворотная ось представляет собой трубку с двумя подшипниками. Генератор крепят к мачте таким образом, чтобы расстояние от лопасти до мачты было не менее 25 см. В целях безопасности для финальной сборки и монтажа мачты стоит выбрать безветренный день. Лопасти под действием сильного ветра могут изогнуться и разбиться о мачту.

Чтобы использовать аккумуляторы для питания техники, которая работает от сети 220 В, потребуется установить инвертор преобразования напряжения. Ёмкость батареи подбирается индивидуально к ветрогенератору. Этот показатель зависит от скорости ветра на местности, мощности подключаемой техники и частоты пользования ею.

Устройство ветрогенератора

Чтобы батарея не вышла из строя от чрезмерной зарядки, понадобится контроллер напряжения. Его можно изготовить самостоятельно, если обладаете достаточными знаниями в электронике, или купить готовый. В продаже имеется множество контролеров для механизмов получения альтернативной энергии.

Совет. Чтобы лопастник не сломался при сильном ветре, устанавливают простое устройство – защитный флюгер.

Пошаговая инструкция по сбору ветрогенератора

Сделать ветряк из пластиковых бутылок сможет даже ребенок. Он будет весело вращаться под дуновением ветра, издавая шум. Существует гигантское количество всевозможных схем постройки таких ветряков, в которых ось вращения может располагаться как вертикально, так и горизонтально. Электричества такие штуки не дают, зато прекрасно разгоняют кротов на приусадебных участках, которые вредят растениям и повсюду роют свои норки.
Самодельный ветрогенератор для дома чем-то похож на такой вот бутылочный ветряк. Только размерами он побольше, да и конструкцией посерьезней. Но если приделать к такому ветрячку небольшой моторчик, то он сможет стать источником электроэнергии и даже запитать какую-нибудь электрическую штуку, например, светодиод – на большее его мощности не хватит. Глянув на схему такой «игрушки», вы сможете понять, как сделать полноценный ветрогенератор.

Применение ветряных электрогенераторов в домашних условиях

Исходя из вышеперечисленных факторов возникает вопрос: по какой причине в каждом доме не установить ветряк? Ответ состоит из двух основных пунктов:

• Цена. Стоимость устройств достаточной мощности очень велика. Например, стоимость агрегата мощностью 2 КВт и напряжением в 24 В составляет от 75000 руб.;
• Средняя сила ветра в большинстве регионах не достигает и 4 м/с.

Карта средней годовой скорости ветра в России

То есть использование ветряков, как основной источник энергии – нерационально. В стандартном доме, при одновременной эксплуатации всех бытовых приборов потребляется до 1 КВт в час, а при работе мощных электроинструментов, эта цифра возрастает, увеличивая требуемое напряжение в сети.

Монтаж всей системы обойдется минимум в 400000 рублей, и при непостоянной скорости ветра, этот способ электроснабжения теряет актуальность.

Наглядный пример схемы с устройством высокой мощности

Целесообразно применение собранных своими руками 220-вольтных ветряков, как альтернативный источник энергии. В совокупности с солнечными панелями, топливным генератором достаточной мощности или с центральной электросетью.

Схема совокупности ветряка и городского электроснабжения
Электрическая система с применением трех источников

Генератор

Если от вращения мотора она загорится, все в порядке. Мотор переделывают в генератор. Для этого:

• перематывают обмотку статора;
• добавляют на ротор неодимовые магниты, их крепят в высверленные отверстия в полюсах или по диаметру станины,
• эпоксидной смолой или другим двухкомпонентным клеящим составом заливают пустоты между магнитами;
• оборачивают ротор плотной бумагой.

Трехфазная обмотка предпочтительнее, она снижает амплитуду изменения тока, повышает КПД генератора.

Фазы попеременно заменяют друг друга. Снижается уровень вибрации, уменьшается шумовой эффект. Повышается срок службы, дольше не вырабатывается крепежный вал.

Выбор размера ветряка

Подбирать размер этой установки нужно исходя из желаемого количества электроэнергии и скорости ветра, а также его плотности, в вашем регионе. Сразу нужно уточнить что расчет мощности будет производится для ветрогенератора заводского изготовления, не сделанного своими руками из подручных деталей.

Количество необходимой электроэнергии вы можете постучать по счетам за последний год или взять произвольное (желаемое) количество.

Скорость и плотность ветра можно найти в сети, например на сайте метеослужбы. Указывать какие то цифры в этой статье я не будут, так как регионов много и климат очень быстро меняется в последние годы.

Существует несколько формул

1. Самая простая и понятная среднестатистическому человеку, однако полученные данные могут иметь определенную погрешность. По ней можно рассчитать кинетический ветрогенератор с горизонтальным валом:

AEO = 1.64 * D*D * V*V*V

Где:

• AEO — электроэнергия, которую вы хотите получить за год.
• D — диаметр ротора, который обозначается в метрах.
• V — среднегодовая скорость ветра, обозначается в м/сек.

2. Более сложная формула, которую используют для своих расчетов компании, занимающиеся продажей и установкой такого оборудования на профессиональном уровне.

P = V3 * ρ * S

Где:

• V – скорость ветра в метрах в секунду.
• ρ – плотность воздуха, единица измерения – кг/м3
• S – площадь лопастей, на которую дует воздушный поток, единица измерения – м2 (нужно смотреть по тех. описанию производителя).
• P – Количество кВт, которое можно получить.

Пример расчета P = 53 * 1,25 * 33 = 5156 Вт

Эффективность выработки электроэнергии напрямую зависит от диаметра лопастей ротора, посмотреть примерную производительность можно по таблице ниже.

В этой таблице указаны примерные данные, которые можно получить в зависимости от диаметра ротора, высоты установки ветрогенератора и скорости ветра.

3. В случаи с вертикальным ротором (осью) расчеты необходимо производить по другой формуле.

P=0.6*S*V^3

Где:

• P– мощность Ватт
• S– рабочая площадь лопастей кв.м.
• V^3– Скорость ветра в кубе м/с

Более сложная, но более точная формула

P*= krV 3S/2, .

Где:

• r — плотность воздуха,
• V — скорость потока в м/с.
• S — площадь потока в квадратных метрах
• k — коэффициент эффективности турбины ветрогенератора в значении 0,2-0,5

При выборе ветряки необходимо смотреть на рекомендуемую производителем скорость ветра. Как правило, установки для частного использования, имеют такой диапазон: 2-11 М в секунду.

Сборка своими руками

Приобретение готового ветряка, изготовленного на заводе, не по карману большинству потенциальных пользователей. Даже относительно дешевые китайские модели достаточно дороги, а европейские образцы имеют цену в несколько раз выше. Учитывая относительно небольшой срок службы установок — около 25 лет — становится ясно, что приобретение готовых комплектов для российского пользователя вариант неподходящий.

Решением вопроса становится самостоятельное изготовление роторного ветрогенератора. При использовании подручных материалов вполне можно уложиться в относительно невысокую сумму, на все вполне хватит 20000 рублей. Это обстоятельство вызвало рост изготовления различных моделей ветряков, что положительным образом сказывается на развитии направления в целом и на отработке конструктивных особенностей разных типов роторных ветряков.

Для создания действующего ветрогенератора требуются соответствующие материалы. Некоторые элементы комплекта придется приобрести. Например, аккумуляторные батареи, некоторые приборы (контроллер заряда или инвертор), которые нет возможности собрать самостоятельно, тоже придется покупать.

Практически все элементы рабочего колеса можно создать из подручных материалов. Генератор можно использовать готовый, например, мотор-колесо, автомобильный или тракторный генератор. Можно переделать асинхронный двигатель, или собрать аксиальный генератор на неодимовых магнитах. Обилие вариантов способствует развитию самодельных устройств на территории России, многие из которых успешно выполняют свои задачи на практике и способствуют подвижению ветроэнергетики среди населения.

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.