Расчет лопастей ветрогенератора. Программа для расчета лопастей из труб Лопасти для ветряка из дерева

Если поискать и посмотреть в интернете, то многие для своих самодельных ветрогенераторов делают лопасти именно из пластмассовых труб. Ну это и понятно, так-как канализационные трубы хорошо подходят для этих целей, доступны и дешевы. Но конечно не все, так серую трубу особо не жалуют, так-как она быстро деформируется и очень слабая. Больше всего подходят трубы рыжего цвета, они и форму держат, и прочность хорошая. Лучшие трубы из чистого ПВХ, но сейчас все больше их делают не понятно из чего, там и полипропилен и другое, что тоже не подходит для лопастей ветрогенератора.

Ну это ладно, самая главная ошибка людей это изготовление лопастей без всяких расчетов и подгонки под генератор, а ведь лопасти это та часть ветрогенератора, которая преобразует энергию ветра, и на сколько хорошо они это делают зависит общий КИЭВ ветрогенератора (коофициент использования энергии ветра).

Для расчета лопастей из ПВХ труб была создана простая, но эффективная программка в формате эксель. В этой программке легко рассчитать винт под конкретный генератор. Вводя координаты будущей лопасти можно видеть как изменяются все нужные параметры винта, это обороты при разной скорости ветра, КИЭВ, крутящий момент, стартовый и другие параметры.

Но многие вырезают лопасти на глаз и я с помощью программки проанализировал КИЭВ вот такой, как на скриншоте ниже лопасти, очень часто приходится видеть лопасти из труб именно такой формы.

Такие лопасти часто делают, это самое простое, две линии всего прочертить на трубе и вырезать, обработать кромки и готово. Но КИЭВ таких лопастей все 0,2 в трехлопастном варианте на малых диаметрах труб. Лучше показатели если увеличить количество лопастей до 6 , 8 но быстроходность при этом снижается, а нам как известно нужна максимальная мощность лопастей при как можно больших оборотах от каждой скорости ветра.

Ниже скриншоты такой лопасти.

Здесь трёх лопастной винт из 110-й трубы диаметром 1,2м., и максимальная мощность при быстроходности 3,8.

>

А это уже 6 лопастей, результат чуть чуть лучше.

>

Так-же винт из 160-й трубы вырезанный по такому принципу тоже имеет невысокий КИЭВ и быстроходность.

>

Если 6 лопастей, то лучше.

>

Так-же можно увеличить диаметр к примеру до 1,7м и посмотреть.

>

Лучше показатели у больших винтов, вырезанных из труб большего диаметра, к примеру из трубы 320мм.

>

>

>

А вот экселька с последней трубой 320мм в диаметре - rasshet3D2.5Z5.5T3200mm.xls

Универсальная лопасть.

Специально для тех кто хочет вырезать лопасти с относительно высоким КИЭВ я с помощью программки вывел некую универсальную лопасть. Она вырезается чуть сложнее, но имеет более высокий КИЭВ и быстроходность. На диаметрах труб 110-160 такая лопасть имеет КИЭВ 0,27-0,33при быстроходности Z3,5-5,5, но на больших винтах КИЭВ переваливает за 0,4 и быстроходность увеличивается.

вот скриншот для 110-й трубы и 160-й. Если удлинять лопасть, то КИЭВ падает совсем чуть чуть.

>

>

>

Здесь экселька с этой лопастью - rasshet3D1500.xls

Как вырезать такую лопасть без программы.

Рассчитывается такая лопасть очень легко с помощью калькулятора. Все расчеты отталкиваются от диаметра трубы. Для начала нужно диаметр трубы разделить на 5, к примеру для 110-й трубы 110:5=22мм, а для 160-й трубы 160:5=32мм.

22*2=44 мм, расстояние от корня лопасти 0%,

Второй 22*488мм, расстояние 15%,

Третий 22*2,5=55мм, расстояние 50%,

Четвертый 22*2=44мм, расстояние 100% кончик.

Все эти точки нужно соединить и это будет фронт лопасти. Для креплении лопасти нужно провести еще одну линию на которой сверлятся отверстия для крепления лопасти, линия проводится отступив от первой линии 22 мм.

После вырезания, кромки лопасти нужно обработать таким образом, так-как при расчете учитывается обработка кромок именно таким образом чтобы все углы по длинне лопасти совпадали с расчетными.

На рисунке ниже я попробовал показать как это нужно делать. За основу как я уже писал выше берется диаметр и делится на 5, полученную цифру условно можно обозначить Х. далее от этой буквы на рисунке стоят цифры, это процент, на который нужно умножить Х.

Тогда получаются такие координаты.

>

Первая линия нулевая, это тыл будущей лопасти.

А далее первая точка от корня 0%, можно обозначить так, точка А-Х-1-0%, где А- точка, Х - это цифра получившиеся при делении диаметра на 5, 1- это множитель, 0- это расстояние от корня лопасти - радиус по длинне лопасти.

Линия для крепления лопасти.

А-Х-1-0% = 22мм, радиус лопасти 0мм

Б-Х-4-15% = 88мм, радиус лопасти 112,5мм

В-Х-2,5-50% = 55мм, радиус лопасти 375мм

Г-Х-1-100% = 22мм, радиус лопасти 750мм

Линия крепления лопастей.

Д-Х-0,5 = 11мм

Е-Х-0,5 = 11мм

По 11 миллиметров от самой первой линии-тыл, в сторону фронта, эта линия для крепления лопасти.

Здесь я надеюсь все понятно. Эта универсальная лопасть хорошо подходит к разным диаметрам труб, и по длинне лопасть можно удлинять и укорачивать. Из трубы 110мм можно делать винт диаметром до 1,5м, дальше просто лопасти очень слабые будут. Из 160 до 1,8м и т.д. При этом чем больше диаметр трубы и размер винта, тем лучше КИЭВ.

Но лучше конечно рассчитывать индивидуально под генератор и нужную скорость ветра. А если нет возможности, то можно применять эту универсальную лопасть, и просто запомнить как вырезать. Я уже опробовал винт диаметром 1,3м из 110-й трубы, четырех лопастной, работает хорошо, оборотистый.

Россия в отношении ветроэнергетических ресурсов занимает двоякое положение. С одной стороны, благодаря огромной общей площади и обилию равнинных местностей ветра в целом много, и он большей частью ровный. С другой – наши ветры преимущественно низкопотенциальные, медленные, см. рис. С третьей, в мало обжитых местностях ветры буйные. Исходя из этого, задача завести на хозяйстве ветрогенератор вполне актуальна. Но, чтобы решить – покупать достаточно дорогое устройство, или сделать его своими руками, нужно как следует подумать, какой тип (а их очень много) для какой цели выбрать.

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.

Примечания:

1. Тихоходные ВСУ, как правило, имеют КИЭВ ниже, чем быстроходные, но имеют стартовый момент, достаточный для раскрутки генератора без отключения нагрузки и нулевую ССВ, т.е. абсолютно самозапускающиеся и применимы при самых слабых ветрах.
2. Тихоходность и быстроходность – понятия относительные. Бытовой ветряк на 300 об/мин может быть тихоходным, а мощные ВСУ типа EuroWind, из которых набирают поля ветроэлектростанций, ВЭС (см. рис.) и роторы которых делают порядка 10 об/мин – быстроходные, т.к. при таком их диаметре линейная скорость лопастей и их аэродинамика на большей части размаха – вполне «самолетные», см. далее.

Какой нужен генератор?

Электрический генератор для ветряка бытового назначения должен вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне скоростей вращения и обладать способностью самозапуска без автоматики и внешних источников питания. В случае использования ВСУ с ОСС (ветряки с раскруткой), обладающих, как правило, высокими КИЭВ и КПД, он должен быть и обратимым, т.е. уметь работать и как двигатель. При мощностях до 5 кВт этому условию удовлетворяют электрические машины с постоянными магнитами на основе ниобия (супермагнитами); на стальных или ферритовых магнитах можно рассчитывать не более чем на 0,5-0,7 кВт.

Примечание: асинхронные генераторы переменного тока или коллекторные с ненамагниченным статором не годятся совершенно. При уменьшении силы ветра они «погаснут» задолго до того, как его скорость упадет до МРС, и потом сами не запустятся.

Отличное «сердце» ВСУ мощностью от 0,3 до 1-2 кВт получается из автогенератора переменного тока со встроенным выпрямителем; таких сейчас большинство. Во-первых, они держат выходное напряжение 11,6-14,7 В в довольно широком диапазоне скоростей без внешних электронных стабилизаторов. Во-вторых, кремниевые вентили открываются, когда напряжение на обмотке достигнет примерно 1,4 В, а до этого генератор «не видит» нагрузки. Для этого генератор нужно уже довольно прилично раскрутить.

В большинстве случаев автогенератор можно непосредственно, без зубчатой или ременной передачи, соединить с валом быстроходного ВД, подобрав обороты выбором количества лопастей, см. ниже. «Быстроходки» имеют малый или нулевой стартовый момент, но ротор и без отключения нагрузки успеет достаточно раскрутиться, прежде чем вентили откроются и генератор даст ток.

Выбор по ветру

Прежде чем решать, какой сделать ветрогенератор, определимся с местной аэрологией. В серо-зеленоватых (безветренных) областях ветровой карты хоть какой-то толк будет лишь от парусного ветродвигателя (и них далее поговорим). Если необходимо постоянное энергоснабжение, то придется добавить бустер (выпрямитель со стабилизатором напряжения), зарядное устройство, мощную аккумуляторную батарею, инвертор 12/24/36/48 В постоянки в 220/380 В 50 Гц переменного тока. Обойдется такое хозяйство никак не менее $20.000, и снять долговременную мощность более 3-4 кВт вряд ли получится. В общем, при непреклонном стремлении к альтернативной энергетике лучше поискать другой ее источник.

В желто-зеленых , слабоветренных местах, при потребности в электричестве до 2-3 кВт самому можно взяться за тихоходный вертикальный ветрогенератор . Их разработано несть числа, и есть конструкции, по КИЭВ и КПД почти не уступающие «лопастникам» промышленного изготовления.

Если же ВЭУ для дома предполагается купить, то лучше ориентироваться на ветряк с парусным ротором. Споров и них много, и в теории пока еще не все ясно, но работают. В РФ «парусники» выпускают в Таганроге на мощность 1-100 кВт.

В красных , ветреных, регионах выбор зависит от потребной мощности. В диапазоне 0,5-1,5 кВт оправданы самодельные «вертикалки»; 1,5-5 кВт – покупные «парусники». «Вертикалка» тоже может быть покупной, но обойдется дороже ВСУ горизонтальной схемы. И, наконец, если требуется ветряк мощностью 5 кВт и более, то выбирать нужно между горизонтальными покупными «лопастниками» или «парусниками».

Примечание: многие производители, особенно второго эшелона, предлагают комплекты деталей, из которых можно собрать ветрогенератор мощностью до 10 кВт самостоятельно. Обойдется такой набор на 20-50% дешевле готового с установкой. Но прежде покупки нужно внимательно изучить аэрологию предполагаемого места установки, а затем по спецификациям подобрать подходящие тип и модель.

О безопасности

Детали ветродвигателя бытового назначения в работе могут иметь линейную скорость, превосходящую 120 и даже 150 м/с, а кусочек любого твердого материала весом в 20 г, летящий со скоростью 100 м/с, при «удачном» попадании убивает здорового мужика наповал. Стальная, или из жесткого пластика, пластина толщиной 2 мм, движущаяся со скоростью 20 м/с, рассекает его же напополам.

Кроме того, большинство ветряков мощностью более 100 Вт довольно сильно шумят. Многие порождают колебания давления воздуха сверхнизкой (менее 16 Гц) частоты – инфразвуки. Инфразвуки неслышимы, но губительны для здоровья, а распространяются очень далеко.

Примечание: в конце 80-х в США был скандал – пришлось закрыть крупнейшую на тот момент в стране ВЭС. Индейцы из резервации в 200 км от поля ее ВСУ доказали в суде, что резко участившиеся у них после ввода ВЭС в эксплуатацию расстройства здоровья обусловлены ее инфразвуками.

В силу указанных выше причин установка ВСУ допускается на расстоянии не менее 5 их высот от ближайших жилых строений. Во дворах частных домовладений можно устанавливать ветряки промышленного изготовления, соответствующим образом сертифицированные. На крышах ставить ВСУ вообще нельзя – при их работе, даже у маломощных, возникают знакопеременные механические нагрузки, способные вызвать резонанс строительной конструкции и ее разрушение.

Примечание: высотой ВСУ считается наивысшая точка ометаемого диска (для лопастных роторов) или геомерической фигуры (для вертикальных ВСУ с ротором на древке). Если мачта ВСУ или ось ротора выступают вверх еще выше, высота считается по их топу – верхушке.

Ветер, аэродинамика, КИЭВ

Самодельный ветрогенератор подчиняется тем же законам природы, что и заводской, рассчитанный на компьютере. И самодельщику основы его работы нужно понимать очень хорошо – в его распоряжении чаще всего нет дорогих суперсовременных материалов и технологического оборудования. Аэродинамика же ВСУ ох как непроста…

Ветер и КИЭВ

Для расчета серийных заводских ВСУ используется т. наз. плоская механистическая модель ветра. В ее основе следующие предположения:

• Скорость и направление ветра постоянны в пределах эффективной поверхности ротора.
• Воздух – сплошная среда.
• Эффективная поверхность ротора равна ометаемой площади.
• Энергия воздушного потока – чисто кинетическая.

При таких условиях максимальную энергию единицы объема воздуха вычисляют по школьной формуле, полагая плотность воздуха при нормальных условиях 1,29 кг*куб. м. При скорости ветра 10 м/с один куб воздуха несет в себе 65 Дж, и с одного квадрата эффективной поверхности ротора можно, при 100% КПД всей ВСУ, снять 650 Вт. Это весьма упрощенный подход – все знают, что ветер идеально ровным не бывает. Но на это приходится идти, чтобы обеспечить повторяемость изделий – обычное в технике дело.

Плоскую модель игнорировать не следует, она дает четкий минимум доступной энергии ветра. Но воздух, во-первых, сжимаем, во-вторых, очень текуч (динамическая вязкость всего 17,2 мкПа*с). Это значит, поток может обтекать ометаемую площадь, уменьшая эффективную поверхность и КИЭВ, что чаще всего и наблюдается. Но в принципе возможна и обратная ситуация: ветер стекается к ротору и площадь эффективной поверхности тогда окажется больше ометаемой, а КИЭВ – больше 1 относительно его же для плоского ветра.

Приведем два примера. Первый – прогулочная, довольно тяжеловесная, яхта может идти не только против ветра, но и быстрее его. Ветер имеется в виду внешний; вымпельный ветер все равно должен быть быстрее, иначе как он судно потянет?

Второй – классика авиационной истории. На испытаниях МИГ-19 оказалось, что перехватчик, который был на тонну тяжелее фронтового истребителя, по скорости разгоняется быстрее. С теми же движками в том же планере.

Теоретики не знали, что и думать, и всерьез засомневались в законе сохранения энергии. В конце концов оказалось – дело в выступающем из воздухозаборника конусе обтекателя РЛС. От его носка к обечайке возникало уплотнение воздуха, как бы сгребавшее его со сторон к компрессорам двигателей. С тех пор ударные волны прочно вошли в теорию как полезные, и фантастические летные данные современных самолетов в немалой степени обусловлены их умелым использованием.

Аэродинамика

Развитие аэродинамики принято делить на две эпохи – до Н. Г. Жуковского и после. Его доклад «О присоединенных вихрях» от 15 ноября 1905 г. стал началом новой эры в авиации.

До Жуковского летали на поставленных плашмя парусах: полагалось, что частицы набегающего потока отдают весь свой импульс передней кромке крыла. Это позволяло сразу избавиться от векторной величины – момента количества движения – порождавшей зубодробительную и чаще всего неаналитическую математику, перейти к куда более удобным скалярным чисто энергетическим соотношениям, и получить в итоге расчетное поле давления на несущую плоскость, более-менее похожее на настоящее.

Такой механистический подход позволил создать аппараты, способные худо-бедно подняться в воздух и совершить перелет из одного места в другое, не обязательно грохнувшись на землю где-то по пути. Но стремление увеличить скорость, грузоподъемность и другие летные качества все больше выявляло несовершенство первоначальной аэродинамической теории.

Идея Жуковского была такова: вдоль верхней и нижней поверхностей крыла воздух проходит разный путь. Из условия непрерывности среды (пузыри вакуума сами по себе в воздухе не образуются) следует, что скорости верхнего и нижнего потоков, сходящих с задней кромки, должны отличаться. Вследствие пусть малой, но конечной вязкости воздуха там из-за разности скоростей должен образоваться вихрь.

Вихрь вращается, а закон сохранения количества движения, столь же непреложный, как и закон сохранения энергии, справедлив и для векторных величин, т.е. должен учитывать и направление движения. Поэтому тут же, на задней кромке, должен сформироваться противоположно вращающийся вихрь с таким же вращательным моментом. За счет чего? За счет энергии, вырабатываемой двигателем.

Для практики авиации это означало революцию: выбрав соответствующий профиль крыла, можно было присоединенный вихрь пустить вокруг крыла в виде циркуляции Г, увеличивающей его подъемную силу. Т.е., затратив часть, а для больших скоростей и нагрузок на крыло – большую часть, мощности мотора, можно создать вокруг аппарата воздушный поток, позволяющий добиться лучших летных качеств.

Это делало авиацию авиацией, а не частью воздухоплавания: теперь летательный аппарат мог сам создавать себе нужную для полета среду и не быть более игрушкой воздушных потоков. Нужен только двигатель помощнее, и еще и еще мощнее…

Снова КИЭВ

Но у ветряка мотора нет. Он, наоборот, должен отбирать энергию у ветра и давать ее потребителям. И здесь выходит – ноги вытащил, хвост увяз. Пустили слишком мало энергии ветра на собственную циркуляцию ротора – она будет слабой, тяга лопастей – малой, а КИЭВ и мощность – низкими. Отдадим на циркуляцию много – ротор при слабом ветре будет на холостом ходу крутиться как бешеный, но потребителям опять достается мало: чуть дали нагрузку, ротор затормозился, ветер сдул циркуляцию, и ротор стал.

Закон сохранения энергии «золотую середину» дает как раз посерединке: 50% энергии даем в нагрузку, а на остальные 50% подкручиваем поток до оптимума. Практика подтверждает предположения: если КПД хорошего тянущего пропеллера составляет 75-80%, то КИЭВ так же тщательно рассчитанного и продутого в аэродинамической трубе лопастного ротора доходит до 38-40%, т.е. до половины от того, чего можно добиться при избытке энергии.

Современность

Ныне аэродинамика, вооруженная современной математикой и компьютерами, все более уходит от неизбежно что-то да упрощающих моделей к точному описанию поведения реального тела в реальном потоке. И тут, кроме генеральной линии – мощность, мощность, и еще раз мощность! – обнаруживаются пути побочные, но многообещающие как раз при ограниченном количестве поступающей в систему энергии.

Известный авиатор-альтернативщик Пол Маккриди еще в 80-х создал самолет, с двумя моторчиками от бензопилы мощностью в 16 л.с. показавший 360 км/ч. Причем шасси его было трехопорным неубирающимся, а колеса – без обтекателей. Ни один из аппаратов Маккриди не вышел на линию и не встал на боевое дежурство, но два – один с поршневыми моторами и пропеллерами, а другой реактивный – впервые в истории облетели вокруг земного шара без посадки на одной заправке.

Парусов, породивших изначальное крыло, развитие теории тоже коснулось весьма существенно. «Живая» аэродинамика позволила яхтам при ветре в 8 узл. встать на подводные крылья (см. рис.); чтобы разогнать такую громадину до нужной скорости гребным винтом, требуется двигатель не менее 100 л.с. Гоночные катамараны при таком же ветре ходят со скоростью около 30 узл. (55 км/ч).

Есть и находки совершенно нетривиальные. Любители самого редкого и экстемального спорта – бейсджампинга – надев апециальный костюм-крыло, вингсьют, летают без мотора, маневрируя, на скорости более 200 км/ч (рис. справа), а затем плавно приземляются в заранее выбранном месте. В какой сказке люди летают сами по себе?

Разрешились и многие загадки природы; в частности – полет жука. По классической аэродинамике, он летать не способен. Точно так же, как и родоначальник «стелсов» F-117 с его крылом ромбовидного профиля тоже не способен подняться в воздух. А МИГ-29 и Су-27, которые некоторое время могут лететь хвостом вперед, и вовсе ни в какие представления не укладываются.

И почему тогда, занимаясь ветродвигателями, не забавой и не орудием уничтожения себе подобных, а источником жизненно важного ресурса, нужно плясать непременно от теории слабых потоков с ее моделью плоского ветра? Неужели не найдется возможности продвинуться дальше?

Чего ожидать от классики?

Однако от классики отказываться ни в коем случае не следует. Она дает основу, не оперевшись на которую нельзя подняться выше. Точно так же, как теория множеств не отменяет таблицу умножения, а от квантовой хромодинамики яблоки с деревьев вверх не улетят.

Итак, на что можно рассчитывать при классическом подходе? Посмотрим на рисунок. Слева – типы роторов; они изображены условно. 1 – вертикальный карусельный, 2 – вертикальный ортогональный (ветряная турбина); 2-5 – лопастные роторы с разным количеством лопастей с оптимизированными профилями.

Справа по горизонтальной оси отложена относительная скорость ротора, т.е., отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. По вертикальной вверх – КИЭВ. А вниз – опять же относительный крутящий момент. Единичным (100%) крутящим моментом считается такой, который создает насильно заторможенный в потоке ротор со 100% КИЭВ, т.е. когда вся энергия потока преобразуется во вращающее усилие.

Такой подход позволяет делать далеко идущие выводы. Скажем, количество лопастей нужно выбирать не только и не столько по желательной скорости вращения: 3- и 4-лопастники сразу много теряют по КИЭВ и вращательному моменту по сравнению с хорошо работающими примерно в том же диапазоне скорстей 2- и 6-лопастниками. А внешне похожие карусель и ортогонал обладают принципиально разными свойствами.

В целом же предпочтение следует отдавать лопастным роторам, кроме случаев, когда требуются предельная дешевизна, простота, необслуживаемый самозапуск без автоматики и невозможен подъем на мачту.

Примечание: о парусных роторах поговорим особо – они, похоже, в классику не укладываются.

Вертикалки

ВСУ с вертикальной осью вращения имеют неоспоримое для быта преимущество: их узлы, требующие обслуживания, сосредоточены внизу и не нужен подъем наверх. Там остается, и то не всегда, упорно-опорный самоустанавливающийся подшипник, но он прочен и долговечен. Поэтому, проектируя простой ветрогенератор, отбор вариантов нужно начинать с вертикалок. Основные их типы представлены на рис.

ВС

На первой позиции – самый простейший, чаще всего называемый ротором Савониуса. На самом деле его изобрели в 1924 г. в СССР Я. А. и А. А. Воронины, а финский промышленник Сигурд Савониус бессовестно присвоил себе изобретение, проигнорировав советское авторское свидетельство, и начал серийный выпуск. Но внедрение в судьбе изобретения значит очень много, поэтому мы, чтобы не ворошить прошлое и не тревожить прах усопших, назовем этот ветряк ротором Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС.

ВС для самодельщика всем хорош, кроме «паровозного» КИЭВ в 10-18%. Однако в СССР над ним работали много, и наработки есть. Ниже мы рассмотрим усовершенствованную конструкцию, не намного более сложную, но по КИЭВ дающую фору лопастникам.

Примечание: двухлопастный ВС не крутится, а дергается рывками; 4-лопастный лишь немного плавнее, но много теряет в КИЭВ. Для улучшения 4-«корытные» чаще всего разносят на два этажа – пара лопастей внизу, а другая пара, повернутая на 90 градусов по горизонтали, над ними. КИЭВ сохраняется, и боковые нагрузки на механику слабеют, но изгибные несколько возрастают, и при ветре более 25 м/с у такой ВСУ на древке, т.е. без растянутого вантами подшипника над ротором, «срывает башню».

Дарье

Следующий – ротор Дарье; КИЭВ – до 20%. Он еще проще: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. Теория ротора Дарье еще недостаточно разработана. Ясно только, что начинает он раскручиваться за счет разности аэродинамического сопротивления горба и кармана ленты, а затем становится вроде как быстроходным, образуя собственную циркуляцию.

Вращательный момент мал, а в стартовых положениях ротора параллельно и перпендикулярно ветру вообще отсутствует, поэтому самораскрутка возможна только при нечетном количестве лопастей (крыльев?) В любом случае на время раскрутки нагрузку от генератора нужно отключать.

Есть у ротора Дарье еще два нехороших качества. Во-первых, при вращении вектор тяги лопасти описывает полный оборот относительно ее аэродинамического фокуса, и не плавно, а рывками. Поэтому ротор Дарье быстро разбивает свою механику даже при ровном ветре.

Во-вторых, Дарье не то что шумит, а вопит и визжит, вплоть до того, что лента рвется. Происходит это вследствие ее вибрации. И чем больше лопастей, тем сильнее рев. Так что Дарье если и делают, то двухлопастными, из дорогих высокопрочных звукопоглощающих материалов (карбона, майлара), а для раскрутки посередине мачты-древка приспосабливают небольшой ВС.

Ортогонал

На поз. 3 – ортогональный вертикальный ротор с профилированными лопастями. Ортогональный потому, что крылья торчат вертикально. Переход от ВС к ортогоналу иллюстрирует рис. слева.

Угол установки лопастей относительно касательной к окружности, касающейся аэродинамических фокусов крыльев, может быть как положительным (на рис.), так и отрицательным, сообразно силе ветра. Иногда лопасти делают поворотными и ставят на них флюгерки, автоматически держащие «альфу», но такие конструкции часто ломаются.

Центральное тело (голубое на рис.) позволяет довести КИЭВ почти до 50% В трехлопастном ортогонале оно должно в разрезе иметь форму треугольника со слегка выпуклыми сторонами и скругленными углами, а при большем количестве лопастей достаточно простого цилиндра. Но теория для ортогонала оптимальное количество лопастей дает однозначно: их должно быть ровно 3.

Ортогонал относится к быстроходным ветрякам с ОСС, т.е. обязательно требует раскрутки при вводе в эксплуатацию и после штиля. По ортогональной схеме выпускаются серийные необслуживаемые ВСУ мощностью до 20 кВт.

Геликоид

Геликоидный ротор, или ротор Горлова (поз. 4) – разновидность ортогонала, обеспечивающая равномерное вращение; ортогонал с прямыми крыльями «рвет» лишь немного слабее двухлопастного ВС. Изгиб лопастей по геликоиде позволяет избежать потерь КИЭВ из-за их кривизны. Хотя часть потока кривая лопасть и отбрасывает, не используя, но зато и загребает часть в зону наибольшей линейной скорости, компенсируя потери. Геликоиды используют реже прочих ветряков, т.к. они вследствие сложности изготовления оказываются дороже равных по качеству собратьев.

Бочка-загребушка

На 5 поз. – ротор типа ВС, окруженный направляющим аппаратом; его схема представлена на рис. справа. В промышленном исполнении встречается редко, т.к. дорогостоящий отвод земли не компенсирует прироста мощности, а материалоемкость и сложность производства велики. Но самодельщик, боящийся работы – уже не мастер, а потребитель, и, если нужно не более 0,5-1,5 кВт, то для него «бочка-загребушка» лакомый кусок:

• Ротор такого типа абсолютно безопасен, бесшумен, не создает вибраций и может быть установлен где угодно, хоть на детской площадке.
• Согнуть «корыта» из оцинковки и сварить каркас из труб – работа ерундовая.
• Вращение – абсолютно равномерное, детали механики можно взять самые дешевые или из хлама.
• Не боится ураганов – слишком сильный ветер не может протолкнуться в «бочку»; вокруг нее возникает обтекаемый вихревой кокон (мы с этим эффектом еще столкнемся).
• А самое главное – поскольку поверхность «загребушки» в несколько раз больше таковой ротора внутри, КИЭВ может быть и сверхединичным, а вращательным момент уже при 3 м/с у «бочки» трехметрового диаметра такой, что генератору на 1 кВт с предельной нагрузкой, как говорится, лучше и не дергаться.

Видео: ветрогенератор Ленца

В 60-х в СССР Е. С. Бирюков запатентовал карусельную ВСУ с КИЭВ 46%. Немного позже В. Блинов добился от конструкции на том же принципе КИЭВ 58%, но данных о ее испытаниях нет. А натурные испытания ВСУ Бирюкова были проведены сотрудниками журнала «Изобретатель и рационализатор». Двухэтажный ротор диаметром 0,75 м и высотой 2 м при свежем ветре раскручивал на полную мощность асинхронный генератор 1,2 кВт и выдерживал без поломки 30 м/с. Чертежи ВСУ Бирюкова приведены на рис.

1. ротор из кровельной оцинковки;
2. самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;
3. ванты – 5 мм стальной трос;
4. ось-древко – стальная труба с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;
5. рычаги аэродинамического регулятора оборотов;
6. лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или листовой пластик;
7. тяги регулятора оборотов;
8. груз регулятора оборотов, его вес определяет частоту вращения;
9. ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;
10. подпятник – упорно-опорный подшипник;
11. ведомый шкив – штатный шкив генератора;
12. генератор.

Бирюков на свою ВСУ получил сразу несколько авторских свидетельств. Во-первых, обратите внимание на разрез ротора. При разгоне он работает подобно ВС, создавая большой стартовый момент. По мере раскрутки во внешних карманах лопастей создается вихревая подушка. С точки зрения ветра, лопасти становятся профилированными, и ротор превращается в быстроходный ортогонал, причем виртуальный профиль меняется соответственно силе ветра.

Во-вторых, профилированный канал между лопастями в рабочем диапазоне скоростей работает как центральное тело. Если же ветер усиливается, то в нем также создается вихревая подушка, выходящая за пределы ротора. Возникает такой же вихревой кокон, как вокруг ВСУ с направляющим аппаратом. Энергия на его создание берется от ветра, и тому на поломку ветряка ее уже не хватает.

В-третьих, регулятор оборотов предназначен прежде всего для турбины. Он держит ее обороты оптимальными с точки зрения КИЭВ. А оптимум частоты вращения генератора обеспечивается выбором передаточного отношения механики.

Примечание: после публикаций в ИР за 1965 г. ВСУ Бирюкова канула в небытие. Ответа от инстанций автор так и не дождался. Судьба многих советских изобретений. Говорят, какой-то японец стал миллиардером, регулярно читая советские популярно-технические журналы и патентуя у себя все, заслуживающее внимания.

Лопастники

Как у сказано, по классике горизонтальный ветрогенератор с лопастным ротором – наилучший. Но, во-первых, ему нужен стабильный хотя бы средней силы ветер. Во-вторых, конструкция для самодельщика таит в себе немало подводных камней, из-за чего нередко плод долгих упорных трудов в лучшем случае освещает туалет, прихожую или крыльцо, а то и оказывается способен только раскрутить самого себя.

По схемам на рис. рассмотрим подробнее; позиции:

• Фиг. А:

1. лопасти ротора;
2. генератор;
3. станина генератора;
4. защитный флюгер (ураганная лопата);
5. токосъемник;
6. шасси;
7. поворотный узел;
8. рабочий флюгер;
9. мачта;
10. хомут под ванты.

• Фиг. Б, вид сверху:

1. защитный флюгер;
2. рабочий флюгер;
3. регулятор натяжения пружины защитного флюгера.

• Фиг. Г, токосъемник:

1. коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;
2. подпружиненные меднографитовые щетки.

Примечание: ураганная защита для горизонтального лопастника диаметром более 1 м совершенно необходима, т.к. создать вокруг себя вихревой кокон он не способен. При меньших размерах можно добиться выносливости ротора до 30 м/с с лопастями из пропилена.

Итак, где нас ждут «спотыки»?

Лопасти

Рассчитывать добиться мощности на валу генератора более 150-200 Вт на лопастях любого размаха, вырезанных из толстостенной пластиковой трубы, как часто советуют – надежды беспросветного дилетанта. Лопасть из трубы (если только она не настолько толстая, что используется просто как заготовка) будет иметь сегментный профиль, т.е. его верхняя, или обе поверхности будут дугами окружности.

Сегментные профили пригодны для несжимаемой среды, скажем, для подводных крыльев или лопастей гребного винта. Для газов же нужна лопасть переменного профиля и шага, для примера см. рис.; размах – 2 м. Это будет сложное и трудоемкое изделие, требующее кропотливого расчета во всеоружии теории, продувок в трубе и натурных испытаний.

Генератор

При насадке ротора прямо на его вал штатный подшипник скоро разобьется – одинаковой нагрузки на все лопасти в ветряках не бывает. Нужен промежуточный вал со специальным опорным подшипником и механическая передача от него на генератор. Для больших ветряков опорный подшипник берут самоустанавливающийся двухрядный; в лучших моделях – трехъярусный, Фиг. Д на рис. выше. Такой позволяет валу ротора не только слегка изгибаться, но и немного смещаться из стороны в сторону или вверх-вниз.

Примечание: на разработку опорного подшипника для ВСУ типа EuroWind ушло около 30 лет.

Аварийный флюгер

Принцип его работы показывает Фиг. В. Ветер, усиливаясь, давит на лопату, пружина растягивается, ротор перекашивается, обороты его падают и в конце концов он становится параллельно потоку. Вроде бы все хорошо, но – гладко было на бумаге…

Попробуйте в ветреный день удержать за ручку параллельно ветру крышку от выварки или большой кастрюли. Только осторожно – вертлявая железяка может садануть по физиономbии так, что расквасит нос, рассечет губу, а то и выбьет глаз.

Плоский ветер бывает только в теоретических выкладках и, с достаточной для практики точностью, в аэродинамических трубах. Реально же ураган ветряки с ураганной лопатой корежит больше, чем вовсе беззащитные. Лучше все-таки менять исковерканные лопасти, чем делать заново все. В промышленных установках – другое дело. Там шаг лопастей, по каждой в отдельности, отслеживает и регулирует автоматика под управлением бортового компьютера. И делаются они из сверхпрочных композитов, а не из водопроводных труб.

Токосъемник

Это – регулярно обслуживаемый узел. Любой энергетик знает, что коллектор со щетками нужно чистить, смазывать, регулировать. А мачта – из водопроводной трубы. Не залезешь, раз в месяц-два придется весь ветряк валить на землю и потом опять поднимать. Сколько он протянет от такой «профилактики»?

Видео: лопастной ветрогенератор + солнечная панель для электроснабжения дачи

Мини и микро

Но с уменьшением размеров лопастника трудности падают по квадрату диаметра колеса. Изготовление горизонтальной лопастной ВСУ своими силами на мощность до 100 Вт уже возможно. Оптимальным будет 6-лопастный. При большем количестве лопастей диаметр ротора, рассчитанного на ту же мощность, будет меньше, но их окажется трудно прочно закрепить на ступице. Роторы о менее чем 6 лопастях можно не иметь в виду: 2-лопастнику на 100 Вт нужен ротор диаметром 6,34 м, а 4-лопастнику той же мощности – 4,5 м. Для 6-лопастного зависимость мощность – диаметр выражается следующим образом:

• 10 Вт – 1,16 м.
• 20 Вт – 1,64 м.
• 30 Вт – 2 м.
• 40 Вт – 2,32 м.
• 50 Вт – 2,6 м.
• 60 Вт – 2,84 м.
• 70 Вт – 3,08 м.
• 80 Вт – 3,28 м.
• 90 Вт – 3,48 м.
• 100 Вт – 3,68 м.
• 300 Вт – 6,34 м.

Оптимальным будет рассчитывать на мощность 10-20 Вт. Во-первых, лопасть из пластика размахом более 0,8 м без дополнительных мер защиты не выдержит ветер более 20 м/с. Во-вторых, при размахе лопасти до тех же 0,8 м линейная скорость ее концов не превысит скорость ветра более чем втрое, и требования к профилировке с круткой снижаются на порядки; здесь уже вполне удовлетворительно будет работать «корытце» с сегментным профилем из трубы, поз. Б на рис. А 10-20 Вт обеспечат питание планшетки, подзарядку смартфона или засветят лампочку-экономку.

Далее, выбираем генератор. Отлично подойдет китайский моторчик – ступица колеса для электровелосипедов, поз. 1 на рис. Его мощность как мотора – 200-300 Вт, но в режиме генератора он даст примерно до 100 Вт. Но подойдет ли он нам по оборотам?

Показатель быстроходности z для 6 лопастей равен 3. Формула для расчета скорости вращения под нагрузкой – N = v/l*z*60, где N – частота вращения, 1/мин, v – скорость ветра, а l – длина окружности ротора. При размахе лопасти 0,8 м и ветре 5 м/с получаем 72 об/мин; при 20 м/с – 288 об/мин. Примерно с такой же скоростью вращается и велосипедное колесо, так что свои 10-20 Вт от генератора, способного дать 100, мы уж снимем. Можно ротор сажать прямо на его вал.

Но тут возникает следующая проблема: мы, потратив немало труда и денег, хотя бы на моторчик, получили… игрушку! Что такое 10-20, ну, 50 Вт? А лопастный ветряк, способный запитать хотя бы телевизор, дома не сделаешь. Нельзя ли купить готовый мини-ветрогенератор, и не обойдется ли он дешевле? Еще как можно, и еще как дешевле, см. поз. 4 и 5. Кроме того, он будет еще и мобильным. Поставил на пенек – и пользуйся.

Второй вариант – если где-то валяется шаговый двигатель от старого 5- или 8-дюймового дисковода, или от привода бумаги или каретки негодного струйного или матричного принтера. Он может работать как генератор, и приделать к нему карусельный ротор из консервных банок (поз. 6) проще, чем собирать конструкцию наподобие показанной на поз. 3.

В целом по «лопастникам» вывод однозначен: самодельные – скорее для того, чтобы помастерить всласть, но не для реальной долговременной энергоотдачи.

Видео: простейший ветрогенератор для освещения дачи

Парусники

Парусный ветрогенератор известен давно, но мягкие полотнища его лопастей (см. рис.) начали делать с появлением высокопрочных износостойких синтетических тканей и пленок. Многолопастные ветряки с жесткими парусами широко разошлись по миру как привод маломощных автоматических водокачек, но их техданные ниже даже чем у каруселей.

Однако мягкий парус как крыло ветряка, похоже, оказался не так-то прост. Дело не в ветроустойчивости (производители не ограничивают максимально допустимую скорость ветра): яхсменам-парусникам и так известно, что ветру разорвать полотнище бермудского паруса практически невозможно. Скорее шкот вырвет, или мачту сломает, или вся посудина сделает «поворот оверкиль». Дело в энергетике.

К сожалению, точных данных испытаний не удается найти. По отзывам пользователей удалось составить «синтетические» зависимости для установки ВЭУ-4.380/220.50 таганрогского производства с диаметром ветроколеса 5 м, массой ветроголовки 160 кг и частотой вращения до 40 1/мин; они представлены на рис.

Разумеется, ручательств за 100% достоверность быть не может, но и так видно, что плоско-механистической моделью тут и не пахнет. Никак не может 5-метровое колесо на плоском ветре в 3 м/с дать около 1 кВт, при 7 м/с выйти на плато по мощности и далее держать ее до жестокого шторма. Производители, кстати, заявляют, что номинальные 4 кВт можно получить и при 3 м/с, но при установке их силами по результатам исследований местной аэрологии.

Количественной теории также не обнаруживается; пояснения разработчиков маловразумительны. Однако, поскольку таганрогские ВЭУ народ покупает, и они работают, остается предположить, что заявленные коническая циркуляция и пропульсивный эффект – не фикция. Во всяком случае, возможны.

Тогда, выходит, ПЕРЕД ротором, по закону сохранения импульса, должен возникнуть тоже конический вихрь, но расширяющийся и медленный. И такая воронка будет сгонять ветер к ротору, его эффективная поверхность получится больше ометаемой, а КИЭВ – сверхединичным.

Пролить свет на этот вопрос могли бы натурные измерения поля давления перед ротором, хотя бы бытовым анероидом. Если оно окажется выше, чем с боков в стороне, то, действительно, парусные ВСУ работают, как жук летает.

Самодельный генератор

Из сказанного выше ясно, что самодельщикам лучше браться или за вертикалки, или за парусники. Но те и другие очень медленные, а передача на быстроходный генератор – лишняя работа, лишние затраты и потери. Можно ли сделать эффективный тихоходный электрогенератор самому?

Да, можно, на магнитах из ниобиевого сплава, т. наз. супермагнитах. Процесс изготовления основных деталей показан на рис. Катушки – каждая из 55 витков медного 1 мм провода в термостойкой высокопрочной эмалевой изоляции, ПЭММ, ПЭТВ и т.п. Высота обмоток – 9 мм.

Обратите внимание на пазы под шпонки в половинах ротора. Они должны быть расположены так, чтобы магниты (они приклеиваются к магнитопроводу эпоксидкой или акрилом) после сборки сошлись разноименными полюсами. «Блины» (магнитопроводы) должны быть изготовлены из магнитомягкого ферромагнетика; подойдет обычная конструкционная сталь. Толщина «блинов» – не менее 6 мм.

Вообще-то лучше купить магниты с осевым отверстием и притянуть их винтами; супермагниты притягиваются со страшной силой. По этой же причине на вал между «блинами» надевается цилиндрическая проставка высотой 12 мм.

Обмотки, составляющие секции статора, соединяются по схемам, также приведенным на рис. Спаянные концы не должны быть натянуты, но должны образовывать петли, иначе эпоксидка, которой будет залит статор, застывая, может порвать провода.

Заливают статор в изложнице до толщины 10 мм. Центрировать и балансировать не нужно, статор не вращается. Зазор между ротором и статором – по 1 мм с каждой стороны. Статор в корпусе генератора нужно надежно зафиксировать не только от смещения по оси, но и от проворачивания; сильное магнитное поле при токе в нагрузке будет тянуть его за собой.

Видео: генератор для ветряка своими руками

Вывод

И что же мы имеем напоследок? Интерес к «лопастникам» объясняется скорее их эффектным внешним видом, чем действительными эксплуатационными качествами в самодельном исполнении и на малых мощностях. Самодельная карусельная ВСУ даст «дежурную» мощность для зарядки автоаккумулятора или энергоснабжения небольшого дома.

А вот с парусными ВСУ стоит поэкспериментировать мастерам с творческой жилкой, особенно в мини-исполнении, с колесом 1-2 м диаметром. Если предположения разработчиков верны, то с такого можно будет снять, посредством описанного выше китайского движка-генератора, все его 200-300 Вт.

Андрей сказал(а):

Спасибо за вашу бесплатную консультацию…А цены “от фирм”не реально дороги,и я думаю,что мастеровые люди из глубинки смогут сделать генераторы подобные вашему.А аккамуляторы Li-po можно выписать из Китая,инверторы в Челябинске делают очень хорошие (с плавным синусом).А паруса,лопасти или роторы – это очередной повод для полёта мысли наших рукастых Русских мужиков.

Иван сказал(а):

вопрос:
Для ветряков с вертикальной осью(позиция 1) и варианта “Ленца” возможно добавить дополнительную деталь – крыльчатку,выставляющуюся по ветру, и закрывающую от него же бесполезную сторону(идущую в сторону ветра). То есть ветер будет не лопасть тормозить, а этот “экран”. Постановка по ветру “хвостом”, находящимся за самим ветряком ниже и выше лопостей(гребней). Читал статью и родилась идея.

Нажимая кнопку «Добавить комментарий», я соглашаюсь с сайта.

Контроллер, мачты, хвостовик, инвертор и аккумуляторную батарею.

Традиционно, ветровой механизм наделен тремя лопастями, зафиксированными на роторе. Когда ротор крутится, возникает трехфазный переменный ток, поступающий на контроллер, затем ток перерождается в стабильное напряжение и идет на аккумуляторную батарею.

Протекая через аккумуляторы, ток подпитывает их и эксплуатирует в качестве проводников электричества.

В дальнейшем, ток приходит на инвертор, достигает требуемых величин: переменный однофазный ток 220 В, 50 Гц. При скромном расходовании выработанного электричества предостаточного для пользования светом и электрическими приборами, нехватка тока компенсируется благодаря аккумуляторам.

Как рассчитать лопасти?

Вычислить диаметр ветряка для определенной мощности можно следующим образом:

1. Окружность пропеллера ветрогенератора с определенной мощностью, малыми оборотами и силой ветра, при которых происходит подача нужного напряжения, числом лопастей внести в квадрат.
2. Высчитать площадь данного квадрата.
3. Разделить площадь получившегося квадрата на мощность конструкции в ватах.
4. Перемножить результат с требуемой мощностью в ватах.
5. Под этот результат нужно подбирать площадь квадрата, варьируя размеры квадрата до тех пор, пока размер квадрата не достигнет четырех.
6. В этот квадрат вписать окружность пропеллера ветрогенератора.

После этого нетрудно будет узнать другие показатели, например, диаметр.

Расчет максимально приемлемой формы лопастей достаточно мудреный, кустарному мастеру сложно его выполнить, поэтому можно использовать готовые шаблоны, созданные узкими специалистами.

Шаблон лопасти из ПВХ трубы 160 мм в диаметре:

Шаблон лопасти из алюминия:

Можно попробовать самостоятельно определить показатели лопастей ветряного устройства.

Быстроходность ветряного колеса являет собой соотношение круговой скорости края лопасти и скорости ветра, ее можно вычислить по формуле:

На мощность ветряного двигателя оказывают влияние диаметр колеса, форма лопастей, расположение их относительно потока воздуха, скорости ветра.

Ее можно найти по формуле:

При использовании лопастей обтекаемой формы коэффициент использования ветра не выше 0,5. При слабо обтекаемых лопастях – 0,3.

Необходимые материалы и инструменты

Потребуются следующие материалы:

• дерево либо фанера;
• алюминий;
• стекловолокно в листах;
• трубы и комплектующие из ПВХ;
• материалы, имеющиеся дома в гараже либо подсобных помещениях;

Необходимо запастись следующими инструментами:

• маркер, можно использовать карандаш для черчения;
• ножницы для резки металла;
• лобзик;
• ножовка;
• бумага наждачная;

Вертикальный и горизонтальный ветрогенератор

Вертикальный ветрогенератор

Можно классифицировать по роторам:

• ортогональный;
• дарье;
• савониуса;
• геликойдный;
• многолопастной с направляющим аппаратом;

Хороши тем, что нет нужды направлять их относительно ветра, они функционируют при любом направлении ветра. Из-за этого их не нужно оснащать приборами, улавливающими направление ветра.

Эти конструкции допустимо располагать на земле, они просты. Изготовить своими руками такую конструкцию значительно проще, нежели горизонтальную.

Слабым местом вертикальных ветрогенераторов считается их малая производительность, крайне низкий КПД, из-за чего сфера их использования ограничена.

Горизонтальные ветрогенераторы имеют ряд достоинств по сравнению с вертикальными. Они делятся на одно-, двух-, трех- и многолопастные.

Однолопастные конструкции самые скоростные, они крутятся в два раза быстрее трехлопастных при одинаковой силе ветра. КПД этих ветрогенераторов существенно выше, чем вертикальных.

Существенным недостатком горизонтально-осевой конструкций считается зависимость ротора от направления ветра, из-за чего на ветрогенератор необходимо устанавливать дополнительные приборы, улавливающие направление ветра.

Выбор вида лопастей

Лопасти преимущественно могут быть двух видов:

• парусного типа;
• крыльчатого профиля;

Можно соорудить плоские лопасти по типу «крыльев» ветряной мельницы, то есть, парусного типа. Выполнить их проще всего из самого разнообразного материала: фанеры, пластика, алюминия.

Этот метод имеет свои минусы. При кручении ветряка с лопастями, выполненными по принципу паруса, не участвуют аэродинамические силы, кручение обеспечивает лишь мощность давления ветрового потока.

Производительность этого прибора минимальна, в энергию трансформируется не более 10% силы потока ветра. При незначительном ветре колесо будет пребывать в статичном положении, а тем более не станет производить энергию для употребления в быту.

Более приемлемой будет конструкция, являющая собой ветряное колесо с лопастями крыльчатого профиля. В ней наружная и внутренняя поверхности лопастей обладают различными площадями, что позволяет достигать несоответствия давления воздуха на противоположные поверхности крыла. Аэродинамическая сила значительно увеличивает коэффициент использования ветряного прибора.

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 . 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.

Балансировка ветряного колеса

Когда лопасти будут выполнены, нужно укомплектовать ветряное колесо и произвести его балансировку. Делать это следует в закрытом строении большой площади при условии полного безветрия, поскольку колебания колеса на ветру способны исказить результаты балансировки.

Балансировку колеса необходимо выполнять так:

1. Укрепить колесо на такой высоте, чтобы оно могло беспрепятственно двигаться. Плоскость соединительного механизма должна быть идеально параллельна вертикальному подвесу.
2. Добиться полной статичности колеса и отпустить. Оно не должно шевелиться. Затем прокрутить колесо на угол, равный отношению 360/число лопастей, остановить, отпустить, снова прокрутить, так наблюдать некоторое время.
3. Испытания следует проводить до полного прокручивания колеса вокруг своей оси. Когда отпущенное либо остановленное колесо продолжает качаться, его часть, тяготеющая книзу излишне тяжела. Необходимо конец одной из лопастей подточить.

Кроме того, следует выяснить, насколько гармонично лопасти лежат в плоскости вращения колеса. Колесо необходимо остановить. На расстоянии около двух миллиметров от каждого края одной из лопастей укрепить две планки, которые не будут препятствовать вращению. При прокручивании колеса лопасти не должны цепляться за планки.

Техническое обслуживание

Для длительного безаварийного функционирования ветрогенератора следует проводить такие мероприятия:

1. Через десять или четырнадцать дней от начала работы , ветряной двигатель следует обследовать, особенно крепления. Делать это лучше всего в безветренную погоду.
2. Два раза в год промазывать подшипники поворотного механизма и генератора.
3. При подозрениях на нарушение балансировки колеса , которое может выражаться в вибрации лопастей при кручении по ветру, необходимо выполнить балансировку.
4. Ежегодно осматривать щетки токоприемника.
5. По мере необходимости , покрывать красящими составами металлические части ветрогенератора.

Сделать лопасти для ветряного двигателя вполне по силам домашнему умельцу, нужно только все просчитать, продумать, и тогда дома появится реальная альтернатива электросетям. При выборе мощности самодельного устройства, нужно обязательно помнить, что его максимальная мощность не должна превышать 1000 или 1500 Ватт. Если этой мощности не хватает, стоит подумать о покупке промышленного агрегата.

Ветрогенераторы, в том числе и самодельные, все чаще используются в качестве альтернативного источника получения энергии. Мачта, турбина, флюгер и ветряное колесо – все, что необходимо для изготовления ветряка. Из этого набора приобрести придется лишь электрический генератор для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Все остальные компоненты можно сделать самостоятельно из подручных материалов Сборка ветряного колеса и изготовление лопастей ветрогенератора будут рассмотрены в данной статье.

Перед самостоятельной сборкой ветрогенератора стоит определиться с той мощностью, которую необходимо получать от ветряка. Эта мощность напрямую зависит от силы ветра в регионе, диаметр ветряного колеса и количество лопастей. И если на силу ветра человек никак повлиять не может, то определиться с требуемыми параметрами лопастей придется заранее. В таблице ниже приведены параметры ветряного колеса (диаметр колеса при определенном количестве лопастей) и вырабатываемая ветрогенератором мощность при скорости ветра 4 м/с.

Из таблицы видно, что ветрогенератор мощностью в 50…100 кВ вполне можно изготовить из подручных материалов.

После определения с требуемым количеством и размерами лопастей ветрогенератора можно переходить к их изготовлению. Для этого необходимо выбрать тип лопастей: лопасти парусного типа (как у ветряных мельниц) или лопасти крыльчатого профиля. Лопасти парусного типа имеют простую конструкцию, однако они способны преобразовывать лишь 10-12% энергии потока ветра, так как они не используют аэродинамические возможности ветровых потоков. Внутренняя и внешняя стороны лопасти крыльчатого профиля имеют разную площадь, благодаря чему создается разница давления воздуха на противоположные стороны крыла. Полученная аэродинамическая сила делает использование ветрового потока гораздо более эффективным, а коэффициент использования энергии ветра может достигать 0,4 (40% энергии ветра преобразуются в полезную работу).

В качестве материалов или заготовок для изготовления лопастей ветрогенератора можно использовать ПВХ трубы, алюминий или стекловолокно.

Лопасти ветрогенератора из ПВХ труб

ПВХ трубы уже обладают всеми необходимыми характеристиками для изготовления лопастей: они легкие, достаточно прочные, имеют изогнутую форму. При использовании ПВХ труб для изготовления лопастей стоит помнить, что пластик все-таки не имеет хороших характеристик при выдерживании нагрузки на разрыв. Поэтому из-за большой скорости вращения лопастей ветрогенератора (скорость движения конечной части лопасти двухлопастного колеса ветрогенератора исчисляется сотнями метров в секунду), необходимо уменьшать длину лопасти и, тем самым, увеличивать количество лопастей (в соответствии с таблицей). Кроме того, толщина стенки ПВХ трубы должна быть не менее 4мм.

В качестве шаблона для лопастей можно использовать приведенный ниже рисунок, распечатав который необходимо приложить к стенке трубы, обвести маркером и вырезать лопасть из трубы. Места разрезов и края лопастей необходимо зашлифовать и округлить.

Для соединения лопастей необходимо подготовить металлическое основание, на котором и будут закреплены все лопасти ветрогенератора. Размеры диска необходимо подбирать индивидуально, учитывая параметры электрического генератора (диаметр выходного вала), который будет использоваться для ветряка.

Лопасти для ветрогенератора из алюминия

Алюминиевые лопасти, по сравнению с пластиковыми, обладают лучшими прочностными характеристиками, как на разрыв, так и на изгиб. Однако бОльшая масса лопастей потребует дополнительных усилителей в конструкции колеса и мачты ветрогенератора. Один из возможных вариантов изготовления алюминиевых лопастей приведен ниже.

Существенным недостатком алюминиевых лопастей можно назвать сложность в изготовлении, т.к. в любом случае для этого понадобятся алюминиевые заготовки и специальные инструменты для обработки металла и его сварки.

Лопасти ветрогенератора из стекловолокна

Стекловолокно можно назвать идеальным материалом для изготовления лопастей ветрогенератора из-за отличных характеристик по прочности, аэродинамическим показателям и массе. Однако изготовление лопастей из стекловолокна достаточно трудоемкий процесс, требующий особых навыков и опыта работы с деревом и стеклотканью.

Шаблоны матрицы лопасти ветряного колеса диаметром 2 метра приведен ниже.

Для изготовления лопастей из ветрогенератора необходимо подготовить деревянную матрицу, которая вытачивается из деревянного бруса по шаблону. После этого форма натирается воском и наносится слой эпоксидной смолы, на который укладывается лист стеклоткани. Затем поверх стеклоткани накладывается еще один слой эпоксидной смолы и снова слой стеклоткани. Одна лопасть состоит из 3-5 слоев стекловолокна. После высыхания мы получаем половину лопасти ветрогенератора. Получившиеся половинки лопастей склеиваются между собой эпоксидной смолой, а во внутренний торец вклеивается деревянная пробка, которая будет служить основой для крепления лопасти к ступице колеса.

Балансировка лопастей ветрогенератора

По завершении изготовления лопастей ветрогенератора и сборки колеса необходимо проводить его балансировку.

При балансировке колесо должно свободно вращаться на испытательном стенде, при этом плоскость соединительного узла колеса была строго параллельна вертикальному подвесу. Проверка балансировки заключается в следующем: колесо останавливается и отпускается. Затем проворачиваем колесо вручную примерно на угол, равный 360/число лопастей, снова останавливаем и отпускаем. Если остановленное и отпущенное колесо начинает вращаться, значит, та часть колеса, которая стремится вниз, тяжелее. Определив более тяжелую лопасть необходимо сточить одну из ее граней, дабы уменьшить ее вес.

После выравнивания масс всех лопастей ветрогенератора можно выполнить еще одно испытание: на расстоянии 2мм от лопастей по обе стороны устанавливаются планки, а затем следим, чтобы лопасти не задевали планки при вращении.

После этого можно приступать к окончательной сборке и подключению ветрогенератора.

Ветрогенератор, изготовленный из автомобильного генератора, может помочь в ситуации, когда в частном доме нет возможности подключения к линии электропередачи. Либо послужит вспомогательным источником альтернативной энергии. Такое устройство можно сделать своими руками из подручных материалов, используя наработки народных умельцев. Фото и видео продемонстрируют процесс создания самодельной ветровой установки.

Конструкция ветрогенератора

Существует огромное видовое разнообразие ветрогенераторов и чертежей их изготовления. Но любая конструкция включает в себя следующие обязательные элементы:

• генератор;
• лопасти;
• накопительная батарея;
• мачта;
• электронный блок.

Обладая некоторыми навыками, можно смастерить ветрогенератор своими руками

Кроме этого, необходимо заранее продумать систему управления и распределения электроэнергии, начертить схему монтажа.

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

Мачта

Для изготовления мачты подойдёт старая водопроводная труба диаметром не менее 15 см, длиной около 7 м. Если в пределах 30 м от предполагаемого места монтажа есть постройки, то высоту конструкции корректируют в сторону увеличения. Для эффективной работы ветроустановки лопастник поднимают выше препятствия минимум на 1 м.

Основание мачты и колышки для закрепления растяжек бетонируют. К кольям приваривают хомуты с болтами. Для растяжек применяют оцинкованный 6 мм трос.

Совет. Собранная мачта обладает немалым весом, при ручной установке понадобится противовес из трубы с грузом.

Переделка генератора

Для изготовления генератора ветряка подойдёт генератор от любого автомобиля. Их конструкции схожи между собой, а переделка сводится к перемотке провода статора и изготовлению ротора на неодимовых магнитах. В полюсах ротора высверливаются отверстия для фиксации магнитов. Устанавливают их, чередуя полюса. Ротор оборачивают бумагой, а пустоты между магнитами заливают эпоксидной смолой.

Автомобильный генератор

Таким же способом можно переделать двигатель от старой стиральной машины. Только магниты в этом случае во избежание залипания наклеивают под углом.

Новую обмотку перематывают по катушке на зуб статора. Можно сделать всыпную обмотку, это как кому удобно. Чем больше количество витков, тем эффективнее получится генератор. Мотают катушки в одном направлении по трёхфазной схеме.

Готовый генератор стоит опробовать и измерить данные. Если при 300 оборотах генератор выдаёт порядка 30 вольт, это хороший результат.

Генератор для ветряка из автомобильного генератора

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.

Обслуживание ветрогенератора

Ветрогенератор, как и любое другое устройство, нуждается в техническом контроле и обслуживании. Для бесперебойной работы ветряка периодически проводят следующие работы.

Схема работы ветрогенератора

1. Наибольшего внимания требует токосъёмник. Щётки генератора нуждаются в чистке, смазке и профилактической регулировке раз в два месяца.
2. При первых признаках неисправности лопастника (дрожание и разбалансировка колеса) ветрогенератор опускают на землю и ремонтируют.
3. Раз в три года металлические детали покрывают антикоррозийной краской.
4. Регулярно проверяют крепления и натяжение тросов.

Теперь, когда установка окончена, можно подключать приборы и пользоваться электроэнергией. По крайней мере, пока ветрено.

Генератор для ветряка своими руками: видео

Ветрогенератор для частного дома: фото