Вертикальный ветряк своими руками (5 кВт). Ветряные турбины это ветрогенераторы третьего поколения Турбина как способ усиления тяги в вентиляционной трубе

Подробности Опубликовано: 06.11.2017 17:09

Пошаговое руководство (максимально детально процесс изложен в видеоматериале), рассказывающее о том, как легко и дешево сделать ветряк, было создано изобретателем Дениэлом Коннеллом (Daniel Connell). С инструкцией в оригинале можно ознакомиться на сайте

Описание

Вертикально-осевая ветровая турбина использует энергию ветра для производства электроэнергии за счет генераторов, а также может приводить в действие воздушные и водяные насосы для охлаждения, ирригации и прочего.

Конструкция турбины Lentz2 (названа по имени автора - Ed Lenz) является на 35-40% более эффективной и может быть построена из подручных средств, дешевых материалов и даже металлолома. Вариант с шестью лопастями два человека смогут собрать примерно за четыре часа без особых усилий, потратив всего 15-30 долларов.

Ветрогенератор с тремя лопастями успешно выдержал испытание при устойчивой скорости ветра до 80 км/ч, а шесть лопастей отлично справляются с ветром до 105 км/ч. Конечно, оба варианта способны на большее, но установить на сколько конкретно пока не удалось. На сегодняшний день дольше всего работает турбина, установленная ещё в начале 2014 года, выдерживая штормы, при этом видимых следов износа пока не наблюдается.

Для этой конкретной конструкции кривые мощности ещё не рассчитаны полностью, но, согласно уже имеющимся данным, шесть лопастей диаметром в 0.93 метра и высотой в 1.1 метра в паре с высокоэффективным генератором переменного тока должны производить не менее 135 Вт электроэнергии при скорости ветра в 30 км/ч или 1.05 кВт при 60 км/ч.

Инструменты

Для того, чтобы собрать ветровую турбину собственноручно понадобятся следующие инструменты:

• Электрическая дрель;
• Металлические сверла (диаметром 4/6/10 мм);
• Канцелярский нож или нож Stanley, ножницы по металлу (первый лучше для резки бумаги, последний для алюминиевых листов, поэтому лучше будет иметь оба);
• Алюминиевый уголок (20х20 мм, около метра в длину, ± 30 см);
• Рулетка;
• Ручной заклепочник;
• Маркер;
• Скотч;
• 4 прищепки;
• Компьютер и принтер (подойдет недорогой черно-белый);
• Гайковёрт с насадкой 7 мм (необязательно).

Материалы

Помимо инструментов, естественно, понадобятся и следующие материалы:

• 11 алюминиевых пластин для офсетной печати;
• 150 заклёпок (4 мм в диаметре, 6-8 мм в длину);
• 18 болтов M4 (10-12 мм в длину) и столько же гаек;
• 24 маленьких шайбы 4 мм (около 10 мм внешнего диаметра);
• 27 больших шайб 4 мм (около 20 мм внешнего диаметра);
• 27-дюймовое велосипедное колесо*;
• 12 велосипедных спиц (любой длины);
• 2 стальных полосы (примерно 20х3х3 см);
• Ось заднего колеса велосипеда с тремя гайками (подходящая под колесо);
• 3 болта M6 с гайками (длинной 60 мм);

*Так как велосипедные колёса имеют сложную классификацию размеров, вам пододет то, диаметр внешнего обода которого составляет 63-64 см. Конечно, можно использовать и 26-дюймовое колесо, но оно не так идеально. Оно должно иметь нормальную толстую ось (около 9 мм), выступающую минимум на 4 см, 36 спиц и плавно крутиться. Если вы собираетесь работать с низким числом оборотов (например, для откачки воды, а не производства электричества), то может понадобится заднее колесо с шестернями, но подробнее об этом позже. Не лишним будет смазать подшипники.

Материалы, перечисленные в этом примере, рассчитаны на сборку турбины с тремя лопастями. Если захотите собрать вариант на шесть лопастей – удвойте всё, кроме велосипедного колеса.

Файлы шаблонов

Руководство

Пошаговая инструкция по сборке ветрогенератора с вертикальной осью:

Шаг 1:

Загрузите и распечатайте два файла шаблонов по ссылкам, приведённым выше. Убедитесь, что они распечатаны в 100% размере (200 dpi). При печати измерьте расстояние между размерными стрелками, оно должно составлять 10 см на обеих страницах. Если есть погрешность в пару мм, то это не страшно.

Скрепите страницы вместе таким образом, чтобы 10-сантиметровые стрелки прилегали друг к другу как можно ближе. Лучше всего делать это напротив источника света, чтобы вы видели оба листа насквозь. При помощи канцелярского ножа и алюминиевого уголка, выступающего в роли линейки, вырежьте шаблон по наружным границам. При вырезании убедитесь, что ваша вторая рука не стоит на пути ножа, дабы не порезаться. В этом плане уголок отлично защищает руку.

Шаг 2:

Возьмите алюминиевую пластину и отмерьте прямоугольник 42х48 см. Проведите линию по средине, чтобы у вас получилось два прямоугольника 42х24 см. Прорежьте внешние линии ножом Stanley, не пытаясь прорезать металл полностью, достаточно будет просто прочертить линии, которые затем позволят отделить детали. Для лучшего эффекта можно будет пройтись один раз легко, а второй раз немного сильнее, с нажимом. При этом не нужно прорезать линию, проведённую посредине, на отметке в 24 см.

Согните пластину по линии надреза и разогните обратно. Проделайте это пару раз, и она расколется. Сделайте то же самое с другой стороны и удалите внешний металл. Отложите его на потом.

Шаг 3:

Прикрепите шаблон к металлическому прямоугольнику (далее «основание»), чтобы длинный край бумаги находился на средней линии, а правые края поравнялись с другими гранями. Не беспокойтесь, если другие края не ложатся идеально.

С помощью ножа и уголка прорежьте кривую линию шаблона, включая треугольники на каждом конце. Не обязательно, чтобы основание было безупречным, но постарайтесь сделать всё максимально точно, чтобы использовать его в качестве шаблона для остальных. Прорежьте, отогните и удалите два треугольника металла, оставшихся вне шаблона.

Шаг 4:

Отметьте центры отверстий на бумажном шаблоне маркером так, чтобы они были видны с другой стороны, и переверните бумагу так, чтобы печатная сторона была опущена на вторую половину основания, оставляя её длинный край на средней линии. Закрепите скотчем, чтобы она не сдвигалась.

Вогните внутрь изогнутую часть основания и удалите два маленьких треугольника. Будьте осторожны, не сгибайте металл слишком сильно, так как вы можете ослабить его в не прорезанной части.

Теперь у вас есть первое основание. Повторите шаги со второго по третий, чтобы их у вас стало шесть. Также, вместо бумаги для вырезания остальных оснований вы можете использовать первое. На трех из них центральная линия будет нарисована спереди, а на остальных трёх сзади.

Шаг 5:

Возьмите все шесть заготовок и соедините их вместе, выровняв максимально точно. Если вдруг у вас не оказалось прищепок используйте скотч для того, чтобы их соединить. Просверлите каждое из 16 отверстий сквозь все шесть заготовок 4-миллиметровым сверлом. Сначала просверлите центральное отверстие, так как оно единственное, которое должно быть точным. Можно просунуть болт в первое отверстие, чтобы основания не смещались при сверлении остальных. Если отверстия на вашем шаблоне немного отличаются, от тех что на видео, то это потому, что шаблон мог быть обновлён.

Уберите шаблон и разъедините их. Положите основание так, чтобы средняя линия слегка выступала за край стола, поместите на неё уголок и согните до 90 градусов. Повторите этот этап со всеми шестью основаниями, три из которых согните блестящей стороной вверх, а три – вниз. Отложите их в сторону.

Шаг 6:

Возьмите другую алюминиевую пластину и выровняйте любые возможные изгибы. Отмерьте 67 см от длинного края и отрежьте остальное. Проведите линию на расстоянии 2 см от одного из краев, переверните пластину и проведите еще одну линию на таком же расстоянии от противоположного края. Повторите действие с еще двумя пластинами и соедините все три вместе таким образом, чтобы каждая проведённая линия ровнялась с краем следующей пластины.

По краю прорежьте линии на расстоянии 4, 6, 8, 10, 18, 26 и 34 см, а после через каждые 2 см до 64 см. Имейте в виду, что левая сторона имеет надрез на расстоянии 4 см от края, а правая - 3 см. Переверните пластины, убедившись, что они аккуратно выровнены и проделайте то же самое. Убедитесь, что надрезы совпадают с обеих сторон.

Шаг 7:

Разместите пластины на столе одна над другой и выровняйте их по краям. Со стороны отметки в 4 см проведите вертикальную линию на расстоянии 19 см от края и ещё одну на 33 см. На каждой из этих линий сделайте отметки на расстоянии 3 и 20 см с обоих концов. Просверлите все три пластины 4-миллиметровыми свёрлами во всех восьми метках. Если вы делаете турбину с шестью лопастями, а не тремя, то можете легко просверлить все шесть пластин одновременно. После разъедините их.

Шаг 8:

Поместите пластину так, чтобы правый край с прорезью на расстоянии 3 см нависал над столом. Разместите уголок на второй отметке от этого края и загните его, придав треугольную форму, как показано на видео. Сделайте то же самое с левым краем.

Предварительно согните пластину, чтобы можно было легче разместить основания. Но не сгибайте её слишком сильно, чтобы она не сложилась пополам.

Шаг 9:

Переверните пластину вертикально и сверху вставьте основание (необрезанная половина с отверстиями должна указывать вверх). Лучший способ сделать это – сначала поместить треугольники по краям в соответствующие отверстия на нём, надавить на внутреннюю часть, а затем протолкнуть остальную часть пластины через разрез.

Далее разогните прорезанные расстояния краёв, чтобы первые три на каждом из треугольников были наружу, а остальные чередовались. Вероятно, вам нужно будет прорезать несколько из них или использовать плоскогубцы, если они окажутся менее податливыми. Если вы вдруг согнули вкладку в неправильную сторону, лучше оставьте как есть, так как выгибая ее назад вы можете ослабить металл. Убедитесь, что три длинные вкладки также загнуты поочерёдно.

Поднимите основание, чтобы оно выровнялось с загнутыми частями. Поместите две велосипедные спицы в его складку и загните вторую половину. Если вы придавите края металла вокруг спиц плоскогубцами, это предохранит их от выпадения. Переверните конструкцию и поместите другое основание таким же образом.

Шаг 10:

Отрежьте два внешних угла основания. Отмерьте меньший треугольник и отрежьте вместе со второй половиной, а у большего сделайте запас в 2 см при помощи алюминиевого уголка и также отрежьте. Повторите для второго основания.

Шаг 11:

Возьмите один из остатков пластины после вырезания основания и отрежьте от него полосу шириной 7 см, а затем отрежьте 4 см от её длины. Придайте ей треугольную форму, как показано в видео. С каждого края 3-сантиметровой лицевой стороны проведите линии, примерно по центру, длиной в несколько сантиметров.

Шаг 12:

Поместите треугольную стойку внутри флюгера так, чтобы сторона с помеченными линиями соответствовала ряду просверленных отверстий ближе к заднему краю. Посмотрите на линию через верхнее отверстие, чтобы проверить правильность расположения.

Просверлите стойку через отверстие во флюгере и скрепите с помощью заклепки. Повторите то же для нижнего отверстия, а затем для двух посередине.

Шаг 13:

Возьмите новую пластину, разгладив любые возможные неровности и разрежьте её пополам, чтобы у вас было две части шириной 33,5 см. Отрежьте 4 см от одного из коротких краев обеих частей. Проделайте это снова, чтобы у вас было четыре листа длиной 33,5 см (вам понадобятся только три из них). Выровняйте и соедините их вместе.

От одного из длинных краев нарисуйте три вертикальные линии на расстоянии 1, 9 и 19 см. Далее сделайте на каждой линии отметки, на расстоянии 1 и 20 см по обе стороны от короткого края. Просверлите 12 отверстий 4-миллиметровым сверлом.

Шаг 14:

Сделайте отметку на расстоянии 5 см от противоположного длинного края и придайте ему треугольную форму, как показано на видео.

Шаг 15:

Поместите получившийся лист внутрь лопасти так, чтобы ее ровный край совпадал с задней кромкой лопасти. Это нормально иметь небольшой промежуток, если она не идеально подходит.

Просверлите отверстия, расположенные ближе к краю, насквозь и скрепите лист вместе задней частью флюгера заклёпками.

Шаг 16:

Поднимите лопасть вертикально. Надавите треугольный край вставленного внутрь листа таким образом, чтобы он прилегал к задней части флюгера и был немного натянут над треугольной стойкой под ним.

Просверлите отверстия, к которым прилегает треугольный край листа, насквозь и закрепите его заклёпками.

Шаг 17:

Просверлите одно из центральных отверстий листа, убедившись, что сверло направленно прямо, и закрепите лист при помощи заклепки и шайбы так, чтобы шайба была на внутренней стороне лопасти. Этот будет намного проще с чьей-то помощью. Старайтесь держать шайбу ровно. Повторите для остальных трех отверстий.

Просверлите и закрепите тем же образом оставшийся ряд отверстий. При этом лист должен плотно облегать треугольную стойку. Вы наверняка заметите, что лопасть теперь стала намного прочнее и жестче.

Согните 2-сантиметровое перекрытие на обеих основаниях на 90 градусов.

Шаг 18:

Просверлите все отверстия на основании флюгера, вместе с теми, которые будут прикреплены к велосипедному колесу. Если вы делаете версию с тремя лопастями, то оно станет нижним. Если же вы делаете версию на шесть лопастей, то три из них будут прикрепляться к колесу нижней частью, а три остальные - верхней. В остальном лопасти идентичны.

Скрепите каждое отверстие заклёпками, кроме отмеченных, так как они будут прикреплены болтами к ободу колеса.

На некоторых отверстиях очень легко просто вытолкнуть внутренний слой металла как сверлом, так и клепальником, поэтому убедитесь, что все они правильно закреплены. Если это не так, вам может понадобиться высверлить и заменить заклепку.

Просверлите отверстия на противоположной стороне лопасти и скрепите все, кроме центрального.

Шаг 19:

Возьмите велосипедное колесо. Просверлите три отверстия диаметром 4 мм, равномерно распределенные вокруг обода. Ваше колесо должно иметь 36 спиц, поэтому делайте отверстия через каждые 12 спиц. Они также должны быть достаточно близко к краю обода.

Просуньте болт M4 через одно из получившихся отверстий и поставьте сверху лопасть, продев болт через крайнее из трёх отверстий в её основании. Поместите большую шайбу и закрутите гайку. Удостоверьтесь, что болт находится перед велосипедной спицей, которую вы положили в складку основания, а шайба над ней. Это важно для того, чтобы болт и вся лопасть не сорвались с колеса. Не затягивайте гайку до конца.

Выровняйте лопасть так, чтобы другие два отверстия располагались вблизи края обода колеса и сделайте через них отметки при помощи маркера. Отодвиньте лопасть, чтобы вы могли просверлить две метки.

Верните лопасть на место и зафиксируйте ещё двумя болтами, большими шайбами и гайками. Полностью затяните все три. Именно в этом моменте вам сможет пригодиться 7-миллиметровая насадка и гайковёрт, так как затягивание их вручную – более трудоёмкий процесс. Вам также лучше использовать болты с шестигранной головкой, поскольку они, должны упираться в обод колеса и не проворачиваться, когда вы их затягиваете. Если они всё же крутятся, просто ухватитесь за головку болта плоскогубцами или гаечным ключом на 7 мм. Попытка закрутить их отвёрткой, если вы вдруг используете болты крестообразным шлицом, в лучшем случае – это кошмар, а если вы делаете турбину с шестью лопастями, то это просто-напросто будет невозможно.

Шаг 20:

Повторите все предыдущие действия дважды, начиная с шага 8, чтобы собрать еще две лопасти из оставшихся форм и пластин и прикрепить их к колесу.

Шаг 21:

Возьмите еще один остаток пластины и отрежьте полосу шириной 9,5 см и длиной 67 см. Нарисуйте линии на расстоянии 3.5 см от левого длинного края и на расстоянии 1 см от правого. На этом расстоянии в 1 см согните полосу до 45 градусов. Затем переверните и задайте ей треугольную форму, как показано на видео.

Просверлите отверстия диаметром 4 мм на расстоянии 1 см от каждого конца получившейся стойки и посередине, всего их должно получится три, на плоской области в 1 см. Среднее отверстие скрепите заклёпкой. Повторите дважды, чтобы у вас получилось три стойки.

Шаг 22:

Проденьте болт M4 с большой шайбой снизу через центральное отверстие в верхней части одной из лопастей и через крайние отверстия в двух стойках. Добавьте ещё одну большую шайбу и закрутите гайку. Повторите то же самое с двумя другими лопастями и последней стойкой. Шайбы затягивайте не до конца.

Верхняя часть лопастей должна быть вровень с их основаниями. Для этого поместите турбину на землю, чтобы вы могли смотреть на нее сверху, и проверьте (при надобности подровняйте) каждую из лопастей.

После того, как выровняете положение лопасти, просверлите отверстие через одну из распорок (насквозь вместе с верхней частью лопасти) на расстоянии 1-2 см от края. Проденьте большой болт, большую шайбу и затяните гайкой. Повторно проверьте выравнивание, просверлите другую стойку и проделайте то же самое. Затяните все три гайки. Повторите это для двух других лопастей.

При желании вы можете добавить дополнительные три лопасти к нижней части колеса. Это даст вам в два раза больше энергии, а также сделает турбину более стабильной, перемещая точку опоры в середину, а не вниз.

Шаг 23:

Чтобы сделать скобу для крепления вашей турбины, возьмите две стальных полосы на 18 и 20 см в длину, 3 см в ширину, толщиной около 3 мм. Эти цифры не являются жизненно важными, если они примерно совпадают, а металл достаточно прочен.

Отметьте расстояние в 3 см с одного конца каждой полосы, и согните их под прямым углом при помощи верстачных тисков. Убедитесь, что углы близки к 90 градусам, или турбина не будет стоять прямо.

Вложите две части так, чтобы 18-сантиметровая находилась внутри большей. Просверлите отверстие диаметром 10 мм (которое должно соответствовать диаметру оси велосипедного колеса для вашей турбины) через загнутые стороны полос. Удостоверьтесь, что они не скользят во время сверления.

Возьмите запасную велосипедную ось, не ту, что на вашем колесе, и намотайте гайку. Вставьте её в 20-сантиметровую стальную полосу, добавьте и затяните еще одну гайку, добавьте меньшую полосу, а затем еще одну гайку.

Просверлите 6-миллиметровое отверстие в зазоре между двумя частями, как показано на видео, а затем еще одно, примерно через 1 см, и третье рядом с противоположным концом. Скрутите гайки, и снимите крепления.

Шаг 24:

Просуньте болт M6 через верхнее отверстие большей стальной полосы и наденьте её на ось в нижней части колеса (если гайка, которую вы используете, не слишком широкая, то, возможно, понадобится обработать головку болта, чтобы он поместился между двумя частями крепления), затем затягивайте гайку, после продеваете 18-сантиметровый кусок, последнюю гайку и затягиваете её максимально плотно, и, наконец, продеваете два болта через оставшиеся отверстия.

Поздравляем, вы сделали ветряк своими руками!

Конфигурации

Возможные конфигурации ветровой турбины:

Ниже представлены некоторые потенциальные конфигурации вашего ветрогенератора, которые предполагают прикрепление различных дополнительных деталей, чтобы они могли выполнять полезную работу. Конечно же, какое-то одно решение не сможет подойти для всех ситуаций сразу, поскольку это будет зависеть в значительной степени от того, как вы планируете использовать ветровую турбину, поэтому возможные варианты предоставлены по большей части для ознакомления. Большинство сборок довольно просты и уже делались раньше.

Вариант A: Генератор постоянного тока.

Эта ветровая установка может быть подключена и использована для подачи питания различному оборудованию, вроде механического насоса для воды, но вы, вероятно, будете использовать её для выработки электроэнергии с целью питания бытовых устройств или зарядки батарей.

Одним из самых простых решений для этого является использование двигателя постоянного тока на постоянных магнитах, который в режиме реверса будет работать генератором и преобразовывывать механическую энергию в электрическую. Какой тип двигателя вы будете использовать в конечном итоге, зависит от вашего бюджета, силы ветров и потребностей в электричестве. Однако способы подключения их к турбине практически одинаковые. Хорошими вариантами для увеличения выходной мощности могут стать двигатели от автомобильных стеклоочистителей, электроскутоеров, или беговых дорожек. Они могут быть как куплены в интернете, так и найдены в старых или выброшенных устройствах.

Процесс прикрепления двигателя к конструкции ветряка в основном заключается только в том, чтобы снять с него всё лишнее, присоединить шкив к валу, пропустив зубчатый ремень вокруг обода колеса (со слоем нейлоновой обвязки, прикреплённой чтобы защитить ремень и обеспечить надежное зацепление) и закрепив двигатель на раме, как показано на видео, при помощи длинных болтов, чтобы вы могли легко отрегулировать натяжение ремня.

Вариант B: Высотный столб

Есть много различных способов установки ветряного генератора, включая крышу вашего дома, лодку, фургон или радиомачту, но самый распространённый вариант, особенно если вы проживаете в сельской местности, - это металлический столб с направляющими тросами.

В значительной степени это вопрос о присоединении различных компонентов, как показано на видео, для более безопасного и надёжного размещения турбины. Вам возможно понадобится выкопать ямы, от полуметра до метра глубиной, для размещения там деревянных якорей, или же прикрепить тросы к любым другим прочно зафиксированным предметам, находящимся поблизости.

Внизу столба при этой конфигурации имеется горизонтальный рычаг и соединение, позволяющее опускать конструкцию на землю для диагностики или во время шторма. Для этого необходимо лишь снять D-образную скобу в местах крепления тросов и с его помощью, осторожно опустить установку на землю. Поднять её снова можно повторив весь процесс наоборот. После этого желательно убедиться, что всё надёжно закреплено, а столб находится в вертикальном положении.

Для того, чтобы сделать процесс более безопасным, можно использовать четыре троса вместо трёх.

Вариант C: Велосипедная цепь и генератор(ы) постоянного тока

Зубчатый ремень и шкив, в случае с первым вариантом работают достаточно хорошо, но не везде они могут выступать в качестве легкодоступных материалов. Более простой и потенциально более эффективной альтернативой этого способа является использование велосипедной цепи, длиной около 2.1-2.2 метра (для этого вам понадобится объединить две цепи вместе), и один или три двигателя постоянного тока. Два из них будут способствовать натяжению цепи, в то время, когда вы будете соединять три двигателя вместе при помощи хомутов, оставляя между ними небольшие промежутки, чтобы они не соприкасались. Для этого можно проложить между ними что-нибудь эластичное, вроде толстой резины. Если вы используете только один генератор, то конфигурация практически такая же, за исключением небольших металлических трубок с велосипедными шестернями, вращающимися на болте или другой оси, для того же натяжения.

Если вы используете три двигателя, то для большей эффективности, особенно при слабом ветре, они могут быть соединены последовательно. Дополнительным преимуществом этой конфигурации является прочное сцепление с основанием турбины, делая ее более устойчивой и надёжной при сильных ветрах.

Вариант D: Мотор-колесо электровелосипеда.

Идеальное решение для получения электроэнергии из самодельной турбины - использовать мотор-колесо электрического велосипеда. Если вам удастся его найти. Конструкция использует колесо в любом случае, и почти каждый аспект входной и выходной мощности, оборотов в минуту и прочего, отличного подходит для мотор-колеса мощностью 300 Вт. Все, что нужно сделать, это построить на нем турбину и подключить провода к электрической системе. Правда в некоторых странах, к сожалению, подобное решение может стать сложным и дорогостоящим.

Вариант E: Самодельный генератор переменного тока.

Этот вариант сможет предоставить вам наибольший контроль над производительностью домашнего ветряка с точки зрения напряжения, оборотов и общей мощности на сегодняшний день. Однако он и один из самых трудоёмких, требующих широких познаний. По сути, это всего лишь круг магнитов, проходящих через круг катушек из медной проволоки, но их точная конфигурация зависит от множества факторов. И всё же эту проблему решали уже тысячу раз и на этот счёт есть куча полезной информации в интернете.

Вариант F: «Хардкор».

Стандартная сборка турбины с шестью лопастями выдерживала ветра со скоростью до 105 км/ч и несколько довольно серьезных штормов, но, если вы хотите добавить конструкции ещё больше надёжности, то этот вариант предоставит такую возможность. В целом, он заключается в наличие дополнительных распорок и точек опоры с другой стороны оси колеса и двух дополнительных треугольников из алюминия на верхней и нижней стойках, чтобы предотвратить возможность отклонения лопастей слишком далеко от вертикали и, следовательно, их срыва с колеса. Другое отличие состоит в том, что лучше закрепить распорки внутри, а не снаружи, чтобы они находились на центральной линии турбины и аккуратно располагались в вырезанных кругах двух треугольников.

Вариант G: Daisy-chain (вертикальный столб для нескольких ветряных турбин).

Около половины общей стоимости стандартной установки турбины приходится на сам столб и его модификации. Но нет никаких причин, по которым вы можете иметь только одну турбину на нём. Те, что располагаются ниже будут получать меньше ветра и, таким образом, производить меньше энергии, чем верхние, но эта затея всё равно весьма стоящая. Так как одни турбины могут отвечать за производство электрической энергии, а другие, например, за перекачку воды.

Видео

Вывод

Такой самодельный ветряк едва ли обеспечит электричеством весь дом, но нескольких установок будет вполне достаточно, чтобы снабжать энергией дачный домик, уличное освещение, поливальные установки и т.п. По словам разработчиков, вдвоем такую штуку можно изготовить за четыре часа не самого напряженного труда, потратив при этом всего пятнадцать-тридцать долларов.

Перефразируя крылатую мысль из известного фильма, можно сказать, что вентиляция — дело тонкое, слишком уж много факторов влияют на устойчивую работу вытяжной трубы. Редко кому удается построить в доме вентиляцию с небольшой трубой, чтобы занимала минимум места на крыше и одновременно обладала высокой производительностью. С течением времени, по мере запыления и зарастания вентиляционных каналов, производительность и эффективность системы вентиляции ощутимо снижается, поэтому приходится устанавливать дефлектор на вентиляционную трубу. Лучшие модели способны увеличить производительность до 20% от исходного значения тяги.

Что представляет собой дефлектор

Сегодня цилиндрический, конусообразный или округлый корпус дефлектора можно увидеть на крышах частных домов. По сути, дефлектор представляет собой аэродинамическую насадку, предназначенную для создания дополнительного разряжения на срезе вентиляционной трубы. В результате увеличивается перепад давления над трубой и внутри помещения, увеличивается тяга и производительность вентиляционной системы.

Конструктивно любой дефлектор состоит из трех узлов:

• Корпуса с креплением, обеспечивающим надежную и прочную установку на срезе вентиляционной трубы;
• Системы захвата воздушного потока, состоящей из нескольких неподвижных аэродинамических профилей или вращающегося элемента, как в случае турбинных дефлекторов;
• Колпака или защитной крышки, закрывающей срез трубы от проникновения дождя, снега, любопытных птиц, насекомых, мышей и прочей живности.

К сведению! Замечательным свойством дефлектора является его абсолютная автономность. Устройство, обеспечивающее дополнительный прирост тяги почти на 10-20%, работает без внешних источников электрической или тепловой энергии.

Для работы вентиляционному дефлектору необходимо одно условие — постоянный, стабильный горизонтальный поток ветра, желательно одного направления. В условиях постоянного потока воздуха дефлекторная насадка позволяет уменьшить высоту вентиляционной трубы на крыше почти вдвое. В безветрие дефлектор практически не работает.

Усиление тяги благодаря сжатию дополнительного потока воздуха также используется в дымоходах и продувках, когда из помещения или камеры сгорания необходимо быстро удалить продукты сгорания, дым, гарь, копоть. Дефлектор помогает резко интенсифицировать горение. Например, в эпоху паровозов использовался импровизированный бустер: чтобы резко увеличить мощность паровой машины, пара из котла выбрасывалась через дымовую трубу наружу, что увеличивало интенсивность горения и мощность двигателя чуть ли не на 70%.

Конструкция и принцип работы дефлектора вентиляционной трубы

Устройство и принцип работы дефлекторного усилителя основаны на хорошо известном физическом явлении падения статического давления в потоке воздуха или воды. Упрощенное устройство и схема работы дефлектора приведены на чертеже и рисунке.

Основу конструкции составляет упрощенный аэродинамический профиль, как правило, это два вертикально расположенных конуса или гребня, направленных вершинами друг к другу. Поток воздуха, обтекая конусообразный или шаровидный профиль, сжимается и ускоряется под действием динамического напора, как минимум в два раза.

В результате давление воздуха на срезе вентиляционной трубы падает, что и обеспечивает увеличение производительности вентиляции. Конструкцию нельзя назвать абсолютно бесшумной. При проектировании размеров и характеристик дефлектора разработчики используют средние значения горизонтальных потоков воздуха. На практике скорость ветра может превышать 15 — 20 м/с, что приводит к возникновению воздушных колебаний в виде гула и высокочастотного свиста. Чтобы избежать зашумления дефлектора, наиболее современные модели изготавливаются в виде многочисленных секторов и спрямляющих решеток.

Дефлектор не стоит путать с вытяжным электровентилятором, устанавливаемым на срезе вентиляционной трубы, несмотря на то, что предназначение у обоих приборов одинаковое, конструкция, надежность, эффективность и принцип работы у них разные. При желании можно сделать простейший дефлектор вентиляционный своими руками по чертежам, приведенным ниже.

Наиболее распространенные модели вентиляционных дефлекторов

Дефлекторные усилители тяги широко используются в частном домостроении и в многоэтажных домах, как средство для повышения эффективности системы вентиляции. Сегодня наиболее известны несколько конструкций вентиляционных дефлекторов:

1. Модель дефлектора, разработанная ЦАГИ - центральным аэродинамическим институтом, она так и называется. Тяжелая, громоздкая, рассчитанная на большую высоту и огромные расходы воздуха;
2. Система Григоровича , изображенная на фото ниже. Одна из самых удачных схем дефлектора. Простая и эффективная конструкция, которую вполне по силам изготовить и установить на крыше своими руками;
3. Турбо дефлекторы вентиляционные , отличаются наличием спрямляющей куполообразной решетки, способной вращаться под действием воздушного потока и одновременно создавать разрежение внутри купола;
4. Парусные или флюгерные дефлекторы.

К сведению! Несмотря на внешние различия в конструкции, все дефлекторные системы работают по одному и тому же принципу инжекции потока.

Схема Григоровича отличается разительной простотой и высокой эффективностью. По сути, вентиляционный дефлектор построен в виде двух усеченных конусов, закрытых колпаком. Небольшой вес и прочность дефлектора позволяют устанавливать на относительно слабые вентиляционные и пластиковые вентиляционные трубы. Устройство нечувствительно к направлению воздушного потока, пульсациям и перетеканием ветра.

Дефлекторы по схеме Григоровича на сегодня занимают 80% рынка вентиляционных усилителей тяги для систем вентиляции частных домов.

Модели ДС показывают максимальную эффективность усиления тяги в вентиляционной трубе только на плоской крыше. Кроме того, наличие сетки нередко приводит к обмерзанию экрана, но обойтись без защиты невозможно, так как вентиляционные трубы нередко используются птицами и насекомыми для проникновения внутрь здания.

Система дефлекторов разработки ЦАГИ

Модели ЦАГИ является основными для большинства промышленных объектов. Конструктивно представляет собой двухуровневый колпак-дефлектор с нижним и верхним обтеканием корпуса потоком воздуха. Чтобы избавиться от резонирующего шума и свиста при сильном ветре, корпус вентиляционного дефлектора закрывают кольцевым экраном.

По заявлениям разработчиков, экран позволяет защитить корпус от образования наледи и снежной пробки.

ЦАГИ очень хотели сделать свой дефлектор на вентиляционную трубу высокоэффективным и надежным, но на практике получилось очень дорогое и громоздкое изделие, страдающее обледенением в зиму и быстро ржавеющее даже при небольшом количестве химически активных окислов серы, азота и фосфора.

ЦАГИ дефлектор не прижился нигде, кроме цехов промышленных производств. В частном секторе модель не прижилась, ее даже не пытались копировать, кроме того, для эффективной работы вентиляционную трубу с дефлектором необходимо поднимать на 1,2-1,5 м над коньком крыши.

Турбина как способ усиления тяги в вентиляционной трубе

В качестве примера одного из наиболее интересных способов усиления тяги можно привести турбинные схемы. Наиболее распространенная купольная турбина изображена на фото.

Конструкция состоит из более двух десятков лопаток из тонколистового металла, собранных в бутон. Наружная оболочка из лопаток крепится на консольно закрепленную ось вращения.

Дефлектор устанавливается только на вентиляционные трубы круглого сечения. Куполообразное размещение лопаток позволяет эффективно улавливать горизонтальные воздушные потоки 0,1-0,5 м/с горизонтального и вертикального направления, что делает турбину необычайно эффективной. Для работы купола достаточно слабого «термика» от нагретой на солнце крыши.

Еще одним преимуществом турбины является ее неприхотливость к выбору места установки. Как правило, купола устанавливают на вентиляционную трубу, на высоте 30-35 см над кровельным покрытием, что практически не оказывает никакого влияния на стропила и обрешетку.

Дефлекторы турбинной схемы нечувствительны к пылевым бурям и интенсивному выпадению конденсата. Во-первых, даже при небольшой скорости вращения выпавшая пленка влаги срывается и скапывает с острых краев лопаток. Даже если наружная оболочка будет по каким-то причинам заблокирована, вентиляционная система все равно будет работать, но с меньшей на 10-15% эффективностью.

Парусные и капюшонные модели

Очень необычными по внешнему виду являются флюгерные или капюшонные модели дефлекторов.

По сути, это единственная схема, в которой полноценно используется эффект Бернулли или эжекции. Принцип работы устройства основывается на способности флюгера разворачиваться в подветренную сторону. Набегающий поток воздуха создает в вентиляционной трубе разрежение на 15-20% выше, чем в системах Григоровича или в турбине.

Конструкцию оснащают своего рода капюшоном, выполняющим роль крыла флюгера и одновременно закрывающим выхлопное отверстие вентиляционной трубы от дождя и снега.

Для эффективной работы вентиляционную трубу с капюшонным дефлектором необходимо поднимать на самую верхушку конька, где нет отраженных потоков воздуха. Основным недостатком флюгерного варианта является высокая инерция, при резких порывах ветра зачастую флюгер не успевает развернуться по ветру, и часть отходящих газов загоняется динамическим давлением обратно в вентиляционную систему дома.

Как и у турбины, флюгерный эффект усиления тяги и работоспособность капюшонного дефлектора практически не зависит от конденсата, пыли и температуры воздуха.

Одной из разновидностей флюгерной схемы являются трубчатые дефлекторы. По сути, это двухсторонний воздушный диффузор - конфузор, который также проворачивается потоком воздуха по ветру. Коэффициент усиления тяги в вентиляционной трубе в таком устройстве выше, чем у схемы Гриневича, но ниже, чем у классической капюшонной конструкции.

Заключение

Кроме перечисленных систем усиления разряжения в вентиляционной трубе, существует достаточно много комбинаций и модификаций с двойными насадками, с перфорированными стенками, с пылеуловителями, напорными трубами и клапанами обратной тяги. Но все они, так или иначе, обладают меньшей эффективностью и более сложным устройством, что неминуемо сказывается на устойчивости работы конструкции.

Правильно спроектированная вентиляционная система обеспечивает чистый и свежий воздух внутри помещения. Главным условием её эффективной работы является наличие тяги. К сожалению, мусор и пыль, попадающие в каналы, способны нарушить нормальную работу оборудования. Чтобы этого не произошло на вентиляционную трубу необходимо установить дефлектор.

Если дефлектора на вентиляционной трубе нет, то её диаметр будет постепенно уменьшаться. В наибольшей степени этому способствует жир, который скапливается на стенках воздуховода. Именно на него налипает пыль и мусор.

Вентиляционный дефлектор устанавливается на оголовок трубы. На первый взгляд, это защищает каналы от мусора, который может попадать извне. Но не всё так просто. Устройство выполняет целый ряд функций, каждая из которых важна.

Особенности

Установка дефлектора на вентиляционную трубу в значительной мере позволяет увеличить тягу. Устройство отклоняет воздушные потоки. В итоге на выходе из вентиляционной шахты образуется зона пониженного давления. Благодаря этому воздух, внутри трубы поднимается вверх. Таким образом происходит компенсация давления.

Существует множество конструкций дефлекторов, но все они работают по описанному выше принципу. Интересно, что в большинстве современных устройств имеется сужение канала. Это позволяет добиться роста скорости, с которой воздушные потоки проходят над оголовком трубы. В результате тяга усиливается. Данный эффект носит название «принцип аэрографа».

Если правильно использовать дефлектор на вентиляционной трубе, то можно добиться значительного прироста в эффективности работы всей системы. При правильном выборе устройства и его оптимальной установке прирост мощности может достигать 20 процентов.

Внимание! Самую высокую эффективность вентиляционный дефлектор показывает при установке на вентиляционных каналах с изгибами и большими горизонтальными участками.

Но основным предназначением дефлектора всё-таки является защита воздуховода от попадания внутрь мусора, насекомых, мелких птиц и атмосферных осадков. Так как устройство устанавливается снаружи, то материалом корпуса является нержавеющая сталь или керамика. В некоторых случаях можно увидеть и обычный пластик.

Плюсы и минусы

Перед тем собрать агрегат своими руками необходимо узнать не только его позитивные стороны, но и негативные. Для начала сосредоточимся на позитиве. Зонтичная конструкция эффективно защищает трубу от осадков и грязи, также можно наблюдать увеличение тяги.

Главным недостатком дефлектора на вентиляционную трубу является то, что когда ветер дует снизу, то поток ударяется в верхнюю часть конструкции и не даёт воздуху нормально выходить наружу. Поэтому иногда могут наблюдаться проблемы с работой системы. К счастью, это происходит довольно редко.

К тому же были придуманы действенные контрмеры. Проще говоря, конструкции стали обустраивать двумя конусами, которые соединяются основаниями. Поэтому если вы хотите получить по-настоящему надёжный агрегат, это лучше всего учитывать при создании чертежа.

Внимание! Чем сильнее нисходящий поток ветра, тем выше давление внутри вентиляционного дефлектора, который установлен на трубе.

Виды

Существует множество разновидностей дефлекторов для вентиляционных труб:

1. Весьма востребованным является дефлектор Цаги. Устройство обрело высокую популярность благодаря простоте конструкции и высокой эффективности.
2. Дефлектор Григоровича пользуется большой популярностью.
3. Н-образный аппарат является наиболее эффективным при установке на дымовых трубах.

Также довольно часто можно встретить открытые конструкции. Так как всевозможных конструкций на рынке довольно много, их классифицируют по следующим параметрам:

• форма навершия,
• роторный или турбинный принцип работы,
• тип флюгера.

Особую роль играет материал, из которого сделан дефлектор. К примеру, пластиковые изделия обладают сравнительно невысокой ценой, но при этом их срок эксплуатации не очень велик. Также можно отметить утончённый внешний вид.

Именно из-за эстетичности пластиковые дефлекторы можно увидеть на большинстве труб в частных домах. К сожалению, пластик не выносит высоких температур, поэтому его нельзя устанавливать на дымоходах.

Вращающийся вентиляционный дефлектор усиливает тягу и эффективно защищает каналы от попадания внутрь разнообразного мусора. Главной особенностью устройства является шарообразная форма.

Ротационный вентиляционный дефлектор для трубы также может называться турбинным. Устройство способно за счёт энергии ветра обеспечивать движение турбины. Внутри её воздух закручивается по принципу торнадо. Это, в свою очередь, увеличивает тягу в воздуховоде. Как результат можно наблюдать хорошую тягу даже летом.

Дефлектор Григоровича

Существует множество разновидностей вентиляционных дефлекторов для труб. Если же брать во внимание конструкцию, в которой сочетается простота и эффективность, то это, безусловно, агрегат Григоровича.

Этот вентиляционный дефлектор для трубы имеет усечённый конус. Он ещё называется диффузором. Сама вентиляционная труба должна в него немного входить. Сверху монтируется защитный зонт. Под ним устанавливается конструкция, обеспечивающая пониженное давление даже при боковом ветре. Она имеет форму конуса. Само собой, подобная конструкционная особенность увеличивает силу тяги.

Делаем дефлектор своими руками

Подготовительные работы

Чтобы сделать вентиляционный дефлектор своими руками и установить его на трубу для начала нужно выполнить определённые подготовительные работы. Устройство состоит из таких основных элементов:

• входного патрубка,
• диффузора,
• колпака.

В качестве материала лучше всего выбрать нержавеющую сталь. Её высокие антикоррозийные свойства обеспечат долгий срок службы дефлектора на вентиляционной трубе.

Перед тем как начать сборку своими руками необходимо озаботиться наличием нужного инструментария, в него входит:

• болгарка,
• дрель,
• хомуты,
• молоток,
• рулетка,
• ножницы для металла,
• болты и гайки,
• заклёпки.

Также вам нужно подумать о поиске подходящих для агрегата листов металла. Особое внимание нужно уделить средствам защиты. Не стоит начинать работу без перчаток и очков.

В подготовительный процесс также входит создание чертежа для вентиляционного дефлектора своими руками. Стоит признать, что это довольно непростая задача. Конечно, саму конструкцию сверхсложной не назовёшь, тем не менее для того, чтобы получить пригодный к длительной эксплуатации агрегат нужно всё тщательно рассчитать.

Оптимальным будет взять уже готовый чертёж, к примеру, один из этой статьи. Но вы должны учитывать, что размеры трубы у вас могут быть совсем другими. Поэтому в процессе осуществления проекта может понадобиться внести дополнительные коррективы. Лучшим вариантом будет обратиться в конструкторское бюро, где вам сделают готовый проект, который вы сможете воплотить в жизнь своими руками.

Сборка

После того как вы подготовите весь нужный инструмент и позаботитесь об индивидуальной защите, можно будет приступить к самому процессу. Для начала необходимо перевести контуры с чертежа на металл. При этом особое внимание уделяется следующим элементам:

• колпаку,
• диффузору,
• внешнему цилиндру,
• стойкам.

От того, насколько тщательно вы всё прорисуете, зависит конечный результат в виде готового к работе агрегата. Как только метки нанесены, можно приступать к вырезанию нужных форм, конечно же, для этого вам понадобятся ножницы по металлу.

Чтобы соединить вырезанные элементы между собой используйте заклёпочный пистолет. При этом своеобразными мостами между двух частей основной конструкции будут выступать стойки.

Внимание! Стойки должны быть вырезаны из того же металла, что и две основные части агрегата.

После того как агрегат будет собран, его можно устанавливать на изголовье трубы. При этом сама конструкция крепится при помощи хомутов. На этом процесс изготовления и установки можно считать завершённым.

Итоги

Вентиляционный дефлектор — это важный элемент в системе вентиляции. Он позволяет увеличить производительность системы на 20 процентов и при этом защищает внутренние каналы от мусора, пыли и осадков. Чаще всего агрегаты такого класса делаются из листов нержавейки, но возможны и другие варианты.

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.

Эту подробно описанную конструкцию роторного ветрогенератора типа Савониус я обнаружил на этом замечательном сайте вот здесь http://mirodolie.ru/node/2372 После прочтения материала решил написать о этой конструкции и о том как все делалось.

С чего все начиналось

Идея построить ветрогенератор зародилась еще в далеком 2005-м году, когда был получен участок в родовом поместье Миродолье. Там не-было электричества и каждый решал эту проблему по своему, в основном за счет солнечных панелей и бензогенераторов. Как только был построен домик, то первым делом надо было подумать о освещении, и была приобретена солнечная панель 120 ватт. Летом она хорошо работала, но зимой её эффективность сильно упала и в пасмурные дни она давала ток всего 0,3-0,5А/ч, это никак ни устраивало, так-как даже на свет еле хватало, а еще надо было питать ноутбук и другую мелкую электронику.

Поэтому было решено построить ветрогенератор чтобы использовать еще и энергию ветра. Сначала было желание построить парусный ветрогенератор. Такой тип ветрогенераторов очень понравился, и после некоторого времени проведенного в интернете в голове и на компьютере накопилось много материалов по этим ветрогенераторам.Но строить парусный ветрогенератор довольно затратное дело, так-как такие ветрогенераторы маленькие не строят и диаметр винта для ветрогенератора такого типа должен быть как минимум метров пять.

Большой ветрогенератор не было возможности потянуть, но все-таки очень хотелось попробовать сделать ветрогенератор, хотя бы небольшой мощности, для зарядки аккумулятора. Горизонтальный пропеллерный ветрогенератор сразу отпал так-как они шумные, есть сложности с изготовлением токосьемных колец и защитой ветрогенератора от сильного ветра, а так-же трудно изготовить правильные лопасти.

Хотелось чего-то простого и тихоходного, посмотрев некоторые видеоролики в интернете очень понравились вертикальные ветрогенераторы типа Савониус. По сути это аналоги разрезанной бочки, половинки которой раздвинуты в противоположные стороны. В поисках информации нашел более продвинутый вид этих ветрогенераторов - ротор Угринского. Обычные Савониусы имеют очень маленький КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра), он обычно всего 10-20%, а ротор Угринского имеет более высокий КИЭВ за счет использования отражённой от лопастей энергии ветра.

Ниже наглядные картинки для понимания принципа роботы данного ротора

Схема разметки координат лопастей

>

КИЭВ ротора Угринского заявлен аш до 46% , а значит он не уступает горизонтальным ветрогенераторам. Ну а практика покажет что и как.

Изготовление лопастей.

Прежде чем приниматься за изготовление ротора, сначала были изготовлены модельки из пивных банок двух роторов. Одна моделька классического Савониуса, а Вторая Угринского. На модельках было заметно что ротор Угринского работает заметно на более высоких оборотах в сравнении с Савониусом, и было принято решение в пользу Угринского. Решено было сделать двойной ротор, один над вторым с разворотом под 90 градусов чтобы добиться более ровного крутящего момента и лучшего старта.

Материалы для ротора выбраны самые простые и дешовые. Лопасти сделаны из алюминиевого листа толщиной 0,5мм. Из фанеры толщиной 10мм вырезаны три круга. Круги были расчерчены по рисунку выше и были сделаны бороздки глубиной 3 мм для вставки лопастей. Крепление лопастей сделано на маленьких уголочках и стянуто на болтики. Дополнительно для прочности всей сборки фанерные диски стянуты шпильками по краям и в центре, получилось очень жёстко и прочно.

>

>

Размер получившегося ротора 75*160см, на материалы ротора потрачено примерно 3600 рублей.

Изготовление генератора.

Перед тем как делать генератор было много поисков готового генератора, но их в продаже почти нет, а то что можно заказать через интернет стоило приличных денег. У вертикальных ветрогенераторов небольшие обороты и в среднем для этой конструкции около 150-200 об/м. А для таких оборотов трудно найти что-то готовое и не требующее мультипликатора.

В поисках информации на форумах оказалось многие люди делают генераторы сами и в этом нет ничего сложного. Решение было принято в пользу самодельного генератора на постоянных магнитах. За основу была взята классическая конструкция аксиального генератора на постоянных магнитах, сделанная на автомобильной ступице.

Первым делом были заказаны неодимовые магниты шайбы для этого генератора в количестве 32 шт размером 10*30мм. Пока шли магниты изготавливались другие детали генератора. Вычислив все размеры статора под ротор, который собран из двух тормозных дисков от автомобиля ВАЗ на ступице заднего колеса, были намотаны катушки.

Для намотки катушек сделан простенький ручной станочек. Количество катушек 12 по три на фазу, так-как генератор трехфазный. На дисках ротора будет по 16 магнитов, это соотношение 4/3 вместо 2/3, так генератор получится тихоходнее и мощнее.

Для намотки катушек сделан простой станочек.

>

На бумаге размечены места расположения катушек статора.

>

Для заливки статора смолой изготовлена форма из фанеры. Перед заливкой все катушки были спаяны в звезду, а провода выведены наружу по прорезанным канальцам.

>

Катушки статора перед заливкой.

>

Свеже залитый статор, перед заливкой на дно был постелен кружок из стеклосетки, и после укладки катушек и заливкой эпоксидной смолой поверх них был уложен второй кружок, это для дополнительной прочности. В смолу добавлен тальк для крепкости, от этого она белая.

>

Так-же смолой залиты и магниты на дисках.

>

А вот уже собранный генератор, основа тоже из фанеры.

>

После изготовления генератор сразу был покручен руками на предмет вольт-амперной характеристики. К нему был подключен мотоциклетный аккумулятор 12 вольт. К генератору была приделана ручка и смотря на секундную стрелку и вращая генератор были получены некоторые данные. На аккумулятор при 120 об/м получилось 15 вольт 3,5А, быстрее раскрутить рукой не позволяет сильное сопротивление генератора. Максимум в холостую на 240 об/м 43 вольта.

Электроника

>

Для генератора был собран диодный мост, который был упакован в корпус, а на корпусе были смонтированы два прибора это вольтметр и амперметр. Так-же знакомый электронщик спаял простенький контроллер для него. Принцип контроллера прост, при полном заряде аккумуляторов контроллер подключает дополнительную нагрузку, которая съедает все излишки энергии чтобы аккумуляторы не перезарядились.

Первый контроллер спаянный знакомым не совсем устраивал, по этому был спаян более надежный программный контроллер.

Установка ветрогенератора.

Для ветрогенератора был сделан мощный каркас из деревянных брусков 10*5 см. Для надежности опорные бруски были вкопаны в землю на 50 см, а так-же вся конструкция была дополнительно усилена растяжками, которые привязывались к уголкам вбитым в землю. Такая конструкция очень практична и быстро устанавливается, а так-же в изготовлении проще чем сварная. Поэтому было принято решение строить из дерева, а металл дорого и сварку некуда включать пока.

>

Вот уже готовый ветрогенератор.На этом фото привод генератора прямой, но в последствии был сделан мультипликатор для поднятия оборотов генератора.

>

>

Привод генератора ременной, передаточное соотношение можно менять заменой шкивов.

>

>

>

В последствии генератор был соединен с ротором через мультипликатор. В общем итоге ветрогенератор выдает 50 ватт на ветру 7-8 м/с, зарядка начинается на ветру 5 м/с, хотя начинает вращаться на ветре 2-3 м/с, но обороты слишком маленькие для зарядки аккумулятора.

В будущем планируется поднять ветрогенератор по выше и переработать некоторые узлы установки, а тск-же возможно изготовление нового более большого ротора.