Мачта для ветрогенератора своими руками
Как сделать ветрогенератор своими руками
Ветер – это бесплатная энергия! Так давайте же её использовать в личных целях. Если создание ВЭС в промышленных масштабах это очень дорого, потому что кроме генератора нужно провести ряд исследований и расчётов, государство не берет на себя такие расходы, а инвесторам в странах бывшего СССР – это, почему-то не вызывает особого интереса. То в частном порядке можно сделать мини-ветряк для собственных нужд. Стоит понимать, что проект перевода вашего дома на альтернативную энергию очень дорогое занятие.
Как уже было сказано: нужно произвести длительные наблюдения и расчёты, чтобы подобрать оптимальное соотношение размеров ветряного колеса и генератора, подходящее к вашему климату, розе ветров и среднегодовой скорости ветра.
Эффективность ветроэлектрической установки в пределах одного региона может отличаться в разы, это связано с тем, что движение ветра зависит не только от климатического пояса, но и от рельефа местности.
Однако вы можете узнать, что такое ветроэнергетика с минимальными затратами собрав бюджетную установку для питания маломощной нагрузки, типа смартфона, лампочек или радиоприёмника. При должном подходе вы можете обеспечить электроэнергией небольшой дом или дачный участок.
Давайте рассмотрим каким образом можно сделать простейшую ветроэлектрическую установку своими руками.
Содержание статьи
Маломощные ветряки из подручных средств
Компьютерный кулер представляет собой бесколлектроный двигатель, который в своем первоначальном виде не представляет практической ценности.
Его нужно перемотать, так как в оригинале обмотки соединены неподходящим образом. Мотать катушки поочередно:
По часовой стрелке;
Против часовой стрелки;
По часовой стрелке;
Против часовой стрелки.
Соединять соседние катушки нужно последовательно, а еще лучше мотать одним куском провода переходя от одного паза к другому. Толщину провода в этом случае подбирать произвольно, лучше будет если вы намотаете как можно больше витков, а это возможно при использовании наименее тонким проводом.
Выходное напряжение с такого генератора будет переменным, а его величина будет зависеть от оборотов (скорости ветра), установите диодный мост из диодов Шоттки, чтобы выпрямить его до постоянного, обычные диоды подойдут, но будет хуже, т.к. на них упадёт напряжение от 1 до 2-х вольт.
Лирическое отступление, немного теории
Запомните величина ЭДС равняется:
где L – длина проводника помещенного в магнитное поле; V – скорость вращения магнитного поля;
При модернизации генератора вы можете влиять только на длину проводника, то есть на количество витков каждой из катушек. Количество витков – определяет выходное напряжение, а толщина провода – максимальную токовую нагрузку.
На практике влиять на скорость ветра нельзя. Однако из этой ситуации тоже есть выход, можно, узнав типовую скорость ветра для вашей местности спроектировать подходящий по оборотам винт для ветроэлектрической установки, а также редуктор или ременную передачу, для обеспечения достаточных оборотов для генерации нужного по величине напряжения.
ВАЖНО: Быстрее не значит лучше. При слишком большой скорости вращения ветрогенератора сократиться его ресурс, ухудшаться смазочные свойства втулок или подшипников ротора, и он заклинит, а быстрее всего произойдет пробой изоляции обмоток в генераторе.
Генератор состоит из:
Промышленные конструкции ветрогенераторов:
Увеличиваем мощность генератора из компьютерного кулера
Во-первых, чем больше лопастей и диаметр колеса – тем лучше, поэтому присмотритесь к 120-мм кулерам.
Во-вторых, мы уже сказали, что напряжение зависит и от магнитного поля, дело в том, что промышленные генераторы высокой мощности имеют обмотки возбуждения, а низкой мощности – сильные магниты. В кулере магниты крайне слабые и не позволяют добиться хороших результатов от генератора, да и зазор между ротором и статором весьма велик – порядка 1 мм, и это при и без того слабых магнитах.
Решение этой проблемы кардинально изменить конструкцию генератора. Вернее, от кулера потребуется только крыльчатка, в качестве самого генератора применим моторчик от принтера или любой другой бытовой техники. Наиболее часто встречаются щеточные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов.
В результате это будет выглядеть так.
Мощности подобного генератора хватит, чтобы запитать светодиоды, радиоприемник. Для подзарядки телефона его не хватит, телефон будет отображать процесс заряда, но ток будет крайне мал, до 100 Ампер, при ветре 5-10 метров в секунду.
Шаговые двигатели в роли ветрогенератора
Шаговый двигатель очень часто встречается в компьютерной и бытовой технике, в различных проигрывателях, флоппи-дисководах (интересны старые модели 5.25”), принтерах (особенно матричных), сканерах и т.д.
Данные двигатели без переделок могут работать в роли генератора, они представляют собой ротор с постоянными магнитами, и статор с обмотками, типовая схема подключения шагового двигателя в режиме генератора изображена на рисунке.
В схеме установлен линейный стабилизатор на 5 Вольт, типа L7805, что позволит без опасения подключать мобильные телефоны к такому ветряку для их зарядки.
На фото генератор из шагового двигателя с установленными лопастями.
Двигатель в конкретном случае с 4-мя выходными проводами, схема соответственно под него. Двигатель с такими габаритами в режиме генератора выдаёт примерно 2 Вт при слабом ветре (скорость ветра около 3 м/с) и 5 м/с при сильном (до 10 м/с).
Кстати вот аналогичная схема со стабилитроном, вместо L7805. Позволяет заряжать Li-ion батареи.
Доработка самодельного ветряка
Чтобы генератор работал эффективнее нужно сделать ему направляющий хвостовик и закрепить его на мачте подвижно. Тогда при изменении направления ветра – будет изменяться направление ветрогенератора. Тогда возникает следующая проблема – кабель, идущий от генератора к потребителю будет закручиваться вокруг мачты. Чтобы это решить нужно обеспечить подвижный контакт. На Ebay и Aliexpress продаётся готовое решение.
Нижних три провода – неподвижны идут вниз, а верхний пучок проводов – подвижен, внутри установлен скользящий контакт или щеточный механизм. Если у вас нет возможности купить, проявите смекалку, и, вдохновившись решением конструкторов автомобиля Жигули, а именно реализацией подвижного контакта кнопки сигнала на руле и сделайте что-то похожее. Или воспользуйтесь контактной площадкой от электрочайника.
Соединив разъёмы, вы получите подвижный контакт.
Мощный ветрогенератор из подручных средств.
Для получения большей мощности вы можете использовать два варианта:
1. Генератор из шуруповерта (10-50 Вт);
2. Ветрогенератор из автомобильного генератора.
Из шуруповерта понадобиться только моторчик, вариант аналогичен предыдущему, в качестве винта вы можете использовать лопасти от вентилятора, это увеличит итоговую мощность вашей установки.
Вот пример реализации такого проекта:
Обратите внимание как здесь реализована шестеренчатая повышающая передача – вал ветрогенератора расположен в трубе, на его конце расположена шестерня, которая передаёт вращение меньшей шестерне закрепленной на валу двигателя. Повышение оборотов двигателя имеет место и в промышленных ветряных электроустановках. Редуктора применяются повсеместно.
Однако в условиях самоделки изготовить редуктор становиться большой проблемой. Вы можете извлечь редуктор из электроинструмента, он там нужен чтобы понизить высокие обороты на валу коллекторного двигателя в нормальные обороты патрона на дрели, или диска болгарки:
В дрели установлен планетарный редуктор;
В болгарке установлен угловой редуктор (станет полезным для монтажа некоторых установок и уменьшит нагрузку с хвоста ВЭУ);
Редуктор от ручной дрели.
Такой вариант самодельного ветрогенератора уже может заряжать 12 В аккумуляторы, однако нужен преобразователь для формирования зарядного тока и напряжения. Эту задачу можно упростить применив автомобильный генератор.
Ветрогенератор из автомобильного генератора
Автомобильный генератор состоит из статора с трёхфазной обмоткой, и ротора со щёточным узлом и катушкой возбуждения. К нагрузке такой генератор подключается через диодный мост собранный по схеме Ларионова, он обычно расположен на задней крышке генератора.
Преимущество такого генератора – возможность использовать его для зарядки автомобильных аккумуляторов, в принципе он для этого и предназначен. Автогенераторы имеют встроенное реле-регулятор напряжения, что избавляет от необходимости покупать дополнительные стабилизаторы или преобразователи.
Однако автолюбители знают, что на низких холостых оборотах, примерно 500-1000 Об/мин мощность такого генератора мала, и он не обеспечивает должного тока для заряда аккумулятора. Это приводит к необходимости подключения к ветроколесу через редуктор или ременную передачу.
Отрегулировать количество оборотов при нормальной для ваших широт скорости ветра можно с помощью подбора передаточного числа либо с помощью правильно спроектированного ветроколеса.
Полезные советы
Пожалуй, самая удобная для повторения конструкция мачты для ветряка – изображена на картинке. Такая мачта растягивается на тросах, закрепленных на держателях в земле, что обеспечивает устойчивость.
Важно: Высота мачты должна быть как можно большей примерно 10 метров. На большей высоте ветер сильнее, потому что для него нет препятствий в виде наземных сооружений, холмов и деревьев. Ни в коем случае не устанавливайте ветрогенератор на крыше своего дома. Резонансные колебания крепежных конструкций могут вызвать разрушение его стен.
Позаботьтесь о надёжности несущей мачты, ведь конструкция ветряка на базе такого генератора значительно утяжеляется и представляет собой уже довольно серьезное решение, которое может осуществлять автономное электроснабжение дачи с минимальным набором электрических приборов. Устройства, которые работают от 220 Вольт можно запитать от инвертора 12-220 В. Самый распространённый вариант такого инвертора – блок бесперебойного питания для ПК.
Лучше использовать генераторы от дизельных, в т.ч. грузовых автомобилей, ведь они рассчитаны для работы на низких оборотах. В среднем дизельный двигатель крупного грузовика работает в диапазоне оборотов от 300 до 3500 об/мин.
Современные генераторы выдают 12 или 24 Вольт, а ток в 100 Ампер – уже давно стал нормальным. Проведя несложные вычисления можно определить, что такой генератор максимально выдаст вам до 1 кВт мощности, а генератор от жигулей (12 В 40-60 А) 350-500 Вт, что уже довольно приличная цифра.
Каким должно быть ветроколесо для самодельной ВЭУ?
Я упомянул в тексте о том, что ветроколесо должно быть большим и с большим количеством лопастей, на самом деле это не так. Это утверждение было справедливо для тех микро-генераторов, которые не претендуют на звание серьезных электрических машин, а скорее экземпляры для ознакомления и досуга.
Реальная мощность ветроколес с одинаковым диаметром и разным количеством лопастей – одинаково, разница лишь в скорости их вращения. Чем меньше крыльев – тем больше оборотов в минуту, при том же ветре и диаметре. Если вы собираетесь добиться максимальных оборотов вы должны максимально точно смонтировать крылья с минимальным углом к плоскости их вращения.
| Диаметр ветроколеса (м) | 1,6 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 4,0 | 5,0 |
| Число оборотов в минуту (при ветре 7 — 8 м/с) | 670 | 450 | 360 | 300 | 225 | 180 |
| Мощность (при ветре 7—8 м/сек) (ватт) | 65 - 80 | 100 - 130 | 200 | 300 | 500 | 1000 |
В домашних условиях эти теоретические выкладки дают мало толку, любители делают ветроколеса из подручных средств, в ход идёт:
Пластиковые канализационные трубы.
Собрать своими руками быстроходное 2-4 лопастное ветроколесо можно из канализационных труб, кроме них нужна ножовка или любой другой режущий инструмент. Использование этих труб обусловлено их формой, после обрезки они имеют вогнутую форму, что обеспечивает высокую отзывчивость к потокам воздуха.
После обрезки их закрепляют с помощью БОЛТОВ на металлической, текстолитовой или фанерной болванке. Если вы собрались делать её из фанеры – лучше переклейте и скрутите саморезами с обеих сторон несколько слоев фанеры, тогда у вас получится добиться жесткости.
Вот идея двух лопастной цельной крыльчатки для генератора из шагового двигателя.
Выводы
Вы можете сделать ветроэлектрическую установку начиная от малых мощностей – единиц Ватт, для питания отдельных светодиодных светильников, маячков и мелкой техники, до хороших значений мощности в единицах киловатт, накапливать энергию в аккумуляторе, использовать её в исходном виде или преобразовывать до 220 Вольт. Стоимость такого проекта будет зависеть от ваших потребностей, пожалуй, самым дороги элементом является мачта и аккумуляторы, может оказаться в пределах 300-500 долларов.
Теперь получить бесплатную электроэнергию с помощью ветра вполне возможно. Существует несколько вариантов ветряков: с вертикальной и горизонтальной осью. Собрать вертикальный ветрогенератор своими руками может практически каждый человек, как правильно это сделать, читайте в нашей статье.
Принцип работы ветрогенераторов
Принцип работы во всех модификациях ветряков одинаков. В процессе вращения лопастей образуется три вида физического воздействия: подъемная, импульсная и тормозящая силы. В результате воздействия этих сил статор приходит в движение, а ротор на неподвижной части генератора начинает создавать магнитное поле и электрический ток движется по проводам.
Вариантов исполнения ветрогенераторов большое количество, отличаются они не только мощностью, но и своим внешним видом. Структура большинства ветряков включает в себя: генератор, лопасти, инвертор, мультипликатор. Инвертор используется для преобразования полученного заряда в постоянный ток. Мультипликатор — это редуктор, который предназначен для увеличения числа оборотов вала. Устанавливают редукторы не на все ветряки, в основном только на большие и мощные ветровые установки.
Трехфазный переменный ток образуется благодаря вращению ротора. Полученная энергия направляется через контроллер к аккумуляторной батарее. Далее инвертор преобразовывает ток и делает его стабильным, именно в таком виде его можно подавать для питания бытовых приборов или освещения.
Как самостоятельно изготовить ветрогенератор вертикального типа
Изготовить ветряк можно самостоятельно в домашних условиях. Для начала нужно определиться с видом ветрогенератора. В зависимости от своей конструкции ветроустановки бывают:
- с вертикальной осью вращения: ротор Дарье, ветрогенератор Савониуса;
- с горизонтальной осью вращения: параллельной или перпендикулярной потоку ветра.
Некоторые модели ветряков совмещают в себе несколько типов установок. Рассмотрим пример создания гибридного ветряка, который совмещает в себе конструкцию ветровых генераторов типа Савониуса и Дарье.
Собираем ротор
Чтобы собрать ротор, необходимо приобрести:
- 6 неодимовых магнитов D30хH10 мм;
- 6 ферритовых кольцевых магнитов D72xd32xh15 мм;
- 2 металлических диска D230хH5 мм;
- эпоксидная смола или клей.
Вместо металлических дисков можно использовать пильные диски подходящего размера. На одном диске размещают 6 неодимовых магнитов, чередуя их полярность, угол между ними должен быть 60 градусов на диаметре 165 мм.
На втором диске по такому же принципу располагают ферритовые кольцевые магниты.
Чтобы магниты не сдвинулись во время работы ветряка, их нужно хотя бы до половины залить эпоксидным клеем.
Изготавливаем статор
Сначала необходимо намотать 9 катушек по 60 витков, для этого используют эмалированный медный провод диаметром 1 мм.
Далее катушки спаивают между собой: начало первой катушки с концом четвертой, четвертая с седьмой. Вторая фаза точно так же соединяется через две катушки, только спаивать начинают со второй катушки. Соединение третьей фазы начинается с третьей катушки.
Из фанеры изготавливается форма, в нее укладывают пергаментную бумагу, сверху которой кладут кусок стекловолокна и катушки.
Все это заливается эпоксидной смолой. Через 24 часа из формы извлекается готовый статор.
Сборка генератора
Все части генератора готовы, осталось их только собрать.
Сам генератор будет крепиться к кронштейну с хабом с помощью шпилек. Детальнее рассмотрим процесс сборки.
Этапы сборки генератора:
Хаб (фланец с подшипниками) нужно приобрести отдельно: нижняя часть хаба должна быть диаметром под 1,5 дюймовую трубу.
Очередность крепления всех деталей более детально представлены на схеме ниже:
1 — соединительный элемент; 2 — опора лопастей; 3 — верхняя часть ротора; 4 — магнит; 5 — втулка; 6 — статор; 7 — нижняя часть ротора; 8 — гайка; 9 — шпилька; 10 — хаб; 11 — ось; 12 — кронштейн для крепления статора
Изготавливаем лопасти
Лопасти можно изготовить из дерева, стеклоткани и других материалов. Быстрее и легче эту часть ветрогенератора смастерить из канализационной ПВХ трубы. Лучше использовать трубы оранжевого цвета, так как они обладают хорошей плотностью и не боятся попадания прямых солнечных лучей.
Для вертикального ветрогенератора понадобится 4 лопасти из ПВХ трубы и 2 ортогональные (изогнутые) лопасти из оцинкованной жести. Такая конструкция позволит вращаться ветряку даже в условиях слабого ветра со скоростью 2–3 м в секунду. Берем метровые отрезки ПВХ трубы и разрезаем их вдоль на 2 равные части. Из жести вырезаем полукруги по размерам будущей лопасти и крепим их с помощью болтов по краям трубы.
Крепят лопасти по кругу на каркас, его можно сварить из профильной квадратной трубы 20х20 и уголков 25х25. Размеры каркаса и расстояние между лопастями можно увидеть на схеме ниже:
Сборка конструкции ветрогенератора
Из водопроводных труб различного диаметра сваривается мачта, высота ее зависит от местности, где будет располагаться ветрогенератор, и условий его эксплуатации, но в любом случае он должен быть выше крыши дома.
Заранее под секционную мачту нужно подготовить трехточечный армированный фундамент. К готовой мачте на земле прикручивается генератор. Далее к генератору прикрепляется болтами каркас с лопастями. Мачта с ветряком крепится к фундаменту с помощью двух шарнирных опор и посредством лебедки поднимается в вертикальное положение. После подъема мачты третья опора с помощью болта прикручивается к основанию ветряка. Дополнительно мачту нужно зафиксировать с помощью растяжки.
Электрическая часть
Ветряк будет выдавать 3-х фазный переменный ток. С помощью мостового выпрямителя, состоящего из 6 диодов, преобразовываем его в постоянный ток.
Это дает возможность заряжать аккумулятор на 12 В. Для контроля зарядки аккумулятора и предотвращения его перезарядки используют стандартное реле зарядки автомобиля РР-380.
К аккумулятору подключают инвертор, который позволяет преобразовать полученные 12 В постоянного тока в 220 В переменного частотой 50 Гц.
Результат работы ветряка: расчет эффективности
Тестовые испытания ветрогенератора при разной скорости ветра показали следующие результаты:
- при скорости ветра 5 м/с получаем 60 об/мин — 7 В и 2,3 А = 16 Вт;
- при скорости ветра 10,6 м/с получаем около 120 об/мин — 13 В и 3,4 А = 44 Вт;
- при скорости 15,3 м/с примерно 180 об/мин — 15 В и 5,1 А = 76,5 Вт;
- при скорости ветра 18 м/с получаем 240 об/мин — 18 В и 9 А = 162 Вт.
В основном ветряк выдает 16–45 Вт, так как ветер более 15 м/с бывает редко. Однако, если поставить скоростной винт, тогда можно получить более высокие результаты .
Ветроустановки помещают на мачты разных типов, отличающихся конструкцией и материалом. Типы изделий по конструкционным особенностям:
- на растяжках – металлических тросах;
- конические секционные – составные модели в форме конуса;
- гидравлические – сложные устройства с большим количеством элементов;
- телескопические.
В зависимости от материала изготовления выделяют деревянные и металлические мачты для ветряка.
Высокая производительность установки возможна при высоте размещения лопастей не менее 8 м. В этом случае выбирают составную модель. При сооружении мачты для ветрогенератора своими руками придется выбирать тип изделия в соответствии с особенностями расположения участка.
На растяжках
Их изготавливают из металлических труб, поддерживаемых растяжками. Такие модели применяются для ветряков, имеющих мощность не более 5 кВт. Изделия сооружают из труб диаметром от 12 см. При выборе меньшего диаметра изделие окажется неустойчивым.
Обзор крепления мачты на растяжках
Особенности моделей на растяжках:
- Трубы соединяют болтами через приваренные фланцы. Не следует крепить их сваркой. Соединения при помощи болтов надежнее.
- Питающий кабель проводят в полости трубы. Снизу в ней делают отверстие для вывода провода.
- Изделие поднимают лебедкой.
- Устойчивость повышается при установке вспомогательных растяжек из троса 6 мм.
- Такие опоры для ветряка устанавливают на фундамент. Конструкцию крепят к основанию на анкерные болты. Растяжки устанавливают на 4 фундамента.
Перед монтажом ветряка опорам дают выстояться в течение месяца.
К преимуществам моделей на растяжках относят сравнительно невысокую стоимость. Среди недостатков выделяют сложность монтажа и обслуживания ветряной установки, а также большую площадь размещения растяжек.
Конические секционные
Каждая секция такой опоры представляет собой соединенные друг с другом 4 уголка. Дополнительно их скрепляют диагональными перемычками.
Конические, секционные мачты
- невысокий уровень вибрации;
- маленькая площадь монтажа;
- надежность.
К недостаткам относят дороговизну установки, необходимость использования крана для массивной конструкции. Для опоры ветрогенератора средней и высокой мощности такие изделия подходят идеально.
Гидравлические
В состав конструкции входит основание и мачта конической формы. Такие модели выбирают для ветряков мощностью до 50 кВт. Их высота достигает 30 метров.
К плюсам установки гидравлической конструкции относится простота монтажа и обслуживания. Недостатки – процесс изготовления сложный и дорогой. Такие мачты среди всех ветрогенераторов без растяжек отличаются наибольшей прочностью.
Телескопические
Некоторые производители предлагают для установки ветряка телескопические модели. Их удобство заключается в возможности часто опускать и поднимать установку.
Обзор телескопических мачт
Однако в случае с ветрогенераторами необходимости в этом нет. На телескопическую опору получится установить ветряк мощностью не более 1-2 кВт. Однако стоимость будет довольно большой.
По материалу изготовления
Ветроустановка обладает большой массой, а конструкция в целом испытывает серьезные ветровые нагрузки. Однако ее лучше делать высотой от 3-4 метров. Опора должна выдерживать сильные порывы ветра и не раскачиваться. Поэтому для ее монтажа лучше не выбирать дерево. В таком случае придется создавать много дополнительных опор, что делает конструкцию громоздкой.
Основной материал изготовления мачты — металлические трубы
Для мачт предпочитают металлические трубы, имеющие высокую жесткость. Установить изделие не так сложно, а соорудить его можно самостоятельно. Лучший выбор – сделать опору из стального сплава. Трубы должны иметь диаметр не меньше 11-13 см.
Основание для опоры
Любая мачта для эффективного ветрогенератора обладает большим весом, поэтому под ней устраивают прочный фундамент. Чем выше ветроустановка, тем прочнее делают основание.
Обзор фундаментных опор
Место для заливки фундамента выбирают исходя из учета ветров и расположения препятствий. Для основания расчищают площадь габаритами 2х2 м. Перед заливкой роют котлован глубиной не менее 70 см. На дне ямы делают подушку из щебня и песка высотой 40 см (по 20 на каждый материал). В этом случае гарантируется устойчивость башни ветрогенератора.
На подушку заливают бетон. Основание должно возвышаться над уровнем грунта на 15 см. Для надежного основания выбирают марку бетона М-400. Толщина фундамента после первой заливки составляет 40 см. Спустя 12 часов этим же раствором заливают оставшуюся часть основания. Опоры устанавливают по прошествии 30 суток.
Производители
Приобрести модель, соответствующую требуемым характеристикам, можно через сайт производителя. Достаточно позвонить по указанному телефону или обратиться в поддержку через форму обратной связи.
Заключение
Мачты для ветрогенераторов должны отвечать требованиям прочности, устойчивости и эффективности. Они отличаются конструкцией и стоимостью. Выбирать опору следует в зависимости от мощности ветряка и особенностей его установки.
Читайте также: