Как я построил ветряной генератор. Часть 1. Выбор электромотора

Ветрогенератор на заднем дворе

Настоящий ветрогенератор — это слишком дорого в том случае, если его планируется использовать для решения простых домашних задач, не требующих большой мощности. Если всё, что нужно — это немного энергии для LED-освещения или для проекта, основанного на Raspberry Pi Zero, это как-то несоразмерно довольно серьёзным деньгам, которые придётся заплатить даже за небольшой ветряк. То же касается и школьных экспериментов, время и деньги, уходящие на организацию которых, обычно стараются свести к минимуму. Школы часто стеснены в средствах.

В этом материале мы расскажем о том, как создать собственный маленький ветрогенератор. Делать мы его будем из велосипедных запчастей и из того, что можно купить в строительном магазине. Стоимость проекта находится где-то в районе $80-150. На создание генератора уйдёт 8-16 часов. При ветре, который чуть сильнее «слабого ветра» по шкале Бофорта, наш генератор способен дать около 1 ватта мощности. Этого достаточно для того чтобы зарядить небольшую батарею, а значит, энергия у нас будет и в безветренную погоду.

Домашний ветрогенератор

Описываемая здесь маленькая ветряная турбина — это, по сути, экспериментальный проект, в ходе работы над которым можно освоить основы ветроэнергетики. Эту турбину нельзя назвать абсолютно надёжным источником энергии. Не стоит ждать от неё чудес! Кроме того, учитывайте, что сильный ветер опасен для нашей турбины. Эта машина не рассчитана на нормальную работу при таком ветре. Он её, скорее всего, разрушит. Поэтому турбину стоит убирать в плохую погоду. В частности, нужно учитывать то, что её обломки, носимые ветром, могут кого-нибудь поранить.

В отличие от типичных коммерческих турбин с горизонтальной осью вращения, оснащаемых тремя лопастями, закреплёнными на горизонтальном валу, в нашем проекте используется вертикальный вал ротора. Это избавляет нас от необходимости в механизме, учитывающем направление ветра, и сильно упрощает проект турбины. Наш генератор, в сущности, представляет собой велосипедное колесо, смонтированное на вертикальной стойке, которое связано с электрическим генератором. В роли лопастей ротора используются восемь «полутруб», вырезанных из дешёвых пластиковых (PVC) канализационных труб и прикреплённых к ободу колеса.

Турбина начинает вращаться при достижении ветром силы, примерно соответствующей 2 баллам (около 6 км/ч) по шкале Бофорта (смотрите таблицу ниже). Если сила ветра достигает 5 по шкале Бофорта (около 30 км/ч), турбина даёт около 1 ватта мощности (по нашим измерениям — 147 мАч при 6,7 В).

Шкала Бофорта (по материалам Википедии)

Шкала силы (скорости) ветра, используемая в наши дни, разработана в 18 веке британским моряком Сэром Френсисом Бофортом (1774 — 1857). Но его нельзя назвать первым, кто приложил усилия к созданию подобной шкалы. Шкале Бофорта предшествовали другие работы, в частности, характеризующие силу ветра по его воздействию на лопасти ветряных мельниц (инженер Джон Смитон, 1759). В том же направлении работал британский географ и гидрограф Александр Далримпл (1737 — 1808). Ещё более ранние шкалы силы ветра созданы астрономом Тихо Браге (1582), естествоиспытателем Робертом Гуком (1663) и Даниэлем Дефо (1704) — купцом, мятежником, шпионом и автором «Робинзона Крузо». В 1829 году Френсис Бофорт был назначен гидрографом Британского Адмиралтейства и передал свою шкалу всем, кому она могла понадобиться. С тех пор шкала Бофорта стала стандартным инструментом для измерения силы ветра.

Материалы и инструменты

• Переднее велосипедное колесо диаметром 28 дюймов и электрический генератор. Я купил новый генератор на eBay за €40, но в Европе часто встречаются подержанные генераторы. В США можно найти такой на eBay, а можно купить дешёвую динамо-втулку Shimano и установить её в старое колесо.
• 2 4-дюймовые PVC-трубы (условный проход трубы — 110 мм) длиной 2 метра. Я использовал тонкостенные трубы, но то, какими именно они будут, особой роли не играет.
• 16 крепёжных винтов с гайками и с большими шайбами. Длина и диаметр винтов зависят от характеристик обода колеса.
• Стальная водопроводная оцинкованная труба диаметром 1 1/2 дюйма с резьбой по обоим концам. Её длина (высота мачты ветряка) подбирается самостоятельно и зависит от условий, в которых придётся работать генератору.
• Стальная трубопроводная арматура для водопроводной трубы 1 1/2 дюйма. Торцевая заглушка (она совершенно необходима) и тройник (необязательно).
• Повышающе-понижающий (buck-boost) преобразователь напряжения DC-DC, такой, как Mesa #DSN6009 4 A. Я рекомендую преобразователь с выходной мощностью 30 Вт.
• 2 электролитических конденсатора, 2200 мкф, как минимум 12 В.
• Мостовой выпрямитель. Минимум — 500 мА.
• Диод 1N4007.
• Термоусаживаемые трубки или изолента.
• Проволочные тросы и винты с петлями (необязательно). Всё это может понадобиться для фиксации мачты.
• Мешок цемента (необязательно). Может понадобиться для крепления мачты.

• Ножовка или электролобзик для резки тонких PVC-труб.
• Дрель со свёрлами для пластика и металла.
• Отвёртка и/или гаечный ключ и комплект насадок, подходящих для используемых винтов, гаек, болтов.
• Паяльник и припой.

Делаем ветрогенератор из велосипедного колеса

Начнём работу над ветрогенератором. Мы будем пользоваться мачтой, сделанной из стальной водопроводной трубы, которая, возможно, будет закреплена в земле с помощью бетона. Принимая решение о высоте мачты и о способе её крепления стоит почитать местные законы. Возможно, в зависимости от условий эксплуатации генератора, мачту понадобится закрепить с использованием растяжек.

▍1. Вырезание лопастей турбины

Мы использовали тонкостенные канализационные PVC-трубы (Рис. A). В Германии, где я живу, такие трубы окрашены в оранжевый цвет, в Северной Америке такие трубы обычно белого цвета.

Мы, с использованием пилы, можем вырезать 4 лопасти из одной двухметровой трубы (Рис. B). Нам нужно 8 лопастей. Постарайтесь резать трубы точно по центру. В идеале все лопасти должны иметь одинаковый вес.

▍2. Прикрепление лопастей к генератору

В роли генератора мы используем велосипедное колесо (обод) с закреплённым в нём генератором (Рис. C). Лучше всего подходят колёса с алюминиевым ободом, так как их легче сверлить. Если вы взяли колесо от старого велосипеда — не забудьте снять с него шину, камеру и тормозные диски.

Прикрепите к колесу лопасти так, как показано на Рис. D, используя 2 винта, гайки и большие шайбы. Лопасти должны быть распределены по ободу равномерно (возможно, вам в этом поможет подсчёт количества спиц между лопастями) и выровнены по центру обода.

▍3. Сборка мачты

Мачту мы будем делать из оцинкованной стальной водопроводной трубы с резьбой на обоих концах. В торцевой заглушке (Рис. E) надо просверлить 9-миллиметровое отверстие и прикрутить колесо к заглушке, пропустив через это отверстие ось генератора с резьбой (Рис. F ниже). После того, как мачта будет надёжно закреплена (!), можно прикрутить к ней заглушку.

В деле надёжной установки мачты может пригодиться тройник, прикрученный к той части трубы, которая будет закреплена в земле и залита бетоном. Тройник позволит надёжно зафиксировать мачту в бетоне. При этом вес бетона должен быть достаточно большим для того чтобы поддерживать и фиксировать мачту. Вся конструкция должна быть надёжно закреплена. В результате, если ожидается буря, можно просто открутить нижнюю часть мачты от бетонного основания и убрать турбину в безопасное место.

Не стоит недооценивать силу, с которой ветер воздействует на окружающие предметы. Эта сила возрастает пропорционально кубу (третьей степени) скорости ветра! Поэтому, если нужно, зафиксируйте мачту с помощью растяжек.

▍4. Сборка электронных компонентов

Наша ветроэлектростанция рассчитана на зарядку свинцово-кислотного аккумулятора с помощью тока, генерируемого динамо-машиной. Используемый нами электрогенератор вырабатывает переменный ток, который мы преобразуем в импульсный постоянный ток, используя мостовой выпрямитель. Этот ток, для его сглаживания, передаётся на два электролитических конденсатора ёмкостью 2200 мкф.

Сглаженный постоянный ток затем подаётся на повышающе-понижающий преобразователь (на eBay он стоит примерно $10), который используется в роли регулятора зарядки аккумулятора. Он преобразует входное напряжение, находящееся в диапазоне от 1,25 до 30 В, в заданное постоянное напряжение. Мы установим выход конвертера на 0,7 вольта выше конечного напряжения заряда аккумулятора (для компенсации прямого напряжения диода). Диод 1N4007 нужен для того чтобы предотвратить обратный ход тока от аккумулятора к конвертеру.

Например, 6-вольтовый свинцово-кислотный аккумулятор имеет напряжение зарядки 7,2 В. Учитывая необходимость добавления прямого напряжения диода, которое равняется 0,7 В, конвертер нужно установить на выходное напряжение в 7,9 В.

Электрическая нагрузка (это может быть что угодно, например — светодиод) будет подключена к выходам аккумулятора. Учитывайте то, что эта нагрузка должна поддерживать выходное напряжение, установленное на конвертере. Сам генератор может быть способен дать лишь небольшой ток, а батарея может выдать несколько ампер. Последствия короткого замыкания могут быть весьма печальными (может случиться пожар). Для того чтобы предотвратить несчастные случаи, нужно, независимо от того, что именно вы подключаете к ветрогенератору, принимать соответствующие меры безопасности.

Штормовое предупреждение!

После того, как электронные компоненты генератора собраны, всё готово к тому, чтобы превратить силу ветра в электроэнергию! Теперь перед вами раскрываются возможности владельца ветрогенератора.

Наш генератор, правда, это всего лишь экспериментальное устройство, недорогая практическая демонстрация принципов работы ветряных турбин, которая может найти применение, например, в школах. Эта турбина не рассчитана на работу при сильном ветре. Когда турбина не используется, или если сила ветра превышает 6 по шкале Бофорта, всю конструкцию нужно разобрать и куда-нибудь спрятать.

Велосипедное колесо и лопасти из труб не рассчитаны на постоянное использование, в особенности — при сильном ветре. Вы можете сами усилить конструкцию в том случае, если хотите, чтобы ветрогенератор работал бы на постоянной основе. (Правда, надо сказать, что моя конструкция оказалась прочнее, чем я ожидал. Я оставил её в саду и она работала там при любой погоде — до тех пор, пока не вышла из строя одна из растяжек. Тогда мачта рухнула и сломалась одна из лопастей турбины.)

Если вас интересует тема ветрогенераторов — можете взглянуть на этот материал и посмотреть это видео. Загляните на этот сайт, посвящённый генератору Chispito. Вот и вот — ещё пара полезных ресурсов.

Как я построил ветряной генератор. Часть 1. Выбор электромотора

Несколько лет назад я стал владельцем собственности в глухом уголке Аризоны. Я астроном, и нуждался в таком месте, где ночные огни городов не мешали бы моему занятию. Но место было настолько диким, что услуги электрических компаний оказались недоступными. С одной стороны, не так уж и плохо. Нет электричества – нет засветки неба. Но, с другой стороны, хоть немного электричества не помешало бы. Слишком сильно мы зависим от него в 21 веке.
Первое, что я заметил, поселившись в новом месте, это ветер, который дует почти непрерывно. И, в первые же дни, у меня возникла идея установить ветряную турбину, которая давала бы хоть немного электроэнергии, а позднее дополнить ее несколькими панелями солнечных батарей. Дальше я расскажу, как сделал это. Не дорогую, покупную турбину, а самодельную, которая не стоит почти ничего. Если у вас есть какие-то навыки работы руками и минимальные познания в электронике, вы тоже сможете ее сделать.

Конструирование ветряка я начал с поиска в Гугле информации о самодельных турбинах. Я нашел множество описаний, самых различных по конструкции и по сложности. Пять элементов были общими для всех вариантов:

• Генератор
• Ветроколесо
• Устройство, разворачивающее ветроколесо к ветру
• Мачта
• Аккумуляторы и электроника управления

Проект я урезал до пяти небольших частей. Если заниматься каждой последовательно, проект выглядит относительно простым. Мои исследования в Интернете показали, что очень многие делали свои собственные генераторы. Это показалось мне слишком сложным, по крайней мере, для первого раза. Остальные использовали моторы постоянного тока с постоянными магнитами. Такой вариант явно был проще, и я приступил к поиску подходящих моторов.

Как показалось, многие предпочитают использовать моторы накопителей на магнитной ленте от старых компьютеров. Лучшими, по видимому, были несколько моторов, выпускавшиеся фирмой Ametek. А наиболее подходящим из них, для использования в качестве генератора, был мотор 99 В DC. К сожалению, достать такие моторы в наши дни практически невозможно. Хотя есть много других моторов Ametek, некоторые из которых все еще можно приобрести, скажем, на Ebay.

Вероятно, еще есть немало моторов с постоянными магнитами, разных изготовителей и моделей, которые можно было бы использовать в качестве генераторов. Но, при выборе мотора помните, что двигатель постоянного тока с постоянными магнитами может работать генератором, но его никогда не конструировали как генератор. Поэтому генераторы из них неважные. Некоторые моторы совсем не годятся. Используемые в качестве генераторов, моторы, как правило, вынуждены вращаться со скоростью намного большей, чем та, для которой их рассчитывали.
Мотор, который необходимо выбрать, должен быть рассчитан на максимальное напряжение питания, максимальный ток, и иметь минимальную скорость вращения. Держитесь подальше от низковольтных или высокооборотных моторов. Вам необходим мотор, способный обеспечить 12 В при невысокой скорости вращения, и отдавать достаточный ток. Можно ожидать, что мотор с номинальной скоростью вращения 325 об/мин и номинальном питании 30 В, включенный генератором, сможет вырабатывать +12 В. С другой стороны, мотор с номинальной скоростью 7200 об/мин и номинальном питании 24 В, вероятнее всего, не сможет дать вам 12 В, т.к. скорость его вращения слишком велика для ветряной турбины.

Мой опыт строительства ветрогенератора и солнечных батарей

Здравствуйте, меня зовут Александр, я из Украины. Представляю вашему внимаю мой опыт знакомства с альтернативной энергией от ветра и солнца. Цель строительства всего этого просто желание иметь свое электричество, чтобы не зависеть от перебоев и отключений электросети. Пока я строил свой ветрогенератор попутно так-же сделал самодельные солнечные батареи. Покупал наборы для самостоятельной сборки, распаял все элементы (подглядел как это делают в интернете), в качестве основы использовал оконные пластиковые рамы. Ниже на фото две самодельные панельки. Номинальный ток зарядки одной 8 Ампер.

Две таких солнечных батарей дают ток зарядки при чистом небе до 16А, это 16*14=224ватта/ч. За световой день только с них одних набегает более киловатта энергии.

Для солнечных батарей приобрёл контроллер CM6024Z, это контроллер на 60Ампер 12/24вольт, ниже его фотография

Так-же купил инвертор (преобразователь 12/220вольт) мощностью 2000ватт.

Ветрогенератор я решил строить вертикального типа так-как такие ветряки очень хвалили в интернете, писали что они бесшумные, и дают больше энергии на малом ветру. Я решил делать все основательно и по серьезному, по этому ветроколесо получилось диаметром 4.5м. Ветроколесо установлено на крыше гаража, а генератор внутри, привод к генератору проходит через потолок. На фото видно что я дополнительно установил экраны чтобы направлять потоки ветра непосредственно на лопасти — тем самым думаю эффективность должна быть лучше.

Одна из фотографий редуктора и генератора. На фото не совсем понятно что к чему, но в общем в первоначальном варианте редуктор был 1:29, который крутил генератор. Генератор самодельный, сделан по образу и подобию автомобильного генератора, только увеличен в три раза. Так-же 36 катушек, на роторе 24 круглых магнита размером 30*10мм. Статор в первый раз был намотан тонким пповодом, зарядка начиналась сразу как только ветроколесо начинало вращаться, но ток зарядки был небольшой. Как выяснилось это из-за слишком большого сопротивления генератора. Потом было еще много переделок.

Далее я уже пробовал переделывать катушки, перепаивал на разные подключения, но всё это меня не устраивало. Даже порезал автомобильный диодный мост чтобы выпрямлять отдельно фазы и соединять последовательно и параллельно. Потом я перемотал статор еще раз, чтобы уменьшить сопротивление, потом снова переделывал редуктор, сделал 1:9. Но в общем особого толка так и не было. Проблема была в том что мое огромное ветроколесо еле крутилось, на слабом ветру всего 3-5 оборотов в минуту, а на сильном до 20об/м. Редуктор отнимал не мало мощности, да ещё залипание магнитов на статор мешало ветроколесу стартовать.

В итоге вопреки ожиданиям зарядка начиналась не на слабом ветру и ток зарядки был небольшой 2-5 А всего, максимум что я видел это 12А. Но я хотел большей мощности. С этим ветряком я провозился много времени, но потом меня всё-таки уговорили сделать горизонтальный ветряк с винтом. Ну чтож, с вертикалкой я уже замучился что сил нет, а толку нет, вот и подумал что хуже уже не будет. Ну и начал переделывать, перенёс генератор на крышу сварив мачту. На фото ниже начало.

Далее из алюминиевой трубы диаметром 140мм вырезал шесть лопастей длинной по 1,5м, лопасти немного разогнул, так, как-будто это труба 200мм. Винт диаметром 3 метра получился. Стартует отлично, кажется даже раньше чем моя вертикалка, видел на этом винте ток с генератора до 12А.

Вопреки описаниям в интернете горизонтальный винт работал явно лучше и совсем не шумел. Но на этом я не остановился, совместно мы пришли к тому что винт довольно большой для этого генератора и с перебором по мощности, так-как даже короткое замыкание фаз его не останавливало.

Далее лопасти ветрогенератора были укорочены до диаметра 2.6м, и подрезаны для большей быстроходности.

Эта переделка дала значительный эффект, винт стал намного оборотистей. Генератор стал давать больше тока зарядки. На как оказалось винт перестал стартовать на слабом ветру. Обычно если на улице лёгенький ветерок 2-3м/с, то ветряк крутился, а сейчас если винт толкнешь, то он работает. Но на слабом ветру стал давать ток заряда 2-6А, вертикалка кстати вообще ничего не давала при таком ветре и крутилась со скоростью 3-5 оборотов в минуту, здесь уже результат.

После последней переделки винт стал намного быстрее крутится, раза в три быстрее. Периодически ток зарядки уходит за 10 Ампер, при этом я не сказал бы что ветер сильный, по прогнозу 5-7м/с, но думаю что 7м/с нет. А пока собрал еще две солнечные батареи и теперь их стало 4шт.

Так-же добавлю фото моего самого первого генератора. Это дисковый аксиальный генератор — который широко разрекламирован в интернете. Но у меня из него ничего путного не вышло, вот и начал строить уже другой генератор со статором из железа.

Залипание текущего генератора не давало покоя, хотелось чтобы винт стартовал раньше и крутился всегда когда есть ветерок. Были мысли увеличить расстояние между статором и магнитами чтобы уменьшить залипание. Но пока вот по возможности увеличиваю ёмкость своих аккумуляторов. Сегодня привёз списанные аккумуляторы, в них ещё есть ёмкость, значит мне ещё послужат.

Так-как залипание генератора мне не давало покоя я решил в очередной раз переделать генератор. В итоге вырезал из ОСП диск под катушки, намотал новые катушки и вклеил по периметру. Теперь вместо 36 катушек я сделал 24 катушки, получился однофазный генератор. Теперь никакого залипания вообще не будет. Испытания показали что зарядка начинается слишком рано и винт не успевает раскручиваться до своей быстроходности. Чтобы уменьшить напряжение я распаял генератор по две катушки в параллель.

После переделки винт стал набирать бешеные обороты, но ток зарядки видел 16А, винт теперь кажется снова недогружен так-как сильно разгоняется, так что аж лопастей не видно. После небольших переделок ветряк выдавал до 20А, потом подул ветерок по сильнее и мультиметр не выдержал и сгорел. Винт без нагрузки набрал просто ужасные обороты, еле дождался когда ветер немного стихнет чтобы остановить винт. Вот это сила у ветра, я такого не ожидал, вертикалка кажется была намного слабее. Тем временем мне еще привезли 6 списанных банок и теперь у меня стало вот такое количество Б/У аккумуляторов.

Подул ветерок, передали до 10м/с, но думаю что больше 8м/с не-было, да еще сосны ветряк загораживают, но видел максимум 24А на зарядку аккумуляторов. Показания фиксировал недавно купленным ваттметром, ниже фото. Максимально фиксировал ток зарядки 26 Ампер. Сейчас сделал защиту ветряка и при 20А ветряк уходит в защиту. На обычном ветре ток зарядки до 10Ампер доходит, что считаю очень неплохо так-как крутит и днём и ночью.

Конечно если бы я все описывал, то получилась бы целая книга о моих «мучений» с ветряком, но вкратце вот так. В итоге ветряк работает и заряжает аккумуляторы. Со своей энергией я стал экономить 30-40% всей потребляемой домом энергией. В планах строительство еще более крупного ветряка, так-что на этом не останавливаюсь.

Источник https://habr.com/ru/company/ruvds/blog/546046/

Источник https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=61074

Источник http://e-veterok.ru/vetryak-samodelny.php