Оптимальные лопасти для ветрогенератора: вид, форма, материалы и инструкция по изготовлению своими руками

Оптимальные лопасти для ветрогенератора: вид, форма, материалы и инструкция по изготовлению своими руками

Существующие цены на ветрогенераторы и окупаемость не соответствуют возможностям большинства владельцев загородных домов, дачных участков. Жителям отдаленных районов, где сетевой электроэнергии до сих пор никогда не было, приобрести подобное оборудование еще сложнее, поскольку они лишены информации о нем и не могут получить достаточно подробные сведения о качестве, характеристиках и прочих параметрах оборудования для использования энергии ветра.

Приходится изготавливать ветровые устройства самостоятельно, опираясь на экспериментальные результаты или отрывочные сведения, почерпнутые из разных источников. Рассмотрим важный вопрос, возникающий при создании ветряка — устройство лопастей.

Как работает простой ветрогенератор?

Существует два типа ветрогенераторов:

• горизонтальные
• вертикальные

Разница состоит в расположении оси вращения. Наиболее производительными считаются горизонтальные конструкции, напоминающие своими формами самолет с пропеллером. Винт — это крыльчатка ветряка, хвост — устройство наведения на поток ветра, автоматически разворачивающее ось по направлению движения воздуха.

При воздействии ветра на крыльчатку возникает вращающий момент, передающийся на ось генератора. В его обмотках возбуждается электроток, который заряжает аккумуляторные батареи. Они, в свою очередь, отдают заряд на инвертор, изменяющий параметры тока и выдающий на потребляющие приборы стандартное напряжение 220 В 50 Гц.

Существуют более простые комплексы, где с генератора запитываются сразу потребители, но такая система никак не защищена от скачков или пропадания напряжения. Вариант используется только для освещения или привода насосов, качающих воду.

Какая форма лопасти является оптимальной?

Основной элемент горизонтального ветряка — крыльчатка. Она больше всего напоминает пропеллер, хотя выполняет абсолютно противоположные функции. Лопасти принимают на себя энергию воздушного потока, перерабатывая ее во вращательное движение. От их конфигурации напрямую зависит эффективность работы крыльчатки и всего комплекта в целом.

Горизонтальные устройства имеют крыльчатки, снабженные большим количеством лопастей. Обычно их больше 3. В этом вопросе существует зависимость числа лопастей от производительности. Дело в том, что с возрастанием числа принимающих плоскостей падает мощность крыльчатки, а с убыванием — чувствительность. Поэтому выбирают «золотую середину», принимая среднее число лопастей.

Важно! Большое число лопастей увеличивает фронтальную нагрузку на устройство, создавая опрокидывающее усилие на основании мачты и сильное осевое давление на крыльчатку, разрушающее подшипники генератора.

На практике создано большое количество разных устройств, имеющих форму крыльчатки от простых секторов окружности, немного развернутых по радиусной оси, до сложных вариантов с тщательно просчитанной аэродинамикой, испытанных в разных условиях. Результаты испытаний показали, что оптимальной формой является модель, приближенная к пропеллеру. Такая лопасть несколько расширяется от центра (обтекателя) крыльчатки и плавно сужается к концу.

Преимуществом этого вида является равномерное распределение нагрузок на опорный подшипник, поверхность лопасти и всю систему ветряка в целом. Поток ветра воздействует на все участки с одинаковой силой, но, если расширить лопасть к концу, то получится достаточно длинный рычаг, перегружающий подшипник и выламывающий лопасти. Отсюда возникла такая форма, с небольшими изменениями используемая практически на всех ветряках.

Вариантов или видов лопастей для горизонтальных ветряков существует немного. Причина этого кроется в самой конструкции крыльчатки — создавать сложные формы или конфигурации там попросту негде. Тем не менее, разработки наиболее удачного варианта ведутся постоянно, на сегодня можно выделить несколько видов:

• твердолопастные крыльчатки

Твердые лопасти изготавливаются из различных материалов сразу в определенной форме, парусные имеют совершенно другую конструкцию. Основой является рамка, на которую натягивается плотное полотно таким образом, чтобы одна из сторон была не прикреплена к рамке. Получается лопасть треугольной формы с одной стороной (от центра к одной из вершин), не закрепленной к основе.

Поток ветра создает давление на парус и придает ему оптимальную форму для схода с плоскости, в результате чего колесо начинает вращаться. Вариант имеет преимущество в массе и весе колеса, но нуждается в постоянном наблюдении за состоянием ткани и крыльчатки в целом.

Для самостоятельного изготовления обычно используют подручные материалы. Учитывая сложный профиль лопастей, хорошим вариантом становится использование листового металла или пластиковых труб.

Расчет лопастей

На практике мало кто вычисляет параметры лопастей, поскольку для этого надо обладать специальной подготовкой и располагать данными. Большинство значений, нужных для расчетов, необходимо сначала отыскать, некоторые из них и вовсе будут известны только после запуска ветряка. Кроме того, для большинства видов до сих пор нет математической модели вращения, что делает расчеты бесполезными.

Чаще всего производится подбор диаметра крыльчатки по требующейся мощности, выполняемый по таблице:

Как вариант, можно использовать онлайн-калькулятор, позволяющий получить готовый результат за секунды, надо только подставить в окошечки программы собственные данные.

Необходимо учитывать, что расчеты такого устройства, как крыльчатка, не будут иметь достаточной точности из-за большого количества тонких эффектов и неизвестных величин, поэтому, чаще всего, прибегают к экспериментальному подбору формы и размера.

Материал для изготовления

Прежде, чем начать работы по созданию крыльчатки, надо определиться с материалом. Выбор производится из того, что имеется в наличии, или из материалов, более знакомых пользователю и доступных для обработки. Требования к материалу для изготовления лопастей:

• прочность
• малый вес
• легкость обработки
• возможность придания нужной формы или наличие ее у заготовки
• доступность

Из всех возможных вариантов опытным путем были выделены несколько наиболее удачных. Рассмотрим их подробнее.

Трубы ПВХ

Использование канализационных труб ПВХ большого диаметра позволяет быстро и недорого получить вполне качественные лопасти. Пластик не боится воздействия влаги, легко обрабатывается. Самым ценным качеством является наличие у заготовки формы ровного желоба, остается лишь правильно отрезать все лишнее.

Простота изготовления и дешевизна материала в сочетании с эксплуатационными качествами пластика сделали трубы ПВХ самым ходовым материалом при изготовлении самодельных ветряков. К недостаткам материала можно отнести его хрупкость при низких температурах.

Алюминий

Лопасти из алюминия долговечны, прочны и не боятся никаких внешних воздействий. При этом, они тяжелее, чем пластиковые и требуют тщательной балансировки колеса. Кроме того, работа с металлом, даже таким податливым, как алюминий, требует наличия навыков и подходящего инструмента.

Затрудняет работу и форма материала — чаще всего используется листовой алюминий, поэтому мало изготовить лопасти, надо придать им соответствующий профиль, для чего придется сделать специальный шаблон. Как вариант, можно сначала изогнуть лист по оправке, затем приступить к разметке и резке деталей. В целом, материал более устойчив к нагрузкам, не боится температурных или погодных воздействий.

Стекловолокно

Такой выбор — для специалистов. Работа со стекловолокном сложна, требует навыков и знания множества тонкостей. Порядок создания лопасти включает в себя несколько операций:

• изготовление деревянного шаблона, покрытие его поверхности воском, мастикой или иным материалом, отталкивающим клей
• изготовление одной половины лопасти. На поверхность шаблона наносится слой эпоксидки, на который тут же укладывается стеклоткань. Затем снова наносится эпоксидка (не дожидаясь засыхания предыдущего слоя) и опять стеклоткань. Таким образом создается одна половина лопасти нужной толщины
• подобным образом изготавливается вторая половина лопасти
• после застывания клея половинки соединяются при помощи эпоксидки. Стыки зашлифовываются, в торец вставляется втулка для присоединения к ступице

Технология сложна, требует времени и умения работать с материалами. Кроме того, эпоксидная смола имеет неприятное свойство закипать в больших объемах, что создает постоянную угрозу испортить всю работу. Поэтому выбирать стеклоткань следует только опытным и подготовленным пользователям.

Древесина

Работа с деревом достаточно хорошо знакома для большинства пользователей, но создание лопастей — задача достаточно сложная. Мало того, что форма изделия сама по себе непроста, так еще и потребуется изготовить несколько одинаковых неотличимых друг от друга образцов.

Решение такой задачи по плечу далеко не всем. Кроме того, готовые изделия надо качественно защитить от воздействия влаги, пропитать олифой или маслом, покрасить и т.д.

Древесина обладает массой отрицательных качеств — она склонна к короблению, растрескиванию, гниению. Впитывает и легко отдает влагу, что изменяет массу и баланс крыльчатки. Все эти свойства делают материал не лучшим вариантом выбора для домашнего мастера, поскольку лишние осложнения никому не нужны.

Создание лопастей поэтапно

Рассмотрим наиболее распространенный вариант изготовления лопастей. В качестве материала используется труба ПВХ диаметром порядка 110-160 мм:

• отрезаются куски трубы по длине лопастей
• вдоль отрезка наносится линия, от которой в обе стороны отмеряются 22 мм. Получится 44 мм — ширина одной лопасти
• с противоположного торца делается то же самое
• крайние точки с одной стороны центральной линии соединяются по прямой. Со второй стороны наносится рисунок формы лопасти
• вырезается лопасть, свободный конец аккуратно закругляется, кромки обрабатываются наждачной бумагой или напильником
• лопасти присоединяются к ступице

Форма лопастей имеет следующее строение:

• торцевые части одинаковы по ширине — 44 мм
• посередине ширина лопасти составляет 55 мм
• на расстоянии 0,15 длины ширина лопасти составляет 88 мм

Полученные точки соединяются прямой линией, затем оформляются более плавными переходами, руководствуясь полученными очертаниями. Изготавливается шаблон, по которому вырезаются все лопасти, имеющие одинаковую форму. Для присоединения к ступице необходимо просверлить пару отверстий под винты (шурупы).

Они должны на всех лопастях находиться в одинаковых точках, чтобы не нарушался баланс крыльчатки. Готовое колесо требуется тщательно отбалансировать, установив его на ось и, свободно вращая, отыскать участок с нарушениями баланса. В этом месте следует понемногу стачивать лопасть до момента полного уравновешивания крыльчатки.

Как сделать самые простые лопасти ветрогенератора

При сборке ветрогенератора из подручных материалов для получения бесплатной электроэнергии существует трудность в изготовлении лопастей, способных реагировать даже на слабые порывы ветра. Без хорошей крыльчатки даже заводской генератор не будет работать должным образом. Сделать эффективные лопасти можно очень дешево из доступных материалов.

Что потребуется:

• крыльчатка вентилятора радиатора от автомобиля;
• пластиковая канализационная труба 100 мм;
• болты, гайки, шайбы.

Процесс изготовления лопастей

В качестве основы лопастей ветрогенератора послужит крыльчатка вентилятора радиатора. Ее можно очень дешево купить на любой авторазборке. Это намного проще, чем придумывать и делать самодельное крепление. Чтобы она заработала на ветрогенераторе от ветра, необходимо только удлинить ее лезвия.
Для этого потребуется отрезок канализационной трубы 50-100 см, что зависит от размера имеющегося генератора.

Полученные отрезки складываются вместе и стягиваются по краям саморезами, что позволит их обрабатывать вместе.

Это, во-первых, ускорит процесс, а во-вторых, позволит получить абсолютно одинаковые лезвия, что важно для балансировки. Для удобной обработки можно не рисовать плохо заметную разметку, а приклеить вместо нее изоленту, чтобы обрезать заготовкии по ней.

Заготовки подрезаются так, чтобы получить оптимальную форму для захвата ветра. Для этого ближе к основанию они должны быть широкими, а к кончикам сужаться. В начале сложенных лезвий просверливаются 2 монтажные отверстия.

Далее нужно зачистить кромки разделенных заготовок наждачной бумагой или напильником, чтобы они скользили по воздуху лучше. Подготовленные лезвия прикручиваются к лопастям автомобильной крыльчатки. Нужно использовать по 2-3 крепления с шайбами, чтобы порывы ветра не сломали пластик.

Желательно срезать выступающую часть лопастей крыльчатки радиатора, так как они только утяжеляют конструкция, при этом на ветер практически не реагируют. Если используемая крыльчатка радиатора рассчитана не на 4, а 8 лезвий, то они делаются из 2-х отрезков труб. При этом важно при придании им формы сложить все 8 заготовок вместе и соединить, чтобы они получились абсолютно одинаковыми.

Смотрите видео

Лопасти для ветряка на 3D-принтере (создание ветрогенератора, часть 1)

Уже 15 лет, как мечта построить ветрогенератор оставалась нереализованной. Казалось бы, давно канули в лету попытки электрифицировать дачу с помощью бочки и генератора от жигулей, хотя нет, до сих пор людям не дает покоя публикация в «Юном технике» 80-х

Но современные технологии вдохнули новую жизнь в старую идею. И подход будет куда более научным.

Для начала, я построил ультразвуковой анемометр с вычислением энергии ветра. Полевые испытания не за горами.

Теперь следует определиться с типом ротора — горизонтальный или вертикальный- это скорее вопрос религии и тема для холиваров.

Поэтому безо всяких обьяснений скажу- я выбрал ротор Дарье с вертикальной осью, вот такой:

Но конструкция на фото имеет мощность 5 килоВатт и размеры лопастей уж никак не вмещающиеся в область печати Прюши — 200×200х200мм.

А мне этого и не надо, поскольку можно использовать концепцию гирлянды ветряков:

Тогда задача сводится к выбору размера «базовой ячейки» и доводке ее энергоэффективности. Это кстати избавит от траты «всех денег» в случае фэйла — изготовление ротора с ометаемой площадью 1 квадратный метр по карману даже студенту.

Кстати, мощность, снимаемая с одной ячейки должна получиться от 100Вт(при скорости ветра 8м/с), что может стать хорошим решением для рыбаков/туристов/охотников.

Но вернемся к нашим баранамветрякам — нужно создать 3D-модель профиля NACA-0021/0012, используемого в роторах Дарье с 50-х годов прошлого века.

Найти уже готовый чертеж данных профилей в формате SVG не составляет труда:

Но он же плоский, как сделать его обьемным?

Элементарно! Для этого подойдет даже простейший инструмент для 3D-моделирования. Я воспользовался онлайн-ресурсом tinkercad.com, импортировал туда чертеж, и получил рыбу-вомера 8-0

Но ведь мы помним соотношение хорды(длины) к толщине — выставив его получаем искомую картину.

Теперь остается выставить требуемую высоту, отверстия под резьбовые шпильки(на них я буду собирать экпериментальную версию) и гнезда под гайки:

Все, остается экспортировать готовую модель в STL-формате и нарезать любимым слайсером (у меня- CURA)

Теперь последуют эксперименты с разной длинной хорды относительно диаметра ротора(обычно 10-18%), числом лопастей (2/3/4) и их относительной толщиной. Напомню, у меня диаметр ротора будет 1м, начну с коротких(хорда-10см) и «толстых»(21%) лопастей, 2 шт.

Для начала критерием эффективности послужит количество оборотов ротора без нагрузки, ибо «индекс скорости»/быстроходность является косвенным критерием КПД/КИЭВ.

Просто как правило, Коэффициент Использования Энергии Ветра прямо пропорционален быстроходности (скорость лопасти относительно ветра — от 3х для Дарье), что в переводе на круговое движение дает RPM.

Но не все так просто — больше всего вопросов вызывает сам генератор и редуктор.

Для метровой турбины просится зубчатая ременная передача с натяжителем (передаточные числа до х10), но об этом в следующей публикации.

А пока что 3D-принтер днями и ночами не остужая экструдера печатает 166-мм участки лопастей для грядущей энергонезависимости ульев

Да-да, я не забросил эту тему (у меня уже 2 улья с живыми пчелами и свой мед), просто некоторое время вел ее на отдельном сайте.

Источник https://energo.house/veter/lopasti-dlya-vetrogeneratora.html

Источник https://sdelaysam-svoimirukami.ru/6448-kak-sdelat-samye-prostye-lopasti-vetrogeneratora.html

Источник https://habr.com/ru/post/594153/