Ветряки
Все хотят киловатты — кто 5 (скромненько), кто 10, кто 15 … Причём сразу, попроще (подешевле) и понадёжнее!! Практика показывает, что альтернатив реальных всего две (с осью, параллельной ветру, т.е. горизонтальной) - или трёхлопастный пропеллер, или многокрыл. Попробуем разобраться, что кому подходит. Начнём с хорошо известной таблицы зависимости получаемой мощности от скорости ветра и диаметра ветроколеса при КИЭВ=0,35
Рисунок 1. Таблица зависимости получаемой мощности от скорости ветра и диаметра ветроколеса.
Какой у Вас ветер — Вы уже знаете, и его скорости, и сколько дней в году и откуда именно он дует, и будет-ли Ваш ветряк видеть горизонт по всему горизонту … Смотрим таблицу (сразу уточнение – а почему диаметр колеса до 10 метров? – потому, что если Вы способны соорудить колесо размером больше, чем до крыши трёхэтажного дома, то Вы есть «крутой» профессиональный ветрякостроитель и на этом форуме Вам делать явно нечего), мелочи ниже киловатта Вас не интересуют, а Ваш среднегодовой ветер – 4 м/сек, видите – Вам нужно колесо диаметром 10 м, как раз до крыши трёхэтажного дома. Предположим теперь, что на Вашей фазенде ветер 5 м/сек – уже полегче, для того-же киловатта колесо всего каких-то 7 метров диаметром. Но, может, занесла Вас судьбинушка высоко в горы, или на островок в океане и Вы можете наслаждаться среднегодовым ветром 7 м/сек (свят, свят) - тогда маааленькое такое колёсико в какие-то жалкие 4,5 м диаметром - и целый киловатт Ваш, в среднем, разумеется. Ну а где-же 5 киловат, или 10 –15 ? – а в таблице, и только в ней (не у самодельщика)… Это всё я к тому, что самодельщик должен исходить не из желаемых киловатт, а из своих реальных возможностей сделать ветроколесо. Вы можете сделать лопасть длиной 5 метров (лучше из дерева), да выдержав точность профиля в ±100 микрон в каждой точке, да в трёх экземплярах? Извиняюсь, конечно – вопрос чисто риторический. А какую лопасть Вы берётесь сделать и с какой точностью (а неточный профиль даже того КИЭВ в 0,35, что в таблице, не даст)?. 1,5 метра? – это более-менее реально, тогда с 6 метрового ветра аж 300 ватт удастся снять!
Придумано в США в начале второй половины 19 века для водоподъёма и производятся по сегодня (см. например ). Основное отличие от пропеллера – многокрыл тихоходен (Z=1-2) и это определяет все остальные его свойства (сравнительно с пропеллером подобного диаметра):
1. Безшумность – само колесо на фоне шума ветра вообще не слышно, если что и звучит, то другие движущиеся части;
2. Устойчивость к турбулентности;
3. Отсутствие вибраций;
4. Плавно и чётко отрабатывает заходы ветра (даже в подветренном варианте);
5. Страгивание – при ветре 2 и менее м/сек;
6. Высокий крутящий момент, с самого начала вращения сдвинет любой генератор и любой (почти) мультипликатор.
7. И главное - такое колесо может сделать каждый, и 4-метровое и 6- и 8-метровое. Не на кухне конечно, сарай нужен или гараж. Причем конструкция эта не слишком требовательна к точности изготовления – при аккуратной работе 0,35 КИЭВ гарантирован.
Это остудит людей, которые мечтали о холодильнике стиралке и т.д.
А теперь к реалиям =)
Данная установка планировалась как очередной эксперимент по изготовлению самодельного ветрогенератора из подножных материалов. Их в избытке можно найти в любом гараже, со списанных механизмов и прочего металлолома, которому еще в умелых руках можно дать вторую жизнь. Что из этого получилось, самому мне судить сложно, так как любой мастеровой в своей работе всегда видит кучу недостатков. Поэтому выкладываю материалы по изготовлению и полученным результатам на суд посетителей данного сайта.
Все расчеты и исполнение зависело от марки применяемого генератора. Эта деталь одна из основополагающих в конструкции любой ветроэлектроустановки. Не секрет что в настоящее время найти необходимый по всем параметрам генератор или мотор на постоянных магнитах очень сложная задача и поэтому выбор пал на генератор Г99.3701 применяемый в тракторной технике и обеспечивающий самовозбуждение от встроенных магнитов.
Характеристики генератора:
номинальная мощность - 1000 W;
номинальное напряжение - 28 V;
максимальный ток нагрузки - 36 А;
начало возбуждения - 1250 об/мин.;
номинальная частота вращения - 4500 об/мин.;
масса (не более) - 6,8 кг.
Стоимость его, на момент постройки, не превышала 50 $ в перерасчете с национальной валюты, и по ценовым параметрам выглядел очень интересным для использования. Все производители «ветряков» номинальную мощность заявляют при скорости ветра 10-11 м/с., и я взял за основу этот показатель. При этих скоростях ветра расчет показал, что ветроколесо должно быть 3-х метровым, а повышающий редуктор 1 к 40. Ветроколесо решил использовать 12 лопастное, лопатки из 3мм. алюминия профилированы в желобок с круткой. Ширина лопатки 200 мм., длина 1200мм. Углы установки сечений можно увидеть в прилагаемой таблице, профиль лопатки на странице “Ветроустановка 1.6м”. Чтобы дать прочность ветроколесу, применен обод, изготовленный из тонкостенной стальной трубки диаметром 16мм.
Вал ветроколеса установлен на двух шариковых подшипниках, и через резиновую муфту от автомобиля ВАЗ соединен с редуктором у которого коэффициент передачи 1 к 31. Далее через клиноременную передачу вращение передается на генератор. Передаточный коэффициент шкивов составляет 1,3, в результате чего общий коэффициент передачи составляет округленно 1 к 40. Можно было выбрать и другую компоновку, но данное решение позволило без больших затрат проверить на практике расчетную часть путем изменения размеров шкивов. Больше всего меня огорчил редуктор, он был такой тугой, что я его еле проворачивал рукой за вал, но стоило снять с него сальники, он вращался как детская игрушка. Но отказаться от сальников, не было ни какой возможности, ограничился только тем, что снял с них пружины. Какое то улучшение дало, но незначительное. Не имея другого редуктора, решил увеличить немного момент и увеличил диаметр ветроколеса до 3,1 метра.
Поворотный узел выполнен на одном коническом и одном шариковом подшипнике. Увод из под ветра для ограничения мощности и буревая защита выполнена путем смещения оси мачты относительно оси ветроколеса.
Хвостовое устройство изготовлено из тонкостенных труб диаметром 16 мм. шарнирно соединенное с поворотной платформой, и уравновешено пружинами. Усилие пружин также рассчитывается. Ранее применялась только одна пружина и свобода отклонения хвоста только в одну сторону, и это создавало, при резком изменении направления ветра, большие гироскопические моменты из за большой массы ветроколеса. Сейчас откланяется хвостовое устройство, а затем спокойно подтягивает за собой ветроколесо.
На оперение в разное время использовались разные материалы, но в последнем варианте использование ячеистой поликарбонатной плиты мне кажется предпочтительней всего. Легкий и прочный материал.
Рисунок 2. Пример ветряка.
Токосъемных колец и щеток для передачи энергии от генератора не использую. Провод свободно опускается внутрь мачты.
Мачта, в зависимости от того, где устанавливался ветроагрегат, использовалась двух видов: одна цельная, поднимается лебедкой и фиксируется к стене строения, вторая телескопическая, и поднимается автомобильным домкратом с фиксацией растяжками.
Рисунок 3. Конструкция ветряка.
Расчетные размеры в описании приводить не буду, так как вряд ли кто-то будет воспроизводить эту конструкцию в таком виде. Основная задача, поделится решениями и результатами. А если кого заинтересует данный опыт, то все расчеты которыми я пользуюсь, найдете на этом сайте и рассчитает свою конструкцию самостоятельно. Хочу отметить, что производимые работы позволяют уточнять и вносить поправки в расчетные приложения. Поэтому они периодически будут обновляться. Обращайте внимание на дату последних обновлений.
Что показали испытания данной конструкции:
1 - редуктор вносит свою лепту в стартовый момент. Начало вращения происходит только при 3 м/с., хотя для сравнения, 6 лопастная 1,6 метровая установка в тех же условиях начинает вращение при 2 м/с. Морально этот факт немного угнетал.
2 - реле регулятор, штатно установленный в генераторе пришлось исключить. При наборе оборотов, самовозбуждение происходит лавинообразно, и приложенная мощность начинает тормозить ветроколесо до срыва генерации, и далее процесс повторяется. Для устранения этого недостатка, что только я не использовал, и ШИМы применял и контроллеры программировал, пытаясь интеллектуально управлять, но лучший результат оказался более простым. Убрал реле регулятор, вместо него поставил 20 ватный резистор на 40 Ом., и генератор стал себя вести подобно мотору на постоянных магнитах. По мере роста напряжения, увеличивался и ток на обмотку возбуждения.
Рисунок 4. Электрическая схема ветряка.
После этого при 3,5 – 4 м/с ветрогенератор стал выдавать первый ампер тока на 24 вольтовые аккумуляторы. Более точно вычислить довольно сложно, так как массивное 20 кг. колесо работает как маховик и сглаживает непостоянство ветра
Рисунок 5. Таблица расчета ветротурбины.
()
