Вопросы энергонезависимости беспокоят умы не только руководителей государств, предприятий, но и отдельно взятых граждан, владельцев частных домов. С увеличением монополии и тарифов производителями электроэнергии, народ ищет эффективные альтернативные источники питания. Одним из таких источников считается ветровой генератор.

Основные элементы в системе ветрового генератора

Существует много моделей, вариантов от разных производителей, но как показывает практический опыт, не всегда они доступны по цене и качеству для широкого круга потребителей. При наличии информации, определенных знаний электротехники и практических навыках, ветрогенератор доступно сделать своими руками.

Принцип работы и основные элементы

Работа самодельного ветрогенератора ничем не отличается от промышленных моделей, принципы действия заложены те же самые. Энергия ветра преобразуется в механическую энергию вращением ротора генератора, который вырабатывает электричество.

Основные элементы конструкции (рис. выше):

• пропеллер с лопастями;
• вал вращения, по которому крутящий момент передается на ротор генератора;
• генератор;
• конструкция крепления генератора на месте установки;
• если необходимо, для увеличения оборотов вращения ротора может устанавливаться редуктор или ременная передача между валом с пропеллером и валом генератора;
• для преобразования переменного тока генератора в постоянный используется преобразователь, выпрямительный диодный мост, ток с которого поступает для подзарядки аккумуляторной батареи;
• аккумуляторная батарея, от которой электроэнергия поступает через инвертор к нагрузке;
• инвертор преобразует постоянный ток аккумулятора с напряжением 12 В или 24 В в переменный с напряжением 220 В.

Конструкции пропеллеров, генераторов, редукторов и других элементов могут отличаться, иметь различные характеристики, дополнительные приборы, но в основе системы всегда присутствуют перечисленные составляющие.

Выбор и изготовление своими руками

По конструктивному исполнению существует два типа оси, вращающей ротор генератора:

• генераторы с горизонтальной осью вращения;

Генератор с горизонтальной осью вращения

• генераторы с вертикальной осью вращения.

Роторный ветрогенератор с вертикальной осью вращения

Горизонтальные оси вращения

Каждая конструкция имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее распространенный вариант – с горизонтальной осью. Эти модели имеют большой КПД преобразования энергии ветра во вращательные движения оси, но есть определенные трудности в расчетах и изготовлении своими руками лопастей. Обычная плоская форма лопасти, которая применялась на старинных ветряных мельницах, малоэффективна.

Для использования максимальной энергии ветра при вращении оси, лопасти должны иметь крыловидную форму. На самолетах форма крыла за счет силы встречного ветра обеспечивает подъемные потоки. В рассматриваемом случае силы этих потоков будут направлены на вращение вала генератора. Пропеллеры могут быть с двумя, тремя, и большим количеством лопастей, чаще всего встречаются конструкции с тремя лопастями. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить необходимую скорость вращения.

Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения должны постоянно быть повернуты плоскостью пропеллера на фронт встречного потока ветра. Для этого требуется применять хвостовое оперение флюгерного типа, которое под действием ветра, как парус, разворачивает всю конструкцию пропеллером к встречному ветру.

Вертикальные оси вращения

Основным недостатком этого варианта является низкий КПД, однако это компенсируется более простой конструкцией, которая не требует изготовления дополнительных элементов для поворота лопастей к ветру. Вертикальное расположение оси и лопастей позволяет использовать энергию ветра для вращения с любого направления, эту конструкцию проще сделать своими руками. Вращение вала осуществляется более стабильно, без резких скачков скорости.

Среднегодовые скорости ветров на территории России неодинаковы. Наиболее благоприятные условия для работы ветрогенераторов – 6-10 м/с. Таких районов немного, в основном преобладают ветра 4-6 м/с. Для увеличения скорости вращения приходится применять редукторы и учитывать высоту, розу ветров на местности установки генератора.

Пример изготовления ветрогенератора

Рассматривается вариант с вертикальной осью вращения.

Ветровая турбина своими руками

Самый простой вариант для производства лопастей – использовать металлическую бочку на 50-200 л. В зависимости от количества необходимых лопастей, бочка распиливается болгаркой сверху вниз на 4 или 3 равные части.

Вертикальные лопасти из металлической бочки

Можно просто использовать листы оцинкованного кровельного железа, которые легко вырезать нужной формы своими руками, используя ножницы по металлу.

Вертикальные лопасти из листового железа

В дальнейшем лопасти крепятся на верхней части оси вращения. Основой для их крепления могут быть деревянные диски из шестислойной фанеры.

Надежнее использовать металлическую раму из прямоугольного профиля, к которой болтами прикручиваются лопасти.

Пример размещения вертикальных лопастей

Пример крепления лопастей к платформе

Рама или диски жестко крепятся на ось вращения, сама ось вставляется в муфты с подшипниками, которые надежно установлены в каркасе вышки или крыши здания, на котором размещается генератор.

Установка оси с лопастями на вышке

Наглядное изображение установки вертикальной оси вращения на крыше здания

1. Турбина с вертикальными лопастями.
2. Платформа стабилизации оси с двухрядным шариковым подшипником.
3. Растяжки стального троса Ø 5мм.
4. Вертикальная ось, стальная труба Ø 40-50мм, толщина стенок не менее 2 мм.
5. Рычаг регулятора скорости вращения.
6. Лопасти аэродинамического регулятора сделаны из фанеры или пластика толщиной 3-4 мм.
7. Тяги, которыми регулируется скорость вращения, количество оборотов.
8. Груз, вес которого устанавливает скорость вращения.
9. Шкив вертикальной оси для ременной передачи, широко используется велосипедный обод от колеса, без камеры и покрышки.

• Опорный подшипник.
• Шкив на оси ротора генератора.

На нижний конец оси крепится шкив для ременной передачи или шестерни для редуктора, это необходимо для увеличения скорости вращения ротора. Практика показывает, что при скорости ветра 5 м/с вращение вала с горизонтальными лопастями от бочки будет не более 100 об/м. При скорости ветра 8-10 м/с вращение достигает до 200 м/с. Этого очень мало для того, чтобы генератор выдавал необходимую мощность для зарядки аккумулятора.

Редуктор соотношением 1:10 позволяет добиться необходимой скорости вращения.

Установка шкивов ременной передачи

Низкооборотный генератор

Для преобразования механической вращательной энергии в электричество проще всего использовать автомобильные генераторы. Но обычные генераторы от легковых автомобилей для ветряков не рекомендуются по причине наличия щеток в их конструкции. Графитовые щетки снимают ток, наводящийся на роторе, в процессе эксплуатации они стираются и требуют замены. Кроме того, такие генераторы высокооборотистые, для выработки напряжения 14 В с током до 50А требуется 2000 и более оборотов.

Более эффективные генераторы для ветряков от тракторов и автобусов Г.964.3701 с магнитным возбуждением обмоток. Они не имеют щеток, работают на более низких оборотах. Генератор Г288А.3701 имеет три фазы, используется для электроснабжения транспортных средств в совокупности с аккумулятором. Имеет хорошие характеристики для использования в системах ветрогенераторов:

• вырабатывает напряжение 28 В;
• встроенный выпрямитель выдает постоянный ток до 47 А;
• мощность на выходе до 1.3 кВт;
• на холостом ходу вращение 1200 об/м;
• при токовой нагрузке в 30А требуется 2100 об/м.

Генератор имеет подходящие габариты и массу:

• общий вес 10 кг;
• диаметр 174 мм;
• длина 230 мм.

Генератор с МАЗа – 24В

Генераторы такого типа используются на транспорте КАМАЗ, Урал, КРАЗ, МАЗ с двигателями ярославского завода ЯМЗ 236, 238, 841, 842 и ЗМЗ 73. В целях экономии финансов, можно купить бывший в употреблении генератор на пунктах разборки. Для выработки большей мощности электроэнергии при низких оборотах можно сделать генератор своими руками на ниодимовых магнитах, но это отдельная тема и требует более подробного описания.

Последовательность сборки

1. В первую очередь монтируется вышка или конструкция крепления генератора на крыше здания. Крепится вертикальная ось во втулки с подшипниками, устанавливаются лопасти.

1. После установки оси с лопастями на нижней части фиксируется шкив для ременной передачи.
2. На уровне шкива оси, к специально подготовленной платформе, крепится генератор с шкивом для ремня на вале ротора. Шкивы генератора и оси с лопастями должны устанавливаться на одном уровне.

Диаметр шкива на оси должен быть примерно в 10 раз больше диаметра шкива на вале генератора. Исходя из условий, что расчетная скорость ветра примерно 10 м/с, даст скорость вращения оси до 200 об/м.

Используется формула:

Wr = Wos x Dosd, где

• Wr – скорость вращения шкива генератора;
• Dos – диаметр шкива на вертикальной оси;
• d – диаметр шкива на вале ротора генератора;
• Wos – скорость вращения шкива вертикальной оси.

Wr = 200 обм х 500мм/50 мм = 2000 об/м – достаточная скорость вращения, чтобы генератор выбранного типа выдал необходимую мощность.

1. Натягивается ремень, для этого в платформе крепления генератора должны быть прорези, как на креплении автомобиля.
2. Выходные провода генератора подключаются к клеммам аккумулятора.

Данные генераторы имеют встроенные выпрямители, на выходе постоянный ток, поэтому плюсовой красный провод крепится к клемме «+», а минусовой провод – к клемме «минус».

1. Вход инвертора 24В/220В подключается к аккумулятору, также с соблюдением полярностей.
2. Выход инвертора подключается к цепи с нагрузкой.

Видео. Ветрогенератор своими руками.

Имея необходимые материалы, практические навыки слесарных работ, используя готовые автомобильные генераторы с магнитным возбуждением обмоток, ветрогенератор несложно установить своими руками. Для изготовления генератора большей мощности на ниодимовых магнитах потребуются более глубокие знания в электротехнике и навыки сборки электрооборудования. Это один из самых простых способов собрать ветровой генератор своими руками.

Приток чистого воздуха в помещение обеспечивает вентиляционная система. Её эффективность зависит от внутренней тяги. При попадании в каналы воздуховода пыли и мусора, нормальная работа устройств нарушается. Чтобы исключить подобную вероятность на выходе трубы устанавливают дефлектор вентиляционный – прибор, формирующий тягу в вентканалах. Для чего нужен такой агрегат? – Данное устройство способно защитить шахты воздуховода от влаги, снега и дождя.

Обратите внимание ! Отсутствие указанного решения приводит к постепенному уменьшению диаметра трубы из-за того, что мелкие частицы мусора, пыли и жира накапливаются на стенках труб .

В продаже представлен широкий ассортимент моделей. Их устройство и принцип работы рассмотрены ниже. Самые простые модели можно изготовить своими руками.

Показать всё

Устройство вентиляционного дефлектора

Каждый турбодефлектор для вентиляции состоит из нескольких функциональных элементов:

• металлические стаканы (в стандартном варианте их 2);
• фиксирующие кронштейны для надёжного крепления;
• приточно-отводящий патрубок, который надевается на трубу и крепится при помощи хомута.

По форме наружный стакан отличается формой, расширяющейся у нижней части. Что касается нижнего, то он абсолютно ровный. Цилиндры надеваются один на другой, а у верхней части фиксируется крышка на стойках.

Внимание! Диаметр крышки должен быть больше выходного отверстия, чтобы избежать по падения осадков внутрь системы.

На рисунке ниже показаны составные части разных типов конструкций.

Обратите внимание ! Монтаж отбоев осуществляется таким образом, чтобы уличный воздух создавал дополнительный подсос через выемки между соседними кольцами. Благодаря этому можно ускорить отвод "тяжелого кислорода" из вентиляционной системы .

Устройства дефлектора в вентиляционной системе дома реализовано таким образом, что при направлении воздушных потоков снизу в верх, прибор срабатывает плохо: происходит его отражение от поверхности крыши, после чего кислород устремляется к газам, выходящим в верхней части отверстия. Этот недостаток типичен для всех агрегатов. Для его устранения требуются 2-х конусные решения, соединения между собой «мостиком».

Если ветер имеет боковое направление, то вывод воздушных масс осуществляется как снизу, так и сверху. Вертикальная направленность кислородам способствует оттоку снизу.

Что такое турбодефлектор? Вентиляция без электричества. Замена обычной системы вентиляции



Принцип действия дефлектора вентиляции

Дефлектор для вентиляции работает по простому принципу, вне зависимости от конструкции и модели аппарата:

• направленные потоки ветра ударяются о металлический корпуса;
• за счёт диффузоров воздух разветвляется, вследствие чего уровень давления понижается;
• в трубе системы тяга повышается.

Принцип действия устройства

Чем большее сопротивление создает основание корпуса, тем эффективнее отток воздуха в каналах систем. Принято считать, что качественнее работает аппарат, установленный на крышу под небольшим наклоном к горизонтальной плоскости. Специалисты констатируют – эффективность данных устройств определяется 3 факторами:

• конструкцией и формой корпуса;
• размером агрегата;
• высотой установки.

Какими бы надёжными и качественными не были вентиляционные дефлекторы, у них есть как преимущества, так и недостатки, на которых хотелось бы остановиться подробнее.

О «плюсах» и минусах дефлекторов

Как уже было сказано выше, зонтичные решения способны эффективно препятствовать попаданию грязи и осадков в воздуховоды. При грамотном подборе и профессиональной установке дефлектора улучшается вентиляция. КПД системы в целом увеличивается на 20%.

Вентиляционное устройство помогает создать или увеличить тягу воздуха в каналах вытяжной вентиляции

Совет ! Для регионов со слабыми ветрами рекомендуется оборудовать систему устройством для усиления притока и отвода воздуха. Оно исключит эффект «опрокидывания» тяги.

Устройства не лишены недостатков: при вертикальной направленности ветра, поток соприкасается с верхним участком конструкции, при этом воздух не может полноценно выводится на улицу. Чтобы исключить подобный эффект и были придуманы конструкции с 2 конусами. В зимний период на основании труб появляется наледь, поэтому необходимо регулярно проводить профилактические осмотры.



Виды дефлекторов

Проанализировав или бегло взглянув на виды дефлекторов, представленные на рынке, можно прийти в состояние лёгкого смятения от количества доступных решений.

С точки зрения конструкции устройства принято делить на несколько типов:

• ЦАГИ – тяга усиливается за счёт воздушного и теплового напора, высотному перепаду давления. Монтируется непосредственно в вентиляционный канал, что затрудняет профилактические осмотры и чистку;
• шарообразные или круглые (типа «Волпер»);
• решения Ханженкова в форме тарелки открытого типа – основное конструкционное отличие заключается в дополнительной стенке, расположенной вокруг воздуховода. Вытяжной зонт имеет форму тарелки;
• поворотные изделия (капюшон, сачок) – желоб для ветра, который вращается на специальном штоке. За счёт турбулентности тяга в канале усиливается;
• агрегаты, функционирующие по принципу, описанному Григоровичем;
• в виде звезды.

С точки зрения простоты конструкции и возможности реализации безоговорочное лидерство удерживает устройство вентиляции Григоровича. Он представляет собой несколько пар зонтов, скомпонованных в одной «тарелке», которая монтируется над стенкой канала.

Устройство Григоровича

В последние 2-3 года в продаже встречаются разнообразные изделия, не имеющие чёткой принадлежности к какому-либо виду: вращающийся дефлектор со спиралевидными лопастями, зонтик, агрегаты на подшипниках.

При выборе конкретной модели первостепенное внимание уделяют ее конструкции. Это один из ключевых параметров изделия. Определившись с конструктивным типом устройства, подбирается оптимальный размер агрегата для конкретного случая. Нужный аппарат легче выбрать, если дать ответ на простой вопрос – зачем устанавливается конструкция и для какого объекта.

Лучшие модели:

• ASTATO;
• ЦАГИ тарельчатого типа.

При выборе учитывают коэффициент потерь и разряжения воздуха. Из этого следует, что данные значения зависят от конкретной модели. Если речь идёт о решениях типа ДС, соответствующий коэффициент составит 1.4. Очевидно, что степень разряжения воздуха зависит от скорости ветра см, табл. ниже:

Таблица для подбора устройства

Вентиляционный дефлектор своими руками

Зная об устройстве и принципе работы прибора, многие хозяева решаются на изготовление вентиляционного дефлектора своими руками. С точки зрения собственноручной реализации, вариант изделия Григоровича вне конкуренции, поэтому мы рассмотрим реализацию именно этого варианта. Главное достоинство – работает такая вентиляция без электричества, круглый год.

Предварительно следует подготовить :

• нержавеющая сталь листового типа, можно заменить оцинкованной;
• электродрель;
• фиксирующие хомуты, болты, заклёпки и гайки;
• чертёжный инструмент для металлических поверхностей;
• циркуль;
• листовой картон;
• линейка;
• ножницы по металлу и бумаге.

Расчёт параметров устройства (Григоровича)

Даем вам самый простой вариант расчета, без всяких формул:

• высота дефлектора равна 1.6 диаметра дымохода.
• ширина диффузора равна на 1.2 раза больше, чем диаметр дымохода.
• ширина крышки равна двум диаметрам дымохода.

На основе имеющихся размеров и чертежей из картона вырезаются отдельные элементы дефлектора. Для создания вращающегося устройства требуются определенные навыки, поэтому лучше потренироваться на макетах и лишь затем приступать к металлическому аналогу.

Изготовление конструкции

Лекала необходимо приложить к металлическим листам, а после – обвести чертилкой. Далее алгоритм простой – ножницами по металлу вырезаем элементы и детали будущей конструкции. Отдельные части соединяются между собой заклёпками и болтами. Если механизм активный, то лучше зафиксировать детали сваркой.

Макеты дефлекторы для вентиляционных систем из картона

Чтобы надёжно закрепить ротационный колпак, следует подготовить несколько изогнутых металлических полос, которые возьмут на себя роль кронштейнов.

Крепим кронштейны при помощи клепок или болтов

Что касается обратного конуса, то его имеет смысл зафиксировать у зонта.

Дефлектор

Монтажные работы

Нижний из 2-х стаканов устанавливается на выводной дымоход. На него крепится верхний стакан. Для большей конструкцией устойчивости 2 части зажимаются хомутом, аналогичным образом поступают и с вытяжными отверстиями. Колпак прижимается подготовленными кронштейнами. Если речь идёт о регионе, где направление ветра часто меняется, имеет смысл оборудовать установку обратным конусом, который позволит агрегату полноценно работать при любых направлениях ветра.

Итак, в данной статье мы рассмотрели что такое дефлектор в вентиляции. Подытоживая, можно сказать – это простое и эффективное приспособление, улучшающее вентиляцию объектов любой сложности, будь то общественные здания или жилые дома. Небольшой элемент увеличивает производительность вентиляционной системы на 15-20%, надёжно защищая внутреннее пространство от осадков, мелких частичек, мусора и пыли.

В последнее время поклонники возобновляемых источников энергии отдают предпочтение вертикальным конструкциям ветряков. Горизонтальные уходят в историю. Дело не только в том, что смастерить вертикальный ветрогенератор своими руками легче, чем горизонтальный. Основным мотивом такого выбора является эффективность и надежность.

Преимущества вертикального ветряка

1. Вертикальная конструкция ветряка лучше ловит ветер: нет необходимости определять, откуда он дует и ориентировать лопасти под воздушный поток. 2. Установка такого оборудования не требует высокого его расположения, а это значит, что вертикальный ветряк своими руками будет легче обслужить. 3. Конструкция содержит меньше движущихся деталей, что повышает ее надежность. 4. Оптимальный профиль лопастей повышает КПД ветряка. 5. Многополюсный генератор, использующийся для выработки электроэнергии, является менее шумным.

Расскажем о том, как изготовить детали и собрать вертикальный ветрогенератор своими руками.

Алгоритм действий при изготовлении турбины своими руками

1. Опоры (верхняя и нижняя) лопастей представляют собой две концентрические окружности одинаковых по размеру. Изготавливают их из ABS пластика – вырезают лобзиком. В одной из них (она будет верхней) проделывают отверстие диаметром 300 мм.

2. Нижняя опора должна опираться на хаб, в качестве которой можно использовать ступицу легкового автомобиля. Для соединения деталей нужно разметить и высверлить 4 отверстия. 3. Собирая вертикальный ветрогенератор своими руками, особое внимание уделяют креплению лопастей. Для правильного расположения лопастей нужен шаблон. На нижней опоре чертим шестиконечную звезду (звезду Давида), углы которой будут находиться на краю окружности. Проецируем чертеж на верхнюю опору. Лопасти изготавливаем из тонкого листового металла в виде полоски длиной 1160 мм, ширина которых – чуть больше стороны луча звезды.

4. Крепят лопасти двумя уголками вверху и внизу, при этом они должны быть изогнуты так, чтобы образовалась четверть круга. Располагают их друг за другом по окружности, устанавливая на грани лучей.

Изготавливаем ротор

1. Основания для ротора диаметром 400 мм выпиливают из фанеры толщиной 10 мм. По внешнему радиусу с помощью жидких гвоздей или эпоксидного клея крепят постоянные неодимовые магниты с высокой индуктивностью. Располагают их аналогично цифрам на часовом циферблате (ровно 12 шт) с соблюдением полярности (их рекомендуется промаркировать). Чтобы магниты не сошли со своего места, их временно фиксируют распорками из деревянных клиньев.

2. Второй ротор делают аналогично и симметрично первому. Разница в полярности магнитов – она должна быть противоположной.

Как собрать статор

Статор собирается из 9-ти катушек индуктивности. Должно быть з группы последовательно соединенных катушек (по 3 шт. в группе): конец предыдущей соединяется с началом следующей (конфигурация «звезда»). Располагаются катушки симметрично в вершинах трех треугольников, вписанных в окружность. Намотка выполняется медным проводом 0,51 мм в диаметре (тип – 24 AWG). Необходимо 320 витков. Это позволит получить на выходе генератора напряжение 100 В при 120 об/мин. турбины. Вертикальный ветрогенератор своими руками можно смастерить с различными параметрами выходного напряжения и тока путем уменьшения/увеличения количества витков и диаметра намоточного провода статора. Витки катушек наматываются одинаково. Необходимо соблюдать направление намотки и отмечать ее начало и конец. Поверх наружного витка наносится эпоксидный клей и наматывается в четырех местах изолента – для препятствования разматыванию.

Правила и нюансы соединения катушек

Концы катушек необходимо очистить от лаковой изоляции. Соединения выполняются пайкой. Подготовленные таким образом катушки укладывают на бумажный лист, на который наносят схему их расположения (в соответствии с положением постоянных магнитов ротора). Фиксируют их скотчем. Все свободные поля бумаги (кроме центров катушек) заклеивают стеклотканью, заливая эпоксидную смолу с отвердителем. Выводы обмоток должны располагаться снаружи или внутри статора. Для крепления кронштейна в статоре проделывают отверстия.

Окончательная сборка и установка

На одну ось собираются (сверху – вниз): нижняя опора лопастей, диск с постоянными магнитами (верхнее основание ротора), статор, нижнее основание ротора и ступица. Все составляющие крепятся шпильками к кронштейну. Для хорошего контакта используем болты из нержавеющей стали. Доработав остальные мелочи, получаем готовое устройство. Вертикальный ветряк своими руками следует устанавливать на отрытой местности, там, где сила ветра наибольшая. Желательно, чтобы вблизи не было высоких сооружений. Тогда ветрогенератор будет эффективно вырабатывать электроэнергию, что поможет сэкономить средства.

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.

Дефлектор вентиляционный – это специальная насадка, монтируемая на верхний торец вытяжной трубы для защиты канала и облегчения процесса вентиляции. Ведь дефлектор перекрывает срез трубы, препятствуя проникновению осадков или мелкого мусора, и, одновременно с этим, создает в канале дополнительное вытяжное усилие, генерируемое за счет ветра, обдувающего эту насадку. Причем вытяжная труба может принадлежать как вентиляции, так и системе отвода продуктов горения из печи или котла (дымоходу).

Такая насадка работает на основе эффекта Бернулли – швейцарского механика, обнаружившего взаимосвязь между скоростью течения потока и статическим давлением в канале. Бернулли установил, что при возрастании скорости потока, провоцируемом сужением канала, давление в воздуховоде или трубопроводе падает, создавая разряжение в определенной области трубопровода.

То есть дефлектор «ловит» ветер, устремляющийся в узкий канал – диффузор, и провоцирующий падение давление в верхней части вентиляционного канала. В итоге разреженную пустоту под диффузором заполняет порция воздуха, затягиваемая вентиляционным каналом.

При этом правильный дефлектор может регулировать потоки воздуха в диффузоре и направление сброса среды, транспортируемой вытяжным трубопроводом. И при должных стараниях конструкторов этой насадки тяга в воздуховоде увеличивается на 15-20 процентов.

Собственно, из-за этих процентов и применяется дефлектор, с помощью которого можно нивелировать недостаточную высоту воздуховода или излишне скромные габариты вентиляционного канала.

Типовые разновидности дефлекторов

Для чего нужен дефлектор мы уже разобрались, поэтому далее по тексту мы рассмотрим разновидности конструкции подобных насадок. По конструкционным особенностям сортамент подобных изделий делят на четыре группы, в которые входят следующие насадки:

• Дефлекторы с плоской «крышкой» (навершием). Такие насадки можно изготовить даже своими руками. Ведь плоскую крышку можно попросту вырезать из листовой стали или меди, без затей с формирование конуса.
• Насадки со съемной крышкой, которые особенно востребованы в случае обустройства дымоходного канала, нуждающегося в периодической чистке.
• Дефлекторы с двухскатной (щипцовой) крышкой. Такие насадки обеспечивают максимальную защиту дымоходного или вентиляционного канала от снега и дождя.
• Насадки с шарообразным навершием, которые используются на «лицевой» стороне экстерьера. Такие дефлекторы обладают максимально эстетичными внешними формами и могут вписаться в любую стилистику дизайна кровли и фасада.

К наиболее востребованным моделям насадок относятся следующие изделия:

• Дефлектор вентиляционный серия 5.904.51 – эта модель выпускается в форме округлых или прямоугольных насадок, монтируемых на трубу диаметром от 200 до 1250 миллиметров или на профильный воздуховод габаритами от400х400 до 1000х1000 миллиметров. То есть в эту серию входят и бытовые и промышленные насадки. При этом дефлекторы серии 5.904.51 распространяются и в форме готовых изделий и в виде схем и чертежей, рассчитанных на самостоятельный раскрой и сборку изделия.
  
• Дефлектор вентиляционный ротационный – это типичная насадка с шарообразной крышкой. Однако под этим навершием сокрыт не только диффузор, но и крыльчатка – ветровая турбина, генерирующая дополнительное вытяжное усилие. В итоге производительность вытяжки увеличивается почти на 50 процентов, а вероятность «опрокидывания» потока воздуха уменьшается практически до нуля. Поэтому ротационные модели монтируют не только на дымоходах, но и на вытяжных каналах промышленной и бытовой вентиляции, фановых стояках канализации, отводах кровельных продухов и так далее. Диаметр вытяжной тубы, на которую монтируется такой дефлектор, изменяется в пределах от 200 до 900 миллиметров. Стоимость подобного изделия 3000-4000 рублей.
  
  
• Дефлектор вентиляционный ЦАГИ – это особая насадка, дополненная цилиндрическим экраном, в который «завернуто» классическое изделие с конической крышей. Диаметр воздуховода, готового принять дефлектор ЦАГИ, колеблется в пределах от 100 до 1250 миллиметров. Причем цилиндрический экран гарантирует отсутствие обратной тяги даже в воздуховодах самого большого диаметра. Стоимость бытового дефлектора ЦАГИ колеблется в пределах от 400 до 5000 рублей, в зависимости от габаритов изделия.
  
  
• Дефлектор Григоровича – классический вариант изделия, монтируемый не на трубу, а на насадку, выполненную в форме усеченного конуса. Причем и насадка, и классическая коническая крышка с распорками образуют единую конструкцию. Это самый распространенный вариант печного и вентиляционного дефлектора, который можно купить в любом магазине или изготовить своими руками.
  
  
• Двойной дефлектор Н-образной формы – представляющий собой классическую модель с необычным входным патрубком. Эта часть насадки выполнена в виде буквы «Н», в среднюю планку которой врезана труба, соединяющая изделий и вытяжку. То есть вместо одного дефлектора мы монтируем на вытяжной канал две насадки, увеличивая эффективность и производительность вытяжки как минимум вдвое.
  
  

Как видите: сортамент дефлекторов изобилует разными моделями и конструкционными схемами. При этом вы можете выбрать из этого разнообразия и высокопроизводительные, активные вентиляционные дефлекторы, и самодельный вариант, для изготовления которого нужно приложить минимум усилий.

Изготовление насадки начинается с расчетов ее габаритов. При этом мы должны понимать, что классический дефлектор состоит из следующих деталей:

• Входного патрубка, пропускные размеры которого должны совпадать с наружным диаметром трубы.
• Расположенного сверху внешнего цилиндра – диффузора, габариты которого должны быть не 30 процентов больше, чем пропускной диаметр воздуховода.
• Конического, шарообразного или плоского колпака, удерживаемого кронштейнами над диффузором. Габариты колпака должны быть больше пропускного диаметра вытяжки на 70-90 процентов.

Ну а по высоте дефлекторы вентиляционных систем должны быть не более полутора внутренних диаметров воздуховодов.

Определившись с габаритами можно приступать к раскрою листовой заготовки из оцинковки или нержавейки – черный прокат для дефлектора не годится. Причем вначале мы вычерчиваем развертки всех элементов конструкции – от входного патрубка до кронштейнов, – а затем переносим эти шаблоны на металл. Отделение заготовок от листа выполняется с помощью ножниц по металлу. Ну а если вы не можете сделать развертку по чертежу заготовки – воспользуйтесь готовыми чертежами и лекалами.

Сборку готовых элементов осуществляют на заклепки, саморезы, болты или сварку. Последняя технология, разумеется, гарантирует максимальную надежность, но «варить» тонкий листовой прокат умеет далеко не всякий сварщик. Поэтому оптимальной сборочной технологией является монтаж на заклепки.

При этом вначале мы собираем диффузор, далее крепим к нему кронштейны, удерживающие колпак, к которым монтируем эту деталь дефлектора. Далее мы крепим нижние кронштейны к входному патрубку и монтируем верхнюю часть этих распорок к конусообразному диффузору.