Воздушные массы обладают неисчерпаемыми запасами энергии, которую человечество использовало еще в давние времена. В основном сила ветра обеспечивала движение судов под парусами и работу ветряных мельниц. После изобретения паровых двигателей данный вид энергии потерял свою актуальность. Лишь в современных условиях ветровая энергия вновь стала востребованной в качестве движущей силы, прикладываемой к электрическим генераторам. Иногда бывает просто невозможно подключиться к линии электропередачи. В таких ситуациях хозяева конструируют и изготавливают ветрогенератор для частного дома своими руками из подручных материалов.
Теория идеального ветряка
Данная теория разрабатывалась в разное время учеными и специалистами в области механики. Впервые она была разработана В.П. Ветчинкиным в 1914 году, а в качестве основы использовалась теория идеального гребного винта. В этих исследованиях был впервые выведен коэффициент использования ветряной энергии идеальным ветряком.
Работы в этой области были продолжены Н.Е. Жуковским, который вывел максимальное значение данного коэффициента, равное 0,593. В более поздних работах другого профессора – Сабинина Г.Х. уточненное значение коэффициента составило 0,687.
В соответствии с разработанными теориями, идеальное ветряное колесо должно обладать следующими параметрами:
- Ось вращения колеса должна быть параллельна со скоростью ветрового потока.
- Количество лопастей бесконечно большое, с очень малой шириной.
- Нулевое значение профильного сопротивления крыльев при наличии постоянной циркуляции вдоль лопастей.
- Вся сметаемая поверхность ветряка обладает постоянной потерянной скоростью воздушного потока на колесе.
- Стремление угловой скорости к бесконечности.
Выбор ветроустановки
Выбирая модель ветрогенератор для частного дома следует учитывать необходимую мощность, обеспечивающую работу приборов и оборудования с учетом графика и периодичности включения. Она определяется путем ежемесячного учета потребляемой электроэнергии. Дополнительно значение мощности может определяться в соответствии с техническими характеристиками потребителей.
Следует учитывать и тот фактор, что питание всех электроприборов осуществляется не напрямую от ветрогенератора, а от инвертора и комплекта аккумуляторных батарей. Таким образом, генератор мощностью в 1 кВт способен обеспечить нормальное функционирование аккумуляторов, питающих четырехкиловаттный инвертор. В результате, бытовые приборы с аналогичной мощностью обеспечиваются электроэнергией в полном объеме. Большое значение имеет правильный выбор батарей. Особое внимание следует обратить на такие параметры, как емкость и ток зарядки.
При выборе конструкции ветряного двигателя учитываются следующие факторы:
- Направление вращения ветряного колеса – вертикальное или горизонтальное.
- Форма лопаток для вентилятора может быть в виде паруса, с прямой или криволинейной поверхностью. В некоторых случаях используются комбинированные варианты.
- Материал для лопаток и технология их изготовления.
- Размещение вентиляторных лопастей с различным наклоном, относительно потока проходящего воздуха.
- Количество лопастей, включенных в вентилятор.
- Необходимая мощность, передаваемая от ветряного двигателя к генератору.
Кроме того, необходимо учесть среднегодовую скорость ветра для конкретной местности, уточненную в метеослужбе. Уточнять направление ветра не требуется, поскольку современные конструкции ветрогенераторов самостоятельно поворачиваются в другую сторону.
Для большинства местностей Российской Федерации наиболее оптимальным вариантом будет горизонтальная ориентация оси вращения, поверхность лопаток криволинейная вогнутая, которую воздушный поток обтекает под острым углом. На величину мощности, забираемой от ветра, влияет площадь лопасти. Для обычного дома вполне достаточно площади 1,25 м2.
Число оборотов ветряка зависит от количества лопастей. Быстрее всего вращаются ветрогенераторы с одной лопастью. В таких конструкциях для уравновешивания используется противовес. Следует учитывать и тот факт, что при низкой скорости ветра, ниже 3 м/с, ветряные установки становятся неспособными забирать энергию. Для того чтобы агрегат воспринимал слабый ветер, площадь его лопастей должна быть увеличена как минимум до 2 м2.
Расчет ветрогенератора
Для того чтобы правильно рассчитать номинальную мощность ветряного генератора, необходимо соблюдать определенные правила.
Перед выбором ветрогенератора необходимо определить скорость и направление ветра, наиболее характерные в месте предполагаемого монтажа. Следует помнить, что вращение лопастей начинается при минимальной скорости ветра 2 м/с. Максимального КПД удается достичь, когда этот показатель достигает значения от 9 до 12 м/с. То есть, для того чтобы обеспечить электричеством небольшой загородный дом, потребуется генератор с минимальной мощностью 1 кВт/ч и ветер со скоростью не менее 8 м/с.
Скорость ветра и диаметр винта оказывают непосредственное влияние на мощность, вырабатываемую ветряной электроустановкой. Точно рассчитать эксплуатационные характеристики той или иной модели возможно с помощью следующих формул:
- Расчеты в соответствии с площадью вращения выполняются следующим образом: P = 0,6 х S х V3, где S – площадь, перпендикулярная направлению ветра (м2), V – скорость ветра (м/с), Р – мощность генераторной установки (кВт).
- Для расчетов электроустановки по диаметру винта применяется формула: Р = D2 х V3/7000, в которой D является диаметром винта (м), V – скорость ветра (м/с), Р – мощность генератора (кВт).
- При более сложных вычислениях учитывается плотность воздушного потока. Для этих целей существует формула: P = ξ х π х R2 х 0,5 х V3 х ρ х ηред х ηген, где ξ является коэффициентом использования ветровой энергии (безмерная величина), π = 3,14, R – радиус ротора (м), V – скорость воздушного потока (м/с), ρ – плотность воздуха (кг/м3), ηред – КПД редуктора (%), ηген – КПД генератора (%).
Таким образом, электроэнергия, производимая ветрогенератором, возрастает количественно в кубическом соотношении с повышающейся скоростью ветрового потока. Например, при повышении скорости ветра в 2 раза, выработка ротором кинетической энергии возрастет в 8 раз.
При выборе места установки ветрогенератора необходимо отдавать предпочтение участкам без больших построек и высоких деревьев, которые создают преграду для ветра. Минимальное расстояние от жилых домов составляет от 25 до 30 метров, в противном случае шум во время работы будет создавать неудобства и дискомфорт. Ротор ветряка должен быть расположен на высоте, превышающей ближайшие постройки не менее чем на 3-5 м.
Если подключение загородного дома к общей сети не планируется, в этом случае можно воспользоваться вариантами комбинированных систем. Работа ветряной установки будет значительно эффективнее при использовании ее совместно с дизель-генератором или солнечной батареей.
Как сделать ветрогенератор своими руками
Независимо от типа и конструкции ветрогенератора, каждое устройство в качестве основы, оборудуется похожими элементами. Во всех моделях имеются генераторы, лопасти из различных материалов, подъемники, обеспечивающие нужный уровень установки, а также дополнительные аккумуляторы и система электронного управления. Наиболее простыми для изготовления считаются агрегаты роторного типа либо аксиальные конструкции с использованием магнитов.
Вариант 1. Роторная конструкция ветрогенератора.
В конструкции роторного ветряного генератора используется две, четыре или более лопастей. Подобные ветрогенераторы не в состоянии полностью обеспечить электроэнергией большие загородные дома. Они используются преимущественно в качестве вспомогательного источника электричества.
В зависимости от расчетной мощности ветряка, подбираются необходимые материалы и комплектующие:
- Генератор с автомобиля на 12 вольт и автомобильный аккумулятор.
- Регулятор напряжения, преобразующий переменный ток с 12 до 220 вольт.
- Емкость с большими размерами. Лучше всего подойдет алюминиевое ведро или кастрюля из нержавеющей стали.
- В качестве зарядного устройства можно воспользоваться реле, снятым с автомобиля.
- Потребуется выключатель на 12 В, лампа заряда с контроллером, болты с гайками и шайбами, а также металлические хомуты с прорезиненными прокладками.
- Трехжильный кабель с минимальным сечением 2,5 мм2 и обычный вольтметр, снятый с любого измерительного устройства.
В первую очередь выполняется подготовка ротора из имеющейся металлической емкости – кастрюли или ведра. Она размечается на четыре равные части, на концах линий проделываются отверстия, чтобы облегчить разделение на составные части. Затем емкость разрезается ножницами по металлу или болгаркой. Из получившихся заготовок вырезаются лопасти ротора. Все замеры должны тщательно проверяться на соответствие размерам, в противном случае конструкция будет работать неправильно.
Далее определяется сторона вращения шкива генератора. Как правило, он вращается по часовой стрелке, но лучше это проверить. После этого роторная часть соединяется с генератором. Во избежание дисбаланса в движении ротора, отверстия для креплений в обеих конструкциях должны располагаться симметрично.
Чтобы увеличить скорость вращения края лопастей следует немного выгнуть. С возрастанием угла изгиба, потоки воздуха будут более эффективно восприниматься роторной установкой. В качестве лопастей используются не только элементы разрезанной емкости, но и отдельные детали, соединяемые с металлической заготовкой, имеющей форму окружности.
После крепления емкости к генератору, всю полученную конструкцию нужно целиком установить на мачте с помощью металлических хомутов. Затем монтируется проводка и собирается замкнутая электрическая цепь. Каждый контакт должен включаться в собственный разъем. После подключения проводка крепится к мачте проволокой.
По окончании сборки осуществляется подключение инвертора, аккумулятора и нагрузки. Аккумулятор подключается кабелем с сечением 3 мм2, для всех остальных подключений вполне достаточно сечения 2 мм2. После этого ветрогенератор можно эксплуатировать.
Вариант 2. Аксиальная конструкция ветрогенератора с применением магнитов.
Аксиальные ветряки для дома представляют собой конструкцию, одним из основных элементов которой являются неодимовые магниты. По своим эксплуатационным качествам они значительно опережают обычные роторные агрегаты.
Ротор является основным элементом всей конструкции ветрогенератора. Для его изготовления лучше всего подойдет ступица автомобильного колеса в комплекте с тормозными дисками. Деталь, находившуюся в эксплуатации, следует подготовить – очистить от грязи и ржавчины, смазать подшипники.
Далее необходимо правильно распределить и закрепить магниты. Всего их понадобится 20 штук, размером 25 х 8 мм. Магнитное поле в них расположено по длине. Четные магниты будут полюсами, они располагаются по всей плоскости диска, с чередованием через один. Затем определяются плюсы и минусы. Один магнит поочередно касается других магнитов на диске. Если они притягиваются, значит полюс положительный.
При увеличенном количестве полюсов, необходимо соблюдать определенные правила. В однофазных генераторах число полюсов совпадает с количеством магнитов. В трехфазных генераторах соблюдается пропорция 4/3 между магнитами и полюсами, а также соотношение 2/3 между полюсами и катушками. Установка магнитов выполняется перпендикулярно окружности диска. Для их равномерного распределения используется бумажный шаблон. Вначале магниты закрепляются сильным клеем, а потом окончательно фиксируются эпоксидной смолой.
Если сравнивать однофазные и трехфазные генераторы, то эксплуатационные качества первых будут несколько хуже по сравнению со вторыми. Это связано с высокими амплитудными колебаниями в сети из-за нестабильной отдачи тока. Поэтому в однофазных устройствах возникает вибрация. В трехфазных конструкциях этот недостаток компенсируется нагрузками тока из одной фазы в другую. За счет этого в сети всегда обеспечивается постоянное значение мощности. Из-за вибрации срок эксплуатации однофазных систем значительно ниже, чем у трехфазных. Кроме того, у трехфазных моделей во время работы отсутствует шум.
Высота мачты составляет примерно 6-12 м. Она устанавливается в центр опалубки и заливается бетоном. Затем на мачту устанавливается готовая конструкция, на которую крепится винт. Крепление самой мачты осуществляется с помощью тросов.
Лопасти для ветрогенератора
Эффективность работы ветровых электроустановок во многом зависит от конструкции лопастей. Прежде всего, это их количество и размеры, а также материал, из которого будут изготовлены лопасти для ветрогенератора.
Факторы, влияющие на конструкцию лопастей:
- Даже самый слабый ветер сможет привести в движение длинные лопасти. Однако слишком большая длина может привести к замедлению скорости вращения ветряного колеса.
- Увеличение общего количества лопастей делает ветряное колесо более чутким. То есть, чем больше лопастей, тем лучше запускается вращение. Однако мощность и скорость будут снижаться, что делает подобное устройство непригодным для выработки электроэнергии.
- Диаметр и скорость вращения ветряного колеса оказывает влияние на уровень шума, создаваемого устройством.
Количество лопастей должно сочетаться с местом установки всей конструкции. В наиболее оптимальных условиях правильно подобранные лопасти способны обеспечить максимальную отдачу ветрогенератора.
Рекомендации по ветрогенераторам
Существуют общие рекомендации, позволяющие максимально эффективно использовать ветрогенераторы.
Прежде всего, нужно заранее определить необходимую мощность и функциональность устройства. Чтобы правильно изготовить ветрогенератор, нужно изучить возможные конструкции, а также климатические условия, в которых он будут эксплуатироваться.
Кроме общей мощности рекомендуется определить значение выходной мощности, известной еще как пиковая нагрузка. Она представляет собой общее количество приборов и оборудования, которые будут включаться одновременно с работой ветрогенератора. При необходимости увеличить этот показатель, рекомендуется использовать сразу несколько инверторов.
