Альтернативные источники энергии и энергосбережение

1.1. Можно ли использовать бесплатный ветер?

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или ветроэлектростанция) — устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. Устройство ветроэлектрической установки в упрощенном виде представлено на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Устройство ветроэлектрической установки

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные ветроэлектростанции устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Ее основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.

Уже сейчас за вполне умеренные деньги можно приобрести ветряную установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому.

Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором. При этом ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены меньшими ветрогенераторами. Например, турбина Дарье может быть дополнена ротором Савониуса. И при этом одно другому не мешает — источники будут замечательно друг друга дополнять.

Обжитая часть России бедна ветровыми ресурсами. Средняя скорость ветра в 4–5 м в секунду характерна для большинства промышленных районов. Малая скорость ветра означает малую мощность ветрового потока. И, кроме того, значительное количество безветреных дней. ВЭУ в России в основном будут работать треть или половину времени.

Ветрообильные районы — это прибрежные территории, расположенные вдоль морей и крупных озер. Побережье Северного Ледовитого океана, побережье Тихого океана имеют хороший ветровой потенциал, но они мало обжиты, и поэтому создание Ветроустановок, ветропарков представляет там сложности (http://www.manbw.ru).

К районам, благоприятным для размещения ветряков, можно, пожалуй, отнести несколько километров побережья в Ленинградской области вокруг Финского залива и Ладожского озера. Морское побережье Ростовской области и Краснодарского края. Приморский край (район Владивостока). Перспективны ветрозапасы в Мурманской и Архангельской областях, но там более суровые условия для исполнения проектов ветропарков. Средняя скорость ветра в некоторых городах сведена в табл. 1.1.

Ветроустановка хорошо работает только в связке с электросетью. Возможно, в будущем удастся довести до практического и дешевого использования водородную энергетику, что позволит безболезненно запасать энергию, произведенной ветроустановкой. Пока же ветроустановки привязаны к линии электропередач.

В домашнем хозяйстве ветряк должен рассматриваться в плане существенной экономии затрат на производство тепла, на досвечивание растений в теплицах и, в какой-то мере, снижения потребляемой электроэнергии от электросети. Но задача автономного или почти автономного снабжения жилища от энергии ветра очень сложна. Ветряк должен быть диаметром порядка 20 м.

Кроме перечисленных причин, сложность использования ветра заключена в его непостоянстве. Построить генераторную и стабилизирующую установку для ВЭУ составляет самостоятельную и очень сложную задачу.

Домашний умелец может прикинуть мощность ветроустановки в зависимости от диаметра пропеллера и скорости ветра. При среднегодовой скорости в 3,5 м/с, характерной для континентальной части России, можно принять, что среднеэнергетическая скорость составит около 5 м/с. А ветряк будет работать треть всего времени.

Важнейшей характеристикой ветряка является т. н. КИЭВ — коэффициент использования энергии ветра. У самых лучших образцов ветряков он составляет до 60–80 %! (в среднем 40–45 %). У любительских (самопалов) — порядка 35 %. Т. о. при скорости ветра 5 м/с получим действительную мощность 0,35 x 90 = 31,5 Вт.

В табл. 1.2 в числителе мощность самодельного ветряка в киловатах при КИЭВ 35 %, в знаменателе обороты пропеллера в об/мин при быстроходности Z = 6.

Для выбора агрегата необходимо точно определить преимущественное направление и среднюю скорость ветров в том месте, где предполагается установить ветрогенератор. Следует помнить, что начальная скорость вращения лопастей ветрогенераторов равна 2 м/с, а скорость, при которой генератор работает с максимальной эффективностью, — 9… 12 м/с. Еще одно замечание. Мощность ветрогенератора зависит только от скорости ветра и диаметра винта.

В специальной литературе имеется множество формул расчета мощности ветроустановок. Приведу две, самые простые. Обе они дают примерно одинаковый результат.

где Р — мощность; D — диаметр винта в метрах; V — скорость ветра в м/с.

где Р — это мощность, в ваттах; S — площадь (м²), на которую перпендикулярно дует ветер; V — скорость ветра, в метрах в секунду (в формуле — в кубе).

Получается, при известной средней скорости ветра, выбор заключается в диаметре винта установки. Ну и еще, сравним расчеты с потребной мощностью. Если она нас устраивает, то хорошо. А если нет, то:

♦ либо надо искать другой источник энергии;

♦ либо строить несколько ветряков.

1.2. Как оценить скорость ветра для ветрогенератора

Скорость ветра — это самый важный фактор, который влияет на количество энергии, вырабатываемой ветрогенератором.

Приведенная внизу табл. 1.3 показывает значения энергии ветра в стандартных условиях (сухой воздух, плотность — 1,225 кг/м³, атмосферное давление 760 мм рт. столба). Формула расчета количества энергии (определяется в Вт/м²) выглядит следующим образом:

где V — скорость ветра в м/с (по данным Датской ассоциации производителей ветротурбин)

Таблица 1.2. Значения энергии ветра в стандартных условиях

Прежде всего, нужно помнить, что скорость ветра зависит от следующих факторов.

Высота над уровнем земли. Близко к земле ветер замедляется за счет трения о земную поверхность. Для сельскохозяйственных полей и пустынных территорий при увеличении высоты над поверхностью земли в два раза наблюдается увеличение скорости ветра приблизительно на 12 %.

Время года. В большинстве регионов наблюдаются значительные сезонные изменения ветровых потоков. Причем в зимние месяцы скорость ветра обычно выше, чем летом. Дневные изменения скорости ветра наблюдаются, как правило, вблизи морей и больших озер.

Утром солнце нагревает землю быстрее, чем воду, поэтому ветер дует в направлении побережья. Вечером же земля остывает быстрее, чем вода, поэтому ветер дует от побережья.

Характер земной поверхности. Холмы или горные хребты, находящиеся на открытом ландшафте, обычно считаются превосходным местом для ветряка. На холмах скорость ветра выше по сравнению с окружающей равнинной территорией. Необходимо помнить, что ветер может менять свое направление прежде, чем достигнет холма, так как область высокого давления фактически расширяется на некотором расстоянии перед холмом. Также необходимо помнить, что турбулентность, значение которой резко увеличивается в случае крутого холма или его неровной поверхности, может свести на нет преимущества более высокой скорости ветра (см. рис. 1.2).

Рис. 1.2. Хорошие и плохие варианты размещения ветроэлектростанции

Есть несколько способов определения средней скорости ветра на участке.

Способ № 1. Информация в сети Internet и официальных источниках

Есть несколько сайтов, которые мы можем использовать для определения средних скоростей ветра практически в любом регионе мира, например, http://firstlook.3tier.com

Сайт бесплатно предоставляет информацию о ветре на высотах 20, 50 и 80 м.

Способ № 2; Данные метеослужбы или местного аэропорта

Для получения данных о скорости ветра можно также обратиться в местную метеослужбу или аэропорт. При этом нужно помнить, что у данных, которые они предоставляют, есть некоторые особенности. Рассмотрим их.

Усредненные данные. Обычно метеостанции округляют данные за некоторые промежутки времени, что не дает вам возможности увидеть картину сезонности или изменения скорости ветра в зависимости от времени суток.

Не всегда понятно, как трактовать показания применительно к вашему участку. Значительные расхождения в скорости ветра бывают при сдвиге измерительных приборов на 30–50 м в сторону, не говоря уже про расстояния в 2–5 километров и более. Также очень влияет разница ландшафта вашего объекта и ландшафта места, где находится метеослужба.

Высота замера. Скорость ветра может зависеть от высоты. Те данные, которые предоставляет метеослужба, обычно снимаются на высоте 10 м. Пройдется встать с кресла и отойти от компьютера, чтобы это узнать!

Способ № 3. Замер скорости ветра в будущем месте установки портативной метеостанцией

Преимущества. Достоинством такого подхода является высокая точность данных. При проведении работ по замеру скорости ветра на месте установки, можно установить датчики портативной метеостанции на необходимую высоту. Также можно установить несколько портативных метеостанции в разных местах участка, чтобы определить наиболее ветреное место для монтажа. Данный способ является наиболее объективным и дает самые точные показания по скорости ветра в месте установки.

Недостатки. Длительность времени замера. Для проведения объективных замеров, необходимо устанавливать портативную метеостанцию на длительный срок — желательно не менее одного месяца. В идеальном варианте, портативная метеостанция должна снимать показания в течение целого календарного года, так как во всех регионах существует сезонность ветров (зимой, осенью и весной ветра сильнее). Короткий промежуток времени замера может не дать объективной информации.

Стоимость проведения работ. Стоимость работ по замеру скорости ветра портативной метеостанцией в месте установки стоит дороже, чем общие среднестатистические данные от местных государственных метеослужб. Если вы хотите установить портативную метеостанцию на длительный срок или использовать для нескольких объектов, то имеет смысл приобрести данную систему, а не арендовать ее.

1.3. Немного теории ветродвигателя

Секундная энергия или мощность потока пропорциональна кубу скорости, т. е. если скорость ветра увеличилась, например, в два раза, то энергия воздушного потока возрастает в 23 = 2 x 2 x 2 = 8 раз.

Мощность, развиваемая ветродвигателем, изменяется также пропорционально квадрату диаметра ветроколеса, т. е. при увеличении диаметра в 2 раза, мощность при той же скорости ветра увеличивается в 4 раза (http://www.freeenergyengines.ru/).

Однако в механическую работу можно превратить только часть энергии потока, протекающего через ветроколесо. Другая часть энергии теряется на трение воздушных частиц и различные потери, так как ветроколесо оказывает сопротивление движению воздушных частиц. Кроме того, значительная часть энергии содержится в воздушном потоке, уже прошедшем через ветроколесо. Это объясняется тем, что поток за ветроколесом также имеет некоторую скорость.

В теории крыльчатых ветродвигателей доказывается:

♦ что скорость потока за ветроколесом не может быть равна нулю;

♦ что наилучший режим работы ветродвигателя будет в том случае, когда скорость непосредственно за ветроколесом составляет 2/3 от первоначальной скорости потока, набегающего на ветроколесо.

Число, показывающее, какая часть мощности воздушного потока полезно используется ветроколесом, называется коэффициентом использования энергии ветра и обозначается греческой буквой % (кси).

Величина коэффициента использования энергии ветра χ, прежде всего, зависит от типа ветродвигателя, формы его крыльев и качества их изготовления, а также от ряда других факторов.

Для лучших быстроходных ветродвигателей, имеющих крылья обтекаемого аэродинамического профиля, χ = от 0,42 до 0,46. Это означает, что ветроколеса таких ветродвигателей могут полезно использовать, т. е. превращать в механическую работу, 42–46 % энергии, которой обладает ветровой поток, проходящий через ветроколесо. Для тихоходных ветродвигателей значения % могут быть в пределах от 0,27 до 0,33. Максимальное значение теоретического коэффициента использования энергии ветра у идеальных крыльчатых ветродвигателей равно 0,593.

Крыльчатые ветродвигатели получили преимущественное распространение, и только они выпускаются промышленностью. Крыльчатые двигатели делятся на две группы:

♦ быстроходные (малолопастные), с числом лопастей до 4;.

♦ тихоходные (многолопастные), имеющие от 4 до 24 лопастей, а в некоторых случаях и больше.

Вот почему малолопастные ветродвигатели называются быстроходными. Быстроходность является одним из серьезных преимуществ этих ветродвигателей, так как делает более простой передачу мощности * таким быстроходным машинам, как, например, электрический генератор.

Кроме того, быстроходные ветродвигатели, как правило, более легкие, чем тихоходные. Как указывалось выше, они имеют более высокий коэффициент использования энергии ветра.

Однако у них имеется и недостаток, заключающийся в том, что их начальный момент трогания, т. е. вращающий момент, развиваемый на неподвижном ветроколесе, при одинаковых диаметрах ветроколес и скорости ветра в несколько раз меньше, чем у тихоходных ветроколес.

На рис. 1.3 приведены для сравнения аэродинамические характеристики двух одинаковых по диаметру ветроколес, одно из которых имеет 3, а другое — 18 лопастей.

Рис. 1.3. Аэродинамические характеристики тихоходного 18-лопастного и быстроходного 3-лопастного ветроколесо

Пунктирные линии — 18-лопастное ветроколесо, сплошные — 3-лопастное ветроколесо. По горизонтальной оси на этом графике отложена быстроходность, или число модулей Z ветроколеса.

Эта величина определяется отношением окружной скорости ω∙R конца лопасти к скорости V ветра, набегающего на ветроколесо.

Кроме того, при одинаковой скорости ветра тихоходное ветроколесо имеет в несколько раз больший момент, чем быстроходное и, следовательно, будет начинать работать в случае одинаковой нагрузки при меньших скоростях ветра. Это очень важно для эксплуатации, так как возможное число часов работы ветродвигателя увеличивается.

Крыльчатые ветродвигатели работают за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях ветроколеса, при набегании на них воздушного потока. Так же, как и на крыльях самолета, на крыльях ветроколеса возникают подъемная сила и сила сопротивления поверхности. Подъемная сила и создает вращающий момент на ветроколесе.

Для того чтобы лучше использовать энергию ветра, т. е. получить большую мощность, крыльям придают обтекаемые, аэродинамические профили, а углы заклинения делают переменными вдоль лопасти (на конце — меньше, а ближе к валу — большие углы). На рис. 1.4 представлена схема крыльчатого ветроколеса.

Рис. 1.4. Схема крыльчатого ветроколесо

Крыло ветроколеса состоит из трех основных узлов: лопасти и маха, с помощью которого оно скрепляется со ступицей.

Если бы ветроколесо было неподвижным, то направление потока, набегающего на лопасть, совпадало бы с направлением ветра (т. е. по стрелке V). Но так как ветроколесо вращается, то каждый элемент лопасти имеет определенную окружную скорость ω∙R, которая тем больше, чем дальше отстоит элемент от оси ветроколеса. Эта скорость направлена в плоскости вращения ветроколеса. Таким образом, поток обдувает элементы лопасти с какой-то скоростью, складывающейся из скоростей V и ω∙R. Эта скорость получила название относительной скорости потока и обозначается буквой W.

Для каждого элемента лопасти эта скорость имеет свою величину и набегает под разными углами α. А так как наилучший режим работы крыльчатого ветродвигателя будет только при определенных углах атаки, то и приходится углы заклинения φ делать переменными по длине лопасти.

Важно иметь в виду, что если лопасти выполнены одинакового качества и профиля, то мощность ветродвигателя практически очень мало зависит от числа лопастей.

Ведь мощность ветродвигателя, как и любого другого двигателя, определяется произведением развиваемого двигателем вращающего момента М на угловую скорость ω.

Кроме ветродвигателей крыльчатого типа, известны карусельные, роторные и барабанные ветродвигатели.

Первые два типа имеют вертикальную ось вращения, а последний — горизонтальную.

В отличие от крыльчатых ветродвигателей, у которых все лопасти работают одновременно, создавая вращающий момент, у карусельных и барабанных ветродвигателей одновременно работает лишь часть лопастей, а именно тех, движение которых совпадает с направлением ветра.

Для того чтобы уменьшить сопротивление лопастей, идущих навстречу ветру, их прикрывают ширмой, либо делают изогнутыми.

Вращающий момент на ветроколесах этих типов двигателей возникает за счет разности давлений на лопастях.

Ввиду малой эффективности (χ у этих ветродвигателей не превышает значения 0,18) и громоздкости, а также вследствие того, что они очень тихоходны, карусельные, барабанные и роторные двигатели в практике не нашли применения.

1.4. Упрощенная схема работы ветрогенератора

На сегодня существует два основных варианта работы ветрогенераторов.

Классическая несетевая схема: работа с аккумуляторными батареями и обычным инвертором. Этот вариант позволяет полностью или частично использовать автономное энергообеспечение. Для него неважно наличие общественной электросети (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Упрощенная несетевая схема ветроэлектростанции

Сетевая схема: работа с сетевым инвертором без аккумуляторных батарей (рис. 1.6). В этой схеме можно частично или полностью компенсировать расходы на электроэнергию. Также возможна продажа электроэнергии по «зеленому тарифу». Наличие общественной сети необходимо.

Рис. 1.6. Упрощенная сетевая схема ветроэлектростанции

Существует также множество комбинированных и второстепенных по значимости вариантов работы ветровых станций и солнечных панелей (без инвертора, с источником бесперебойного питания и т. д.)

На рис. 1.5 представлена классическая схема работы ветрового электрогенератора (http://blog.ae.net.ua).

Аккумуляторные батареи (АКБ или АБ) — это накопительная емкость для произведенного ветрогенератором электричества. Электроэнергия направляется в аккумуляторы и находится в батареях до того момента, пока потребитель не воспользуется ею.

Если объем аккумуляторной батареи будет мал, то она будет быстро заполняться, а излишки энергии будут пропадать. Объем аккумуляторной батареи должен быть большим, иначе потерь электроэнергии не избежать. Но большая батарея стоит дороже, занимает больше места и требует большего ухода. А если купить батарею огромного объема, то она никогда не будет заполняться на полную емкость, что будет элементарным расточительством средств. Необходимо учесть также и саморазряд батарей в течение очень длительного хранения энергии.

Объем аккумуляторной батареи должен быть таким, чтобы при выработке ветряного электрогенератора или фотомодулей на максимальной мощности или при максимальном потреблении электроэнергии процесс заряда-разряда аккумуляторной батареи составлял не менее 10 часов (это обязательное условие для всех свинцовых, кислотных, AGM, щелочных и гелевых батарей). К примеру, если номинальная мощность нашего ветряка 5 кВт, то объем аккумуляторной батареи должен составлять не менее 50 киловатт-часов.

Инвертор, преобразовывающий постоянный ток из аккумуляторных батарей в переменный ток, необходимый для домашней сети. Именно к нему уже подключаются потребители и электроприборы.

То есть, если инвертор ограничен по мощности 3 кВт, то вы никак не сможете одновременно использовать оборудование на 5 кВт. Таким образом, вы не сможете подключить одновременно:

♦ электрочайник (2 кВт);

♦ электробойлер (3 кВт);

♦ две-три лампочки (по 100 ватт каждая).

Тут у вас есть выход: использовать эти приборы поочередно или наращивать количество/мощность инверторов. Можно установить более мощный инвертор на 6–7 кВт.

Но не забываем, что все инверторы потребляют на свои нужды 5—10 % электроэнергии! Это означает, что при получении на выходе 5 киловатт-часов, инвертор потребит из аккумуляторной батареи 5,2–5,5 киловатт-часа. Тут вывод аналогичен: необходим инвертор или группа инверторов, которые по мощности смогут обеспечить одновременное подключение всех потенциальных потребителей.

Таким образом, систему характеризуют следующие элементы:

♦ сила ветра (энергетический потенциал);

♦ мощность ветрогенератора (вырабатывает электроэнергию);

♦ емкость аккумуляторной батареи (накапливают электроэнергию);

♦ мощность инвертора (выдают электроэнергию потребителю).

Каждый компонент энергетической системы работает независимо

от других, но определяет тот или иной важный параметр. Каждый параметр критичен и от него зависит общая работоспособность системы возобновляемой энергетики (ветрового генератора).

1.5. Что нужно учесть перед началом сборки ветрогенератора

Безопасность. Самым большим приоритетом должна быть безопасность. Человеческая жизнь важнее любого электричества. Ветрогенераторы могут быть очень опасны из-за быстродвижущихся частей, электрических искр, меняющихся погодных условий. Ваше рабочее место должно быть хорошо освещено, вы должны обязательно работать в перчатках, электросистема должна быть заземлена, при подъеме к генератору используйте страховые веревки и т. д.

Тип генератора. Прежде всего, нужно определиться, будет ли ветрогенератор горизонтальным или вертикальным (роторным). В Интернете почему-то много информации о том, как создать именно роторный ветрогенератор, например, из старой бочки.

Во-первых, что коэффициент съема ветра у такого роторного генератора будет, мягко говоря, не очень высоким. Во-вторых, мало кто знает, что балансировка роторного генератора — процесс довольно сложный. Производитель учитывает множество нюансов, чтобы защитить свое творение от разноса на сильных ветрах. И если сравнивать заводской процесс балансировки горизонтального и вертикального ветрогенератора, то «вывести» горизонтальный проще (это, кстати, один из факторов, почему вертикальные ветрогенераторы дороже).

Если бочка стоит на мачте высотой в метр и упадет из-за плохой балансировки, то не страшно. Только вот, заводские вертикальные генераторы ставят на мачты 17–21 м. Представляете, если раскрученная на ветру, плохо сбалансированная «бочка» слетит с такой высоты?

Выбор мощности генератора. Казалось бы, ответ очевиден: чем мощнее, тем лучше. Но сложность в том, что с ростом мощности установки увеличивается диаметр (а значит и вес) ветроколеса.

Такое колесо нужно надежно сбалансировать и закрепить. Есть много историй о том, как выглядит развороченная мачта после установки на нее несбалансированного колеса (для расчетной мощности 2,6 кВт диаметр составляет около 6 метров, представьте на минутку).

Расчеты, и еще раз расчеты. Многие не верят, но стандартные заводские генераторы проектируют специально обученные люди. А потом этим машины зачастую еще испытываются в аэродинамической трубе, их конструкция доводится, т. е. устраняются технологические недостатки и дефекты.

Пожалуйста, примите это во внимание, если вы планируете сделать ветрогенератор своими руками «на коленке». Подумайте, сможете ли вы повторить конструкцию или придумать аналог той или иной детали. И сколько времени, денег и сил это у вас займет.

Аккумуляторные батареи. Типичная фраза: «я поставлю аккумуляторы от ЗИЛа, чтобы сэкономить». Так не пойдет… Дело в том, что у автомобильных аккумуляторов, например, от КАМАЗа, есть некоторые нюансы:

♦ для них нужно специальное проветриваемое помещение, т. к. они выделяют газы и взрывоопасны;

♦ имеют небольшой срок службы от 1 до 3 лет;

♦ требуют постоянного ухода (следить за уровнем электролита, доливать воду, менять электролит и т. д.);

♦ не предназначены для эксплуатации в циклическом режиме постоянного заряда/разряда, поэтому они ненадежны.

Необходимо использовать специальные стационарные герметичные аккумуляторы, предназначенные для работы в составе систем альтернативной энергетики. Они не требуют ни ухода, ни специального помещения, срок службы 10 лет и выше, но они и несколько дороже. Тем не менее, тут лучше экономить, выбирая более дешевый вариант. Например, производитель RITAR снизил цены в связи с выходом на наш рынок. Батарея емкостью 200 А-ч обойдется всего в $370.

Подводные камни. Человечество использует ветрогенераторы уже много лет. За это время накопился некоторый опыт, построенный на большом количестве ошибок, и шишек.

Например, что условия эксплуатации в зимний и летний период в наших условиях различаются. Что иногда и в наших широтах дует ураганный ветер и т. п.

Человек, который собирается делать ветрогенератор своими руками, должен смириться с риском того, что он не учтет в конструкции «какой-то ерунды» и устройство, в которое было вложено немало труда, времени и денег, не грохнется на землю в один, далеко не прекрасный, день.

Так что будьте внимательны и осторожны. Если вы решили создать ветрогенератор своими руками, пожалуйста, оцените еще раз то количество времени и сил которые вам потребуются чтобы реализовать задуманное.

Зайдите, например, на http://avtonom.com.ua, может подберете готовый комплект для самостоятельной сборки ветрогенератора.

1.6. Лопасти ветроэлектростанции своими руками

Теперь, прежде чем выбрать ветряной генератор, посмотрим какие же они бывают.

♦ Карусельные — с вертикальной осью вращения.

♦ Крыльчатые — с горизонтальной осью вращения.

Карусельные ветряные генераторы, конечно, имеют свои преимущества. Они быстро набирают силу тяги при увеличении силы ветра, а затем скорость вращения остается почти неизменной. Установка сама следит «откуда ветер дует», следовательно, ей не нужны никакие дополнительные устройства. Карусельные ветроустановки тихоходны, что позволяет применять простые электросхемы для съема энергии, в частности асинхронные генераторы.

В то же время тихоходность и ограничивает применение карусельных ветрогенераторов, так как вынуждает применять повышающие редукторы — мультипликаторы, имеющие очень низкий КПД. Без мультипликатора такую установку эксплуатировать проблемно; многополюсные тихоходные генераторы мало распространены, во всяком случае, в широкой продаже их нет.

Крыльчатые ветрогенераторы имеют большую скорость вращения. Благодаря этому обстоятельству они могут непосредственно соединяться с генератором, без мультипликаторов

Лопасти крыльчатого ветряного генератора должны располагаться вертикально — перпендикулярно потоку воздуха. Для достижения этого применяется специальное устройство — стабилизатор. У крыльчатых ветрогенераторов намного выше коэффициент использования энергии ветра. В то же время скорость вращения у них обратно пропорциональна количеству крыльев. Вследствие этого установки с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Скорость вращения и простота изготовления обусловили широкое применение крыльчатых ветрогенераторов.

От конструкции устройства, преобразующего энергию ветра в кинетическую энергию вращающегося вала, зависит конструкция всей ветроэлектростанции (http://ntpo.com/).

Диапазон применения ветрогенераторов довольно широк.

Конечно, можно использовать ветряной генератор в чисто декоративных целях. Сделали пропеллер, поставили куда нравится, да еще и трещотку к нему приделали — интересно, занятно. Небольшой ветряк при слабом ветре может поднять из колодца или скважины 30–50 л воды за час.

Последние 100 с лишним лет ветряки используются для получения электроэнергии. Это самый оптимальный вариант применения ветряных генераторов.

Рассмотрим основные этапы развития ветродвигателя.

Этап 1. «Мельница» (рис. 1.7). История ветряков началась в Персии. Бескрайние пустынные просторы этого государства, обдувающиеся сухими ветрами, подтолкнули древних изобретателей использовать силу ветра на свое благо.

Рис. 1.7. Ветряная мельница

До нас дошли лишь туманные описания первых ветряных мельниц. Но судя по ним, прообраз современного ветрогенератора с его классической горизонтальной осью и вращающимися лопастями, был заложен еще в 7 веке до нашей эры.

Этап 2. Ротор Савониуса (1929 г.). Как видно из картинки, данный ветрогенератор с вертикально расположенной осью вращения (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Ротор

Лопасти представляют собой полуцилиндры. Данное ветроколесо просто в изготовлении, характеризуется низким уровнем шума, широким диапазоном рабочих ветров. К минусам следует отнести низкие обороты.

Этап 3. Ротор Дарье (1931 г.). Про роторы Дарье (рис. 1.9) можно сказать, что они состоят из одних недостатков: подвержены сильным вибрациям и шумам. В отличие от ротора с горизонтальной осью вращения, где все лопасти повернуты к ветру под оптимальным углом Савониуса атаки и не перекрывают друг друга, лопасть вертикального ротора проходит половину пути с подветренной стороны в возмущенном и ослабленном «тыловом» потоке.

Постоянно меняющиеся углы атаки вызывают периодический срыв потока с лопастей. Ко всему прочему, система обладает большим стартовым моментом, который с трудом может быть создан ветром.

Рис 1.9. Ротор Дарье

Этап 4. «Жиромельница» (рис. 1.10). Это подтип турбины Дариуса с прямыми лопастями. Преимуществом «жиромельницы» являются небольшая сила ветра, необходимая для запуска.

Рис 1.10. Жиромельница

Этап 5. Современный ветрогенератор:

♦ с вертикальной осью вращения (рис. 1.11, а);

♦ с горизонтальной осью вращения (рис. 1.11, б).

Рис. 1.11. Современные ветрогенераторы: с вертикальной осью вращения (а), с горизонтальной осью вращения (б)

Пропеллер — устройство типа винта самолета. Конструктивно пропеллер много проще и легче ветроколеса. Пропеллер вращается значительно быстрее и в определенных условиях позволяет обойтись без мультипликатора (см. рис. 1.12).

Рис. 1.12. Конструкция пропеллера

Для ветроэлектростанций целесообразней использовать два пропеллера одновременно (см. рис. 1.13): один из них связывается с ротором электрогенератора и вращается в одну сторону, другой — со статором и вращается в противоположную сторону. Использование такой конструкции аналогично применению мультипликатора с передаточным отношением 1:2.

Рис. 1.13. Конструкция с двумя пропеллерами

Рассмотрим еще вариант изготовления пропеллера. Пропеллер диаметром 1,5 м изготавливается следующим образом. Выбирается чистая еловая, осиновая или березовая доска толщиной 25 мм, шириной 110–120 мм и гладко выстругивается до толщины 20–23 мм. Находится центр доски и от него в обе стороны отмеряется по 60–70 мм, помечается рисками (см. рис. 1.14).

Рис. 1.14. Вариант изготовления пропеллера

Это центральная часть доски — ступица. К ней четырьмя болтами крепится металлический фланец, который надевается на ось ротора генератора или мультипликатора.

Обе половины доски от ступицы к концам стесываются так, чтобы получились усеченные четырехутольные пирамиды поперечным сечением на концах 80x10 мм (см. сечения 3–3,4-4). Далее лицевые поверхности пирамид стесываются (половина их объема удаляется), причем на одном конце стесывается одна сторона, на другом — другая.

В результате вся лицевая сторона имеет вид пропеллера. На тыльной стороне по всей длине доски от ступицы до концов плавно закругляется прямой угол. Поперечное сечение должно иметь форму поперечного сечения крыла самолета (см. сечения 1–1, 2–2). Пропеллер окрашивается масляной краской.

Быстроходность пропеллера зависит от толщины доски (толщины ступицы). Чем тоньше ступица (в разумных пределах), тем быстроходней пропеллер. После установки, пропеллер необходимо сбалансировать.

Ветряное колесо — основная деталь ветродвигателя, отмечается на http://tehnojuk.ru/.

Постройку ветродвигателя следует начать именно с него — основной детали ветродвигателя.

Ветряное колесо по конструкции намного сложнее пропеллера и представляет собой круглую пространственную решетку из лопастей, смотри рис. 1.15.

Рис. 1.15. Конструкция

Лопасти ветряного колеса могут выполняться из листовой стали, алюминиевого или дюралевого листа толщиной 1,5–2 мм.

Ветряное колесо — тихоходное устройство. Так как все без исключения электрогенераторы работают эффективно при частоте вращения 1000 об/ мин и выше, поэтому между ветряным колесом и генератором необходимо установить мультипликатор С передаточным отношением (1:15, 1:20). ветряного колеса

Большим преимуществом ветроколеса является то, что оно работает практически бесшумно и способно вращаться при сравнительно малой скорости ветра. К недостаткам относится сложная конструкция, громоздкость и тихоходность.

Рассмотрим еще один вариант изготовления ветряного колеса. Для этого варианта нам необходимо два листа толстого кровельного железа, желательно нового, лучше оцинкованного. Сложив листы вместе и временно скрепив их бортами между собой, на них следует вычертить четыре окружности диаметрами 300, 800,1400 и 2000 мм.

Затем большую окружность нужно разделить на 16 равных частей и соединить точки на окружности с центром ее. Практически это делается так: через центр круга у нас уже проведен один диаметр — это линия соединения двух листов железа. Перпендикулярно к нему проводится еще один диаметр. Таким образом, мы получили круг, разделенный на четыре равных сектора. Если мы проведем еще два перпендикулярно пересекающиеся диаметра так, чтобы их линии делили секторы пополам, то получим еще восемь одинаковых секторов. Разделив их еще пополам, получим желаемые 16 секторов. Иными словами, каждый сектор, то есть будущая лопасть нашего ветряного колеса, должен иметь 22,5°.

Когда сделана такая разметка, каждый сектор надо разделить еще надвое между первой и второй окружностями, а по третьей окружности в центре каждой лопасти сделать пометку для отверстий.

Разметив таким образом ветряное колесо, обе его половины вырезают по четвертой окружности и затем разрезают на секторы до первой окружности. Работу эту производят ножницами по металлу или зубилом. Когда разрезка будет окончена, у каждой лопасти вырубается зубилом по половине площади между первой и второй окружностями. Полученные таким образом отверстия дадут возможность ветру, дующему на центр колеса, свободно проходить в них и тем самым не оказывать сильного давления на центр ветряного колеса, что является большим тормозом при работе ветродвигателя.

По сделанным отметкам на третьей окружности делаются сквозные отверстия — в каждой лопасти диаметром в 5–6 мм. В них будет продеваться кольцо из толстой железной проволоки, служащее для упрочения конструкции ветроколеса. Разметка ветроколеса показана на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Детали многолопастного ветряного двигателя:

_{а — разметка ветроколеса многолопастного ветродвигателя; б — крестовина ветроколеса и сцепление ее планок}

Для крепления ветроколеса связывается деревянная крестовина. Для крестовины необходимо взять доску (не тоньше 40 мм) и вырезать из нее три бруска длиной по 800 мм каждый и шириной один — 80 мм и два — по 40 мм. Затем эти бруски связываются в крестовину, на которую крепится ветроколесо так, чтобы полудиски его сходились на широком брусе.

Лопасти ветроколеса повертываются слева направо приблизительно под углом в 25°.

Для укрепления конструкции берется отрезок железной проволоки толщиной в 5–6 мм, употребляемой для стяжек, и длиной 4500 мм и свивается кольцо диаметром в 1400 мм. Это кольцо осторожно продевается через все отверстия в лопастях, сделанных по третьей окружности, и затем кольцо прочно скрепляется проволочными скрутками.

Теперь ветряное колесо будет достаточно прочно и устойчиво. Затем ветряное колесо надо насадить на главный вал. В качестве этого вала может быть применена металлическая трубка диаметром 40–45 мм и длиной 1000 мм или же цельнометаллический стержень таких же размеров.

Ветроколесо прочно насаживается на вал так, чтобы оно не смогло вращаться на нем. Для этого желательно в широком брусе крестовины в борту его против отверстия для вала просверлить сквозное отверстие для болта диаметром 10–15 мм. Такое же отверстие следует просверлить и на конце вала, отступив от его торца на 40 мм. При насаживании ветроколеса на вал эти отверстия должны совпасть. Через них пропускается болт и закрепляется гайкой. Такое крепление ветроколеса на валу обеспечит необходимую прочность их соединения.

Когда таким образом будет собрано ветроколесо, нужно произвести его балансировку, т. е. уравновешение его на валу. Для этого главный вал ветроколеса следует положить концами на два горизонтально расположенных бруса, например, положенных на концах стола.

Вал должен свободно вращаться вместе с ветроколесом на этих брусьях. Если при повороте ветроколеса оно будет сохранять любое приданное ему положение, можно считать, что оно сбалансировано. Но если при поворотах ветроколеса будет всегда возвращаться в одно и то же положение, т. е. какая-то лопасть его всегда будет стремиться занять нижнее положение, то это значит, что эта половина ветроколеса перевешивает другую половину.

Для уравновешивания ветроколеса к брусу крестовины, который находится в верхнем положении, прикрепляется полоска железа, и продолжают проверку ветроколеса. Если после этого, наоборот, станет перевешивать часть колеса, к которой прикреплена железная полоса, ее надо подрезать. Таким образом, уменьшая или увеличивая дополнительный груз одной части ветроколеса, производят его балансировку и достигают полной равномерности его вращения.

После балансировки ветроколесо покрывают масляной краской на натуральной олифе. Это необходимо для защиты его от ржавчины. Если же ветроколесо будет изготовлено из оцинкованного железа, то красить его не нужно.

1.7. Выбор и работа электрооборудования

Первым определяющим параметром является частота вращения, которая должна быть малой. Вторым определяющим параметром является мощность, третьим — надежность.

Если мощность ветроэлектростанции 50—100 Вт, то может быть использован генератор, применяемый на тракторах марки Г-31 А, мощность 60 Вт. Это синхронный шестиполюсный генератор с вращающимися магнитами и шестью неподвижными катушками (см. рис. 1.17).

Рис. 1.17. Синхронный шестиполюсный генератор

Электрогенераторы такого типа хороши тем, что требуют минимального ухода: здесь нет ни угольных щеток, ни коллектора, которые время от времени нужно чистить.

Для более мощной ветроэлектростанции подойдет электрогенератор используемый на автобусах, например, Г-2 мощность 720 Вт, напряжением 12 В и током отдачи 60 А. Такой генератор имеет небольшой диаметр (0,25 м) и при частоте вращения 500–600 об/мин уже может давать ток заряда.

Ток возбуждения подводится к катушкам через три угольные щетки с тремя контактными кольцами и может изменяться от долей ампера до 1,5 А.

Поскольку в электромагнитных генераторах имеется остаточных магнетизм, то с помощью диодов можно использовать это явление для самовозбуждения генератора, самовозбуждающийся генератор позволяет ветродвигателю легко трогаться с места и быстро набирать обороты.

Широкое распространение получил гидропривод, включающий в себя и гидропередачи. Гидропередачи используют для передачи момента вращения от ветродвигателя на вал ротора электрогенератора. В гидропередачах энергия передается за счет движения жидкости, находящейся под большим давлением (см. рис. 1.18).

Рис. 1.18. Схема гидропривода

Наверху мачты монтируется гидронасос объемного действия, например:

♦ или шестеренчатый марки НШ-10У на давление 10 МПа;

♦ или аксиально-поршневой марки 210.12 на давление 16 МПа, или др.

Напорная линия от него в виде стальной трубки диаметром 1/2" или гибкого шланга опускается в полость мачты, такой же шланг или трубка опускается вниз из всасывающего отверстия насоса на глубину 0,5–0,7 м.

Внизу на платформе, приваренной к трубе мачты, монтируется гидродвигатель с электрогенератором, валы которых сочлены обычными муфтами. Напорный патрубок гидродвигателя присоединяется к напорному шлангу гидронасоса, а сбросный патрубок соединяется с внутренней полостью трубы мачты, которая заливается минеральным маслом.

Пропеллер вращает вал гидронасоса, насос по всасывающей трубе засасывает минеральное масло из полости трубы мачты и под давлением подает его по напорной трубе в напорное отверстие гидродвигателя.

Из отводного отверстия гидродвигателя масло поступает снова во внутреннюю полость мачты. Гидродвигатель при этом вращается и приводит в движение электрогенератор. Из-за чувствительности к мелким частицам в систему ставят фильтр масла.

Частота вращения агрегатов регулируется клапаном напорного или сливного шланга. Перекрытый клапан «выключит» ветроагрегат в штормовую погоду. Гидронасосы и гидродвигатели подбирают из тракторных или авиационных.

Вариант 1. Генератор переменного тока от автомобиля

Достоинства: дешевый, легко найти, уже собран.

Недостатки: требуется высокая скорость вращения, требуется зубчатая передача или шкив, небольшой выход энергии, токосъемник требует постоянного техобслуживания.

Пригодность для ветроэлектростанции: низкая.

Главная проблема при использовании автомобильных генераторов для ветряков — то, что они разработаны для слишком высоких скоростей — для получения ветряной энергии приходится выполнить множество значительных модификаций. Даже маленькая и работающая на сравнительно быстрых оборотах ветряная мельница требует скорости 600 об/мин, что даже близко нельзя назвать достаточным для автомобильного генератора. Это значит, что придется использовать зубчатые передачи или шкивы, чтобы большая часть энергии тратилась на вращение.

Стандартный автомобильный генератор электромагнитный — то есть часть вырабатываемой энергии должна быть послана на якорь через щетки и токосъемники, чтобы создать магнитное поле. Генератор, который использует электричество для возникновения поля, менее эффективный и более сложный. Тем не менее, его проще регулировать, так как магнитный поток может быть изменен настройкой мощности поля.

Кроме того, щетки и токосъемники имеют тенденцию изнашиваться, требуя постоянного ухода. Генератор также может быть перемотан для выработки энергии на более низких скоростях. Это возможно путем замены существующих витков статора более частыми витками из более тонкой легированной стали.

Вариант 2. Самодельный генератор с постоянными магнитами

Достоинства: низкая стоимость киловатт-часа, высокая эффективность, возможно получение большой мощности, удивительно крепкая конструкция.

Недостатки: трудоемкий, сложный проект, требующий обработки на токарном станке.

Пригодность для ветроэлектростанции: хорошая.

Многочисленные эксперименты показали, что самодельный генератор с постоянными магнитами является наиболее мощным и экономным решением для ветрогенератора. Он способен отлично работать на низких скоростях вращения, на высоких же скоростях он буквально выдает амперы благодаря своей эффективности. Наиболее часто самодельные генераторы производятся из тормозных дисков от Volvo, так как они очень прочные и имеют встроенные упорные подшипники. Так как такой генератор производит переменный ток, требуется выпрямитель для преобразования его в постоянный и последующей зарядки батареи.

Наилучшие результаты показывает трехфазный генератор, однако его сложнее построить, чем однофазный, так что при построении генератора необходимо решить, сможете ли вы построить трехфазный или ограничитесь однофазным.

Генератор для ветряка 2 м в диаметре выдает больше 60 А в 12-вольтную батарею, а это более 700 Вт. На пике мощности он может выдавать даже 100 А. Пока что это решение наиболее эффективно.

Вариант 3. Конверсионный асинхронный генератор переменного тока

Достоинства: дешевый, легко найти, сравнительно легко переоборудовать, хорошая работа на низких оборотах.

Недостатки: результирующая мощность ограничена внутренним сопротивлением, неэффективен на высоких скоростях, требует обработки на токарном станке.

Пригодность для ветроэлектростанции: средняя.

Обычный асинхронный электродвигатель, вырабатывающий переменный ток, может достаточно просто быть перестроен в генератор с постоянными магнитами. Эксперименты показывают, что получившийся генератор хорошо работает на очень низких скоростях, но быстро становится неэффективным на высоких скоростях.

Асинхронный двигатель не имеет никаких проводов в сердечнике, только переменные пластины из алюминия и стали (снаружи они выглядят гладкими). Если вы выдолбите желоба в центре сердечника и вставите туда постоянные магниты, электродвигатель станет генератором с постоянными магнитами.

На практике такой генератор выдает около 10–20 А. Он очень быстро становится малоэффективным: при возрастании скорости ветра количество результирующих ампер возрастает незначительно, остальная же мощность тратится на нагрев самого генератора. Асинхронный электродвигатель обмотан слишком тонкой проволокой и не может поддерживать ток большой мощности. Для того же ветряка диаметром 2 м пиковая сила тока равна всего 25 А.

Если вас устраивает небольшой ток при высоких скоростях ветра, асинхронный двигатель может оказаться хорошим решением. Рекомендуется выбирать трехфазный двигатель. Такой генератор производит переменный ток, поэтому требуется выпрямитель для преобразования его в постоянный ток и последующей зарядки батареи.

Вариант 4. Генератор постоянного тока

Достоинства: простой и уже собранный, некоторые хорошо работают на низких оборотах.

Недостатки: прихотливый, большинство плохо работают на низких оборотах, очень сложно найти генератор достаточно большого размера, маленькие генераторы не могут выдавать большую мощность.

Пригодность для ветроэлектростанции: слабая.

Выбор генератора постоянного тока на первый взгляд кажется логичным, так как батарея заряжается именно постоянным током, и такой системе не потребуется преобразователь. На практике же генераторы постоянного тока даже близко не могут сравниться с генераторами переменного тока. Их щетки требуют постоянного наблюдения, а передающий механизм часто выходит из строя. Такие генераторы могу быть использованы как дополнение к генераторам постоянного тока и выдавать порядка 12 В, что эквивалентно 100–200 Вт. Это немного, но при желании может хватить для небольшого ветряка высотой 1–2 м.

Выбор места установки ветродвигателя

Наилучшим местом установки ветроэлектростанции является участок с наименьшей затеняемостью от ветра большими деревьями и постройками с минимальным расстоянием от их 25–30 м. Высота ее должна превышать высоту ближайших строений на 3–5 м. По линии господствующего направления ветра деревьев быть не должно.

1.8. Ветрогирлянды — альтернатива лопастям большого диаметра

Компоновка роторов в подвешиваемую гирлянду при использовании современных легких, достаточно прочных и недорогих материалов выглядит вполне оправданной. Гирлянды-спирали весьма технологичны в изготовлении, и могут найти самое разнообразное применение, от уличной рекламы до приливных ГЭС. Некоторые варианты ветродвигателей можно легко построить своими руками, причем при минимальных расходах (http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm).

Не исключено, что со временем ветропарки гирлянд в зонах отчуждения ТЭЦ станут обычным делом, — в странах, необремененных изобилием недр, и не загипнотизированных их мнимой неисчерпаемостью.

Важность развития энергетики на возобновляемых источниках энергии не подлежит сомнению. Ветроэнергетика, — одна из старейших отраслей этого направления, — сталкивается с известными технологическими трудностями. Энергия ветра рассеяна в большом пространственном объеме, собирать ее одним могучим ветроколесом накладно: требования к прочности растут вместе с сопротивлением среды пропорционально квадрату скорости, а стоимость — уже кубу, если верить авиастроителям. Длина крыла современного ветрогенератора может достигать 30–40 и даже 60 м.

Ничего удивительного, что киловатт установленной мощности ВЭС обходится в копеечку. Выходит, за высокую мощность ветродвигателя, — вожделенный куб скорости ветра, — приходится платить «один к одному».

К сожалению, параллельно с естественным удешевлением малогабаритных ветродвигателей возникает проблема эффективного суммирования мощностей. Компактные электрогенераторы — не самые дешевые устройства.

Самое элементарное суммирование достигается закреплением роторов на одном и том же валу.

Чрезвычайно удачной в плане конструктивной простоты является гирлянда ортогональных роторов, закрепленных на тросе-приводе (рис. 1.19). Такое решение неплохо зарекомендовало себя и в гидроэнергетике. Очень заманчиво использовать подобную схему и для преобразования энергии ветра.

Идея ветрогирлянд занимала умы изобретателей и раньше. Пришло время вновь обратить на нее пристальное внимание.

Рис. 1.19. Гирлянда ортогональных роторов, закрепленных на тросе-приводе

Самую примитивную и дешевую ветрогирлянду легко собрать на даче, — лишь бы было к чему ее подвесить. Пусть это будет дерево приличной высоты или прочный шест с телеантенной на крыше дома (П. Колосов, http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm).

Исходные материалы для классического ротора Савониуса (рис. 1.20): металлический трос толщиной 2–3 мм (10–15 руб. за метр), пластиковая труба для канализации диаметром 110 мм (90 руб. за метр), лист оцинкованного железа ДЛЯ горизонтальных площадок, разделяющих соседние роторы.

Рис. 1.20. Принцип построения ротора Савониуса:

_{а — двухлопастный; б — четырехлопастный}

Разумеется, еще понадобятся подшипники для закрепления концов гирлянды вверху и внизу, можно попробовать использовать для этих целей ступицы колес от старого велосипеда.

О недорогих тихоходных многополюсных электрогенераторах на постоянных магнитах приходится только мечтать. Поэтому, скорее всего, придется соорудить мультипликатор для повышения частоты вращения генератора. Ротор из двух полусфер диаметром 110 мм и перекрытием лопастей 20 мм будет иметь общий диаметр 200 мм. Это значит, что на скорости 5 м/с при быстроходности 0,7 частота вращения составит 330 об/мин. Повышения частоты в 4–5 раз будет уже достаточно, чтобы подобрать к ветроустановке промышленный генератор.

Конструкция мультипликатора может быть самой разнообразной, с использованием ремней ГРМ или велосипедных звездочек. Единственное утешение в этой почти неизбежной возне с повышением частоты вращения состоит в том, что не надо взгромождать эту конструкцию на самый верх пятнадцатиметровой мачты. Вместе с генератором этот прибор прекрасно разместится на земле под гирляндой.

Разобравшись с мультипликатором, можно приступать к сборке гирлянды. Для начала следует нарезать из листа железа торцевые площадки для закрепления лопастей — круги диаметром примерно 250 мм.

Обрезки пойдут на изготовление фиксирующих скоб — держателей лопастей и троса. Эти уголки нужно закрепить саморезами или винтами на площадке вдоль посадочного места лопасти как показано на рис. 1.21.

Рис. 1.21. Принцип построения лопасти

Последний подготовительный шаг, — разрезать пластиковую трубу на сегменты длиной 50–70 см, затем каждый сегмент вдоль на две половинки. Слегка зашкурить края, — и лопасти готовы.

Монтаж ветродвигателя проще всего производить прямо на месте установки, подтягивая гирлянду вверх по мере сборки.

Порядок такой: закрепить болтами верхнюю площадку на тросе, присоединить снизу лопасти (например, саморезами), подтянуть трос вверх, привернуть к лопастям нижнюю площадку, зафиксировать ее на тросе, и т. д.

Цена вопроса. Один квадратный метр ометаемой площади такой «ветроканализационной» установки, — 5 погонных метров гирлянды, — без стоимости генератора, мультипликатора и подвеса обойдется по ценам подмосковных стройрынков в 500–550 руб.

С учетом того, что при среднегодовой скорости ветра 5 м/с и качественном электрогенераторе с квадратного метра удастся получить в лучшем случае 12–13 Вт, это, пожалуй, дороговато. Однако отметим, что нам не понадобилось никаких глубоких знаний аэродинамики для сооружения долговечной ветроустановки приличной площади, причем буквально на коленках. Она не будет изводить соседей жутким воем, и не подвергнет вашу жизнь опасности при оледенении лопастей.

Если удастся в кустарных условиях изготовить лопасти из оцинкованного железа (лист 0,55 мм стоит 200 руб. за м²), и не в форме полусфер, а с оптимизированным профилем, то можно получить уже 20–22 Вт при стоимости гирлянды 320–330 руб. за квадратный метр ометаемой площади.

Каким образом можно еще упростить и удешевить конструкцию? Избавиться от горизонтальных площадок, закручивая сплошные лопасти по спирали вокруг вертикальной оси, и перейти к каркаснотепличному дизайну. Конструкций «завитых» Савониусов в сети предостаточно, попробуем сделать гирлянду, примерно как на фотографии с сайта www.aerotecture.com, только без всех этих окружающих палок и стержня, которые выгоднее пустить на нормальную мачту с растяжками.

Для начала, можно попробовать изготовить каркас (рис. 1.22) из алюминиевой полосы 2x12 мм по розничной цене 25 руб. за два метра. Разрезав на 4 части по 50 см и загнув по шаблону, получим 2 ребра для фиксации полиэтиленовой пленки. Диаметр гирлянды составит примерно 44 см (П. Колосов, http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm).

Рис. 1.22. Принцип создания каркаса

Полиэтиленовая пленка довольно хорошо тянется. Зажав пленку между полосами (свинченные вместе полосы будут хорошо сопротивляться изгибанию), нижнее ребро следует немного закрутить относительно верхнего против часовой стрелки.

В качестве дополнительных мер против разгибания гирлянды можно с помощью тонкой проволоки или капронового шнура связать зигзагом края и выступы соседних лопастей.

При вертикальном шаге между ребрами в 50 см на один погонный метр гирлянды уйдет примерно 6,5–7 м полосы или 85 руб.

Каркас для ометаемой площади в 1 м² (при диаметре 44 см это 2,27 погонных метра) обойдется в 200 руб. Цена обычной 100 мкм пленки 8–9 рублей за м². Итого: 210–215 руб. при минимальной массе гирлянды.

Конечно, лучше использовать светостабилизированную пленку, устойчивую к ультрафиолету. По заверениям производителей ее срок службы может доходить до двух-трех лет, при стоимости всего на 15–20 % дороже. Пусть будет 225 руб. С армированной пленкой, — 240 руб. С алюминиевой 100 мкм фольгой, используемой при теплоизоляции бань, — 270 руб.

Можно также использовать недорогую парусную ткань или любой другой подходящий материал. При всей своей недолговечности полиэтиленовая пленка за счет своей прозрачности имеет изрядное преимущество в эстетическом плане, делая гирлянду менее бросающейся в глаза. Да и тени меньше. Фольга, безусловно, претендует на приз зрительских симпатий за футуристический дизайн, — только представьте пляшущие по любимым грядкам солнечные зайчики.

Можно немного упростить конструкцию с полиэтиленом, заменив сдвоенные полосы на одну трубу 1x10 мм (19 руб. за п. м.), и крепя пленку к трубе, например, широким скотчем. В качестве походного варианта подойдет синтетическая ткань с нашитыми поперечными. полосами-карманами для труб-ребер и завязками по краям полотна.

Как и в любой другой конструкции, несущий каркас позволяет использовать очень тонкий материал для изготовления спирали. Вариантов каркасного исполнения можно придумать множество, соблюдая разумный баланс между ценой, прочностью, весом и сроком службы гирлянд.

Представляется интересной и другая возможность, — делать гирлянду-спираль сгибанием из достаточно тонкого алюминия или оцинковки, выпускаемых промышленностью в рулонах разной ширины, в том числе с уже нанесенным покрытием (П. Колосов, http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm).

По себестоимости материала это выйдет в 150–200 руб. за квадратный метр ометаемой площади (оптовые цены). Занятным вариантом было бы выгибать спираль нужной длины прямо на месте установки ветрогирлянд, а не соединять из коротких сегментов, загнутых в цеху. Для предотвращения разворачивания можно также использовать тонкий металлический трос, овивающий спираль в направлении, обратном закрутке лопастей.

Главной особенностью гирлянды является отказ от жесткого несущего стержня-опоры, что значительно облегчает и упрощает конструкцию ветродвигателя. Вес гирлянды является важным параметром, т. к. сильно влияет на требования к прочности и внешних опор, и тросов подвеса, и материала самой гирлянды. Поэтому естественно возникает вопрос, можно ли еще как-то улучшить отношение ометаемой площади к затраченному на лопасти материалу?

В принципе, можно вместо увеличения хорды лопастей оптимизированного профиля попробовать разнести их на некоторое расстояние друг от друга (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Модернизация ротора Савониуса

Конечно, такой вариант уже трудно назвать ротором Савониуса, в котором важную роль для повышения КИЭВ играет именно взаимодействие лопастей.

Можно ли пожертвовать определенной частью КИЭВ при условии, что некоторую потерю эффективности существенно перекроет рост ометаемой поверхности гирлянды? С одной стороны, конструкции в стиле чашечного анемометра серьезно уступают Савониусу. С другой, — профиль из упомянутого выше отчета в первую очередь подвергался оптимизации именно как отдельное крыло. Как поведет себя ветрогирлянда из двух разнесенных полуспиралей? Похоже, получить ответ можно лишь опытным путем.

Напрашивается опробовать гирлянду вообще из одной лопасти-спирали. При двукратном выигрыше в материалоемкости заметное падение КИЭВ, вообще-то, еще не гарантировано. Однолопастные пропеллеры, например, эффективнее многолопастных, а проблема балансировки для гирлянды-спирали из нескольких витков и с небольшой быстроходностью не так уж и актуальна. Конструкция однолопастной спирали в «каркасно-тепличном» исполнении очевидна.

Сплошные гирлянды-спирали из металлических или полимерных листов с современным долговечным декоративным покрытием (используются для изготовления наружной рекламы и отделки зданий, довольно дороги) могут найти интересное применение на городских улицах. Сочетание низкого шума, высокого КПД и привлекательного нарядного внешнего вида делают их отличными кандидатами на размещение вместо флагов на фонарных столбах городских магистралей.

Три трехметровые гирлянды (рис. 1.24) диаметром 33 см, закрепленные на одном столбе, эквивалентны по мощности ветроколесу диметром 2 метра — неплохой довесок к декоративной функции. Можно также располагать ветрогирлянды поперек улиц аналогично рекламным растяжкам. Вообще, вращающаяся гирлянда-спираль может неплохо вписаться в облик современного города, открывая новые возможности для дизайнеров и снижая затраты на уличное освещение.

Рис. 1.24. Строенная установка из трех гирлянд

Например, панно из размещенных вплотную ветрогирлянд с согласованной частотой вращения (т. е. механически замкнутых на один генератор) и с нанесенными на поверхность спиралей элементами изображения, может создавать различные визуальные эффекты, включая некое подобие анимации.

Такой необычный рекламный щит за счет двойного применения может иметь высокую окупаемость. В безветрие или при слабом ветре, не несущем почти никакой энергии, ветрогирлянды могут принудительно стопориться, или приводиться в движение с нужной угловой скоростью для формирования рекламного изображения, и вырабатывать электричество при сильных ветрах, которые собственно и переносят львиную долю энергии, но дуют относительно небольшое количество часов в году.

Удачное место для размещения малошумных гирлянд в городской черте, — плоские крыши высоких домов. Во-первых, это гарантированное обдувание со всех сторон, а во-вторых, размещенные по периметру здания крайние гирлянды также могут выполнять декоративные и рекламные функции.

При среднесезонной скорости ветра в 5 м/с, качественно изготовленной гирлянде и общем КПД мультипликатора и генератора 70 %, один квадратный метр ВЭУ выдаст 20–21 Вт электроэнергии. Для производства одного киловатта понадобится 50 м², или сто погонных метров при диаметре 50 см.

Ясно, что вместо одной очень длинной гирлянды в большинстве случаев придется вешать несколько коротких. Здесь возможны две стратегии. Во-первых, устанавливать на каждую гирлянду многополюсный генератор на постоянных магнитах соразмерной мощности. Гирлянда диаметром 80 см и длиной 25 м имеет площадь 20 м², как у ветроколеса диаметром 5 м, — теоретически можно раскошелиться и на отдельный генератор, суммируя затем уже электрическую мощность.

Однако есть и альтернатива установке мультипликатора и генератора под каждой гирляндой. Можно с помощью механических передач замыкать их на один генератор. Этому способствует маленький диаметр гирлянд, — их можно располагать достаточно близко. Очевидный вариант объединения механической мощности таков: угловые редукторы с парой конических шестерен передают вращающий момент от гирлянд общему горизонтальному тросу, закрепленному одним концом на валу генератора.

Это приведет к потере 3–5 процентов мощности на каждой гирлянде в одном ряду, и если рядов несколько, то еще столько же при вторичном суммировании рядов.

Так же вполне возможно, что оптимальной будет установка одного генератора промежуточной мощности на один ряд гирлянд, гибко сочетая оба вида суммирования: механический внутри ряда и электрический между рядами.

Подшипники вверху и внизу гирлянды необходимы в любом случае. В сущности, подвес и редуктор — единственные узлы ветродвигателя как такового, требующие серьезного механического производства.

Поскольку для ВЭУ достаточной мощности их потребуется не один и не два, а действительно много, их себестоимость в достаточно крупносерийном производстве должна быть умеренной.

Возможно, для удешевления механических редукторов подойдет стратегия их изготовления на китайский манер, — из пластика с ограниченным сроком службы и последующей периодической заменой быстроснашиваемых деталей.

По крайней мере, Такого правила придерживаются при сооружении ветропарков традиционных пропеллерных установок. Не исключено, что гирлянды можно будет разместить и несколько плотнее. В любом случае, не следует без особой нужды ставить их очень близко друг к другу, экономя пару десятков рублей на стоимости нескольких лишних метров троса, и теряя гораздо больше на фактическом снижении эффективной площади ветродвигателя.

Как известно, за удовольствие надо платить, и в случае ветрогирлянд это вопрос о мачте, — к чему подвешивать? Хорошо, если речь о даче, и можно натянуть горизонтальный несущий трос между парой деревьев или между деревом и шестом на крыше, чтобы цеплять одну или несколько гирлянд уже к нему. Для установок, претендующих на нечто более чем 50—100 Вт, понадобится специальное сооружение.

Очевидным плюсом является возможность использовать в качестве опоры мачту на растяжках, которая дешевле решетчатых башен как минимум в 2–2,5 раза. За счет потенциально высокой пространственной плотности размещения даже на одной мачте можно подвесить гирлянды значительной суммарной ометаемой площади.

Но желательно как можно дальше разнести гирлянды друг от друга, и от ствола. Наверное, это будут (увы, быстро) понижающиеся от мачты кольца гирлянд, или одно кольцо в виде расходящегося шатра. К сожалению, максимально использовать жизненно необходимую ветроустановкам высоту в случае одной единственной опоры очень трудно.

Уже легче, если мачт будет две, можно выстроить ряд гирлянд, или лучше два параллельных ряда, обеспечив просвет между плоскостями с помощью горизонтальных распорок, вставленных между несущими торсами рядов. Вариантов расположения и для одной, и для двух мачт можно придумать множество, нужно только не забывать, что:

♦ во-первых, система несущих тросов должна быть опускаемой;

♦ во-вторых, нижний край гирлянд также лучше закреплять на несущих тросах, растянутых на достаточном расстоянии от земли.

Ясно, что действительно значительное количество гирлянд можно подвесить лишь на пространственных ячейках по 3 или 4 опоры. Тогда одна мачта сможет поддерживать утлы сразу нескольких соседних ячеек с высокой плотностью заполнения гирляндами. Это существенно увеличивает минимальные начальные затраты на ветроустановку с одной ячейкой, зато если мощность планируется постепенно наращивать, добавление следующей ячейки потребует дополнительной установки уже только одной/двух, а не трех/четырех мачт.

По данным метеорологических наблюдений среднегодовая скорость ветра на большей части территории России редко достигает даже 5 м/с. Для Подмосковья средний ветер составляет 3,2 м/с летом и 4,2 м/с зимой. Казалось бы, какие уж тут ветроустановки, — гоняться за несколькими ваттами с квадратного метра. Но не все так плохо:

♦ во-первых, по оценкам самих метеорологов скорость ветра на многих городских метеостанциях систематически занижается на 1–2 м/с;

♦ во-вторых, в приземном слое почти всегда имеется значительная горизонтальная турбулентность, — те самые порывы ветра.

Нетрудно понять, что при слабом ветре его энергия в основном заключена именно в порывах. Так, ветер со средней скоростью 4 м/с, периодически на 15 % времени возрастающий еще на 4 м/с (классифицируется в метеорологии как ровный, а не порывистый!), будет содержать в 2 раза больше энергии, чем ламинарный поток 4 м/с.

В условиях городской застройки, когда сильные порывы чередуются с полным затишьем, эта разница будет еще большей. Обычное ветроколесо в подобных условиях, скорее всего, даже не сможет стартовать, не то что выработать электроэнергию. Так же, из этих соображений установка отдельных генераторов под каждой гирляндой выглядит несколько предпочтительней механического суммирования (и тем самым усреднения) моментов.

Можно возразить, что соответствующую турбулентным возмущениям пульсацию электрической мощности на выходе ветроэлектростанции трудно утилизировать, и даже не стоит за ней гнаться. Да, эта проблема существенна, причем для любых ветроустановок, включая и классические пропеллеры. Для ветряков в составе систем автономного питания удаленных от сети централизованного энергоснабжения фермерских хозяйств и поселков обычно предусматривают разделение потребителей на группы по требовательности к качеству электропитания. По крайней мере, в зимнее время скачки мощности всегда пригодятся для отопления помещений.

Можно надеяться, что проблема запасания энергии впрок, актуальная для всех установок на возобновляемых источниках энергии, все-таки обретет в недалеком будущем приемлемые по стоимости решения. Технологический прогресс в этой области налицо, включая бесчисленные варианты топливных элементов, тепловые аккумуляторы для коттеджей, и даже механические маховики.

Например, вот этот проект (http://www.membrana.ru/articles/technic/2006/08/30/133800.html) составит неплохую компанию ветропарку гирлянд для сглаживания кратковременных пульсаций.

Относительно простой способ накопления энергии в серьезных объемах, — гидроаккумулирующие электростанции. Однако, их сооружение требует особых географических условий и значительных затрат.

В отличие от ветроколес гирлянды могут легко сочетаться с другими сооружениями, если соответствующая дополнительная ветронагрузка будет заложена на стадии их проектирования. Ветрогенерирующая ЛЭП — звучит довольно заманчиво. Различные варианты такого «симбиоза» предлагает Билл Бекер (www.energy2006.net/presentations/Becker_3A.pdf):

♦ подЛЭП;

♦ на опорах контактной сети железной дороги для энергоснабжения станций, переездов, депо, с выдачей излишков в контактную сеть;

♦ между вантами и под полотном подвесного моста;

♦ горизонтальные гирлянды на несущем тросе в горных условиях, под пролетами мостов;

♦ мобильный вариант с подъемом на воздушном шаре от метеозонда.

1.9. Построение небольшого ветряного генератора

Пусть стоит задача для использования в отдаленной от цивилизации местности установить ветряную турбину, которая давала бы хоть немного электроэнергии, а позднее дополнить ее несколькими панелями солнечных батарей. AlexAAN по заказу РадиоЛоцман сделал перевод интересной американской статьи на эту тему.

Реально можно установить не дорогую, покупную турбину, а самодельную, которая не стоит почти ничего. Нужны лишь навыки работы руками и минимальные познания в электронике.

Конструирование ветряка автор Майкл Дэвис (USA) начал с поиска в Гугле информации о самодельных турбинах. Там было найдено множество описаний, самых различных по конструкции и по сложности. Пять элементов были общими для всех вариантов:

♦ генератор;

♦ ветроколесо;

♦ устройство, разворачивающее ветроколесо к ветру;

♦ мачта;

♦ аккумуляторы и электроника управления.

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

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

Вероятно, еще есть немало моторов с постоянными магнитами, разных изготовителей и моделей, которые можно было бы использовать в качестве генераторов; Но, при выборе мотора помните, что двигатель постоянного тока с постоянными магнитами может работать генератором, но его никогда не конструировали как генератор. Поэтому генераторы из них неважные.

Некоторые моторы совсем не годятся. Используемые в качестве генераторов, моторы, как правило, вынуждены вращаться со скоростью намного большей, чем та, для которой их рассчитывали.

Держитесь подальше от низковольтных или высокооборотных моторов. Вам необходим мотор, способный обеспечить 12 В при невысокой скорости вращения, и отдавать достаточный ток. Можно ожидать, что мотор с номинальной скоростью вращения 325 об/мин и номинальном питании 30 В, включенный генератором, сможет вырабатывать +12 В.

С другой стороны, мотор с номинальной скоростью 7200 об/мин и номинальном питании 24 В, вероятнее всего, не сможет дать вам 12 В, т, к. скорость его вращения слишком велика для ветряной турбины.

На Ebay автору удалось, всего лишь за $26, купить один из хороших 30-вольтовых моторов Ametek (рис. 1.25). Сейчас они уже стоят намного дороже из-за того, что все считают их идеальными генераторами. Но не зацикливайтесь на Ametek. Моторы других брендов тоже работают нормально.

Рис. 1.25. Внешний вид мотора Ametek

Купленный мотор работал великолепно. Даже поворачивая вал пальцами, можно было заставить ярко светиться 12 В лампочку. Но настоящий тест бы устроен вращением мотора электродрелью. К мотору была подключена нагрузка, на которой развивалась мощность в несколько сотен ватт.

Стало ясно, что если удастся сделать хороший комплект лопастей для вращения этого мотора, энергия от него обязательно будет получена.

Следующий шаг — изготовление лопастей и ступицы. Многие вырезают лопасти из дерева. Такой вариант является чрезмерно трудоемким.

Лопасти можно вырезать из секций ПВХ трубы. Сначала вы должны решить для себя, какого размера лопасти нужны. Затем можете отправляться в магазин. Само собой разумеется, вы должны купить отрезок трубы такой же длины, какими будут лопасти.

Например, для лопастей 50 см надо купить трубу диаметром 10 см. Из одного отрезка трубы можно сделать 4 лопасти.

Итак, вы принесли домой ПВХ трубу. В нашем примере, для лопастей 50 см. Этапы создания лопастей представлены на рис. 1.26.

Рис. 1.26. Этапы создания лопастей

Первым делом надо разрезать трубу вдоль на четыре одинаковых секции. Размечать цилиндрическую поверхность трубы без каких-либо приспособлений сложно. Лучше всего взять большой лист бумаги и плотно обмотать его вокруг трубы. Край листа поможет провести прямую линию на трубе.

Ширина листа будет равна, длине окружности. Затем сложите лист бумаги пополам и отметьте половину окружности трубы. Наконец, сложите лист в четыре раза. Таким методом вы сможете аккуратно провести прямые линии по всей длине трубы. А теперь берите пилу, и разрезайте трубу на две половины. А теперь каждую половину еще раз пополам.

Обработайте четыре заготовки. Теперь, с каждой из четырех заготовок, мы должны проделать следующее:

♦ сделать прямоугольные вырезы длиной порядка 5 см у основания будущих лопастей. Прежде чем резать заготовки, надо просверлить в углах отверстия, чтобы не нарушать структурную целостность материала. Вырезы следует делать аккуратно, стараясь не задеть пилой просверленные отверстия;

♦ обрезать заготовки наискосок от конца к основанию.

Следуя общему рецепту (рис. 1.26), кое-что можно сделать по-другому (рис. 1.27).

Рис. 1.27. Вариант методики создания лопастей

Купить трубу из ABS, а не ПВХ. Диаметр трубы взять 150 мм, вместо 100 мм. И увеличить длину лопастей с 50 см до 61 см. Разрезать трубу вдоль на четыре части. Вырезать одну лопасть и дальше использовать ее как шаблон для вырезания остальных. В результате получаться три рабочие лопасти и одну запасную.

Затем, используя шкурильную машину, снять с лопастей заусенцы и сгладить края, стараясь придать им лучшую аэродинамическую форму. Не знаю, насколько это улучшает их свойства, но уж точно, портит (рис. 1.27, б).

Изготовление ступицы

Теперь надо сделать ступицу, чтобы привернуть к ней лопасти и насадить на вал мотора. Нужен зубчатый шкив, который бы идеально надевался на вал. Если имеющийся у вас вал имеет слишком маленький диаметр, чтобы присоединить лопасти, то можно использовать алюминиевый диск диаметром 125 мм.

Привернуть к нему лопасти было возможно, но надеть на вал мотора нельзя. Соединяем эти две детали вместе (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Изготовление ступицы

Сверля отверстия, стуча молотком и закручивая болты, делаем ступицу. Вот ветроколесо в сборе, после присоединения лопастей к ступице (рис. 1.29, а). А на рис. 1.29, б изображено ветроколесо с другой стороны.

Рис. 1.29. Ветроколесо в сборе, после присоединения лопастей к ступице

Можно закрыть ступицу обтекателем. С ним ветроколесо приобретало бы совсем профессиональный вид, и никто не поверил бы, что оно сделано из сантехнической трубы и хлама, найденного в мастерской.

Но на одном сайте есть утверждение, что такие обтекатели срывают воздушный поток и снижают эффективность турбины. Поэтому было решено обтекатель не устанавливать. По крайней мере, на первом этапе.

Рис. 1.30. Использование обтекателя

Изготовление флюгера и окончательная сборка

Теперь надо было собрать турбину. Считая, что все должно быть просто, насколько возможно, мотор был притянут двумя хомутами к куску доски сечением 5x10 см.

Из куска 100 мм ПВХ трубы был вырезан кожух, чтобы защитить мотор от непогоды. Хвост, благодаря которому флюгер разворачивался бы по ветру, можно вырезал их куска алюминиевого листа. Размеры указаны на рис. 1.31. Хотя вряд ли хоть один из них может быть критичным.

Рис. 1.31. Внешний вид и габариты флюгера

Создание мачты и подшипника

Далее нужно сделать мачту и подшипник, который позволял бы флюгеру легко разворачиваться по ветру. Замечено, что стальная труба диаметром 1" с минимальным трением вращается внутри стальной ЕМТ трубы 1¹/₄", используемой при прокладке электропроводки. Тогда в качестве мачты можно использовать длинную трубу 1¹/₄", а на ее концах водопроводные фитинги 1».

К флюгеру (рис. 1.32), на расстоянии 19 см от генератора, нужно привернуть стальной дюймовый фланец и ввернуть в него кусок трубы длиной 25 см. Этот кусок, вставленный в мачту, мог бы вращаться в ней не хуже, чем в подшипнике. Провода от мотора следует пропустить бы в мачту через отверстие, просверленное в доске флюгера.

Рис. 1.32. Основание флюгера

Основание мачты (рис. 1.33) диаметром 60 см можно вырезать из фанеры.

Рис. 1.33. Конструкция основания мачты

Затем следует сделать U-образную конструкцию из водопроводных фитингов, вставив тройник посередине. Тройник свободно вращается, что впоследствии позволит опускать мачту. После этого, через переходник с 1¹/₄" на 1", нужно привернуть отрезок трубы длиной 30 см.

Между переходником и тройником желательно вставить еще один 1" тройник, через отверстие которого можно было бы выпустить идущие от флюгера провода. Рекомендуется просверлить отверстия в деревянном круге, чтобы иметь возможность закреплять основание на земле с помощью шпилек.

На рис. 1.34 флюгер и основание показаны вместе. Теперь вы можете представить себе, как будет выглядеть вся конструкция после того, как две части будут соединены трехметровой трубой. Однако постройкой генератора автор Майкл Дэвис занимался во Флориде, а использовать его собирался в Аризоне.

Рис. 1.34. Флюгер и основание вместе

Затем все деревянные детали желательно покрасить в два слоя, например, белой латексной краской. Последний снимок (рис. 1.35) сделан после того, как ветроколесо было присоединено к мотору. Сборка генератора закончена.

Рис. 1.35. Сборка генератора закончена

Контроллер заряда — поиск решения

Теперь, когда все части генератора были готовы, пришло время подумать об электронной части проекта. Ветроэлектростанция должна состоять из:

♦ из ветрогенератора;

♦ одной или нескольких аккумуляторных батарей, для сохранения энергии, получаемой от генератора;

♦ блокировочного диода, который не позволяет генератору раскручиваться от напряжения аккумуляторов;

♦ балластной нагрузки для «слива» избыточной энергии после полного заряда аккумуляторов, и управляющего всем узлами контроллера.

Для целей солнечной и ветроэнергетики разработано множество контроллеров. Почти все можно купить на Ebay. Но автор решил сделать собственный, и опять полез в Google. Информации нашлось много, включая полные принципиальные схемы контроллеров заряда. За основу своей схемы была взята эта:

http://www.fieldlines.eom/story/2004/9/20/0406/27488

На этом англоязычном сайте все описано в мельчайших подробностях, поэтому затрону описание контроллера в довольно общих выражениях. Независимо от того, покупная у вас турбина, или самодельная, контролер для нее нужен всегда. Основное назначение контроллера состоит в том, чтобы отслеживать напряжение на аккумуляторах и энергию турбины направлять:

♦ либо в аккумуляторы;

♦ либо, если аккумуляторы полностью зарядились, в дополнительную нагрузку.

Схема и пояснения из приведенной выше ссылки хорошо объясняют принцип его работы.

На рис. 1.36 представлено фото контроллера в сборе.

Рис 1.36. Внешний вид контроллера

Для начала все детали можно привернуть к листу фанеры. Со временем желательно смонтировать их в водонепроницаемом корпусе.

Небольшая макетная плата по центру В нижней части фотографии, с микросхемами и другими деталями, — собственно, и есть контроллер. На серебристом уголке под макетной платой установлены две кнопки, с помощью которых можно вручную переключать ток генератора либо на аккумуляторы, либо на дополнительную нагрузку.

На большом черном теплоотводе в нижнем левом углу находятся два блокировочных диода на ток 40 А.

Пока используется только один, но второй понадобится, если встанет задача поставить еще один ветрогенератор или солнечную батарею.

Двойной ряд золотистых прямоугольников вверху — это гасящая нагрузка, собранная из мощных резисторов. Сопротивление каждого резистора 2 Ом. Они используются для отвода мощности турбины при полном заряде аккумулятора, и кроме того, служат эквивалентом нагрузки при испытаниях турбины.

В дальнейшем можно использовать эту энергию каким-либо более полезным способом. Например, для нагрева воды, или для заряда еще одного аккумулятора. Ниже гасящей нагрузки, слева, установлен главный предохранитель ветрогенератора. Небольшой серый кубик — это автомобильное реле на 40 А. Именно оно переключает ток турбины между аккумулятором и нагрузкой. По правой стороне расположился ряд клеммных контактов, с помощью которых я произвожу все внешние подключения.

Схема контроллера заряда

Генератор турбины подключается к контроллеру. От контроллера идут провода к аккумулятору. Туда же подключается и нагрузка. Если напряжение на аккумуляторе падает ниже 11,9 В, контроллер подключает генератор к аккумулятору, и последний начинает заряжаться (рис. 1.37).

Если напряжение аккумулятора достигает 14 В, контроллер подключает к нему дополнительную нагрузку. Оба пороговых напряжения, 11,9 В и 14 В, можно изменять подстроечными резисторами. Интересуясь в Интернете, какими же должны быть эти пороги для свинцовых аккумуляторов, я обнаружил некоторые расхождения у различных авторов. Для своей схемы я взял усредненные значения.

При напряжении аккумулятора между 11,9 В и 14 В, контроллер может переключать систему между зарядом и отдачей тока в нагрузку.

Желтый светодиод зажигается во время зарядки аккумулятора. Когда аккумулятор заряжен, и избыточная мощность отводится в дополнительную нагрузку, загорается зеленый светодиод. Таким образом, имеется минимальная обратная связь, позволяющая понять, что происходит в системе. Кроме того, с помощью мультиметра можно измерять напряжения в любых точках. Все это не очень удобно.

Еще желательно добавить вольтметр и амперметр, возможно, например, от автомобильного приборного щитка.

При исследовании схемы с помощью внешнего источника питания можно имитировать различные режимы заряда и разряда аккумулятора, и настроить контроллер. Устанавливая напряжение 11,9 В, а затем 14 В, нужно выставить подстроечными резисторами требуемые пороги.

Исследовав подробнее правила заряда свинцовых аккумуляторов, верхний порог автор установил равным 14,8 В.

Короче, всегда подключайте аккумуляторную батарею первой, а ветрогенератор вслед за ней. И наоборот, разбирая систему, убедитесь, в первую очередь, что генератор отключен. Батарею отключайте последней.

Наконец, представлю вам принципиальную схему. Она лишь немного отличается от прототипа, ссылка на который приводилась выше. Некоторые детали автор заменил на те, которые уже были у него, чтобы не тратиться на покупку новых. Советую вам поступать также. Совершенно не обязательно повторять схему один в один.

_{Замечание: С3с и IC3d не используются. Заземлите их входы, а выходы оставьте свободными.}

_{IC1 — LM7808 стабилизатор напряжения +8 В}

_{IC2 — LM1458 сдвоенный операционный усилитель}

_{IC3 — CD4001 4 логических элемента «2И-НЕ»}

_{Q1 — IRF540 MOSFET}

_{D1…D3 — блокировочные диоды, рассчитанные на максимальный ток подключаемых источников}

_{D4 — 1N4007}

_{LED1 — желтый светодиод LED2 — зеленый светодиод}

_{F1 — предохранитель, рассчитанный на максимальный суммарный ток всех подключаемых источников}

_{F2 — предохранитель 1 А в шине питания электроники контроллера RLY1 — автомобильное реле на коммутируемый ток 40 А РВ1, РВ2 — кнопки без фиксации}

_{Все резисторы 0,25 Вт ±10 %}

Рис. 1.37. Принципиальная схема генератора

Установка мачты

Первым делом нужно сделать и установить мачту. Нужен трехметровый кусок водопроводной трубы диаметром 1¹/₄ дюйма. Дальше сборка происходила быстро. Вбив в землю четыре больших деревянных кола, следует привязать к ним нейлоновые растяжки (рис. 1.38).

Рис. 1.38. Установка мачты

Талрепы на нижних концах растяжек должны позволять без труда выровнять мачту по вертикали. Со временем нейлоновые растяжки могут быть заменены тросами, а деревянные крылья стальными. Но и сейчас все работало прекрасно.

А на этой фотографии (рис. 1.39) с близкого расстояния показано, как закрепить растяжки в верхней части мачты.

Рис. 1.39. Крепление растяжек в верхней части мачты

На фотографии (рис. 1.40) видно установленное на землю основание мачты, и провод, выходящий через тройник в нижней части трубы.

Рис. 1.40. Основание мачты

Для подключения генератора к контроллеру можно использовать старый сетевой удлинитель со сломанной розеткой, обкусив его с обоих концов. Протащить провод через трубу было совсем легко, т. к. стояла холодная погода, и провод был очень жестким. В теплую погоду для этого, скорее всего, потребовалась бы специальная стальная поволока.

На этой фотографии (рис. 1.41) показана турбина, установленная на конце мачты. Следует нанести смазку на трубу в нижней части флюгера и вставить ее в верхнюю часть водопроводной трубы. Получился прекрасный подшипник.

Рис. 1.41. Турбина, установленная на конце мачты

Подул ветер, и турбина закрутилась (рис. 1.42). Впрочем, турбина все равно давала много энергии, несмотря на то, что скорость ветра не превышала 10 м/с.

Рис. 1.42. Подул ветер, и турбина закрутилась

Работа устройства

На этой фотографии (рис. 1.43) показаны контроллер, аккумулятор и всяческая, подключенная к ним, электроника и электротехника. Вы можете видеть инвертор на 120 В (вариант для Северной Америки. Прим. редактора) и мультиметр для наблюдения за напряжением аккумулятора и турбины.

Рис. 1.43. Электроника ветрогенератора и нагрузки крупным планом

К инвертору подключены электробритва и зарядное устройство для аккумуляторов. Позднее с помощью сетевого удлинителя автор провел электричество прямо в свою палатку.

На рис. 1.43 электроника видна крупным планом. Мультиметр показывает, что турбина вырабатывает напряжение 13,32 В. А электробритва и зарядное устройство через инвертор нагружают систему.

А на рис. 1.44 мультиметр показывает, что турбина вырабатывает напряжение 13,49 В. Следует отметить, что напряжение нагруженной турбины от скорости ветра зависит мало. Как только начинает дуть ветер, турбина разворачивается к нему и начинает вращаться. Турбина раскручивается все быстрее и быстрее, до тех пор, пока ее выходное напряжение не превысит сумму напряжения на аккумуляторе и падения на диоде (это что-то около 13,2 В, в зависимости от степени заряда аккумулятора).

Рис. 1.44. Напряжение нагруженной турбины от скорости ветра зависит мало

Как только напряжение превышается, турбина сразу получает нагрузку из-за подключения аккумулятора. Теперь, чем сильнее дует ветер, тем большим током заряжается аккумулятор, а скорость вращения турбины от скорости ветра почти не зависит. Система прекрасно саморегулируется.

Конечно, как поведет себя турбина при шторме, сказать сложно. Но очевидно, что балластная нагрузка, подключаемая контроллером к турбине, очень эффективно выполняет функцию тормоза, даже при сильных порывах ветра. А замыкание турбины накоротко тормозит ее еще лучше.

Во что же обошлась такая самодельная ветроэлектростанция автору этой конструкции в США? Примерно в 150 долларов. Не так уж плохо. Промышленная турбина соизмеримой мощности, промышленные контроллер и мачта обошлись бы $750—$1000.

Дальнейшие пути по усовершенствованию этой системы:

♦ смонтировать электронику в водонепроницаемом корпусе.

♦ подключить приборы для контроля напряжения батарей и тока заряда/разряда.

♦ подключить тахометр для измерения скорости вращения.

♦ увеличить количество аккумуляторов.

♦ добавить еще одну турбину или солнечную батарею.

♦ приобрести более мощный инвертор.

♦ придумать что-то для автоматического флюгирования или торможения турбины при сильном ветре.

♦ сделать для мачты бетонный фундамент

♦ увеличить высоту мачты и заменить нейлоновые растяжки стальными тросами.

Сайт автора этой ветроэлектростанции стал очень популярным. Ответы на наиболее часто задаваемые вопросы он размещает на сайте. Некоторые помещу в книгу (http://www.radiolocman.com/shem/schematics.html?di=61775).

Вопрос 1:

Что вы делаете, чтобы защитить силовой кабель внутри мачты от закручивания?

Ответ:

Вопрос 2:

Можете ли вы помочь мне сконструировать такую турбину, которая снабжала бы электричеством весь мой дом (ферму), чтобы я мог уйти из-под опеки энергетической компании?

Ответ:

Вопрос 3:

Над чем вы работаете сейчас?

Ответ:

1.10. Походная ветроэлектростанция

Походная ветроэлектростанция проста в изготовлении, не требует особых материалов. Методика создания представлена на http://www.freeseller.ru/. Электрическим генератором служит велосипедная «динамка», вал которой вращается с помощью пропеллера.

Лопасти пропеллера вырезаются из фанеры толщиной 3 мм и крепятся винтами М4 к втулке, выстроганной из деревянного бруска.

При изготовлении втулки надо учитывать следующее: лопасти устанавливают так, чтобы пропеллер вращался по часовой стрелке. В середине втулки сделайте отверстие диаметром немного меньшим, чем диаметр шкива генератора. В этом месте втулка усиливается металлической накладкой, которая прибивается мелкими гвоздями. Шкив во втулку надо запрессовать. Пропеллер накручивается на вал генератора и закрепляется гайкой. Чертежи походной ветроэлектростанции показаны на рис. 1.45.

Рис. 1.45. Походная ветроэлектростанция

Штанга изготовлена из деревянной рейки. На переднем конце ее сделана выемка и просверлено отверстие для крепления генератора.

Выемка усилена металлической накладкой, прибиваемой к штанге. На заднем конце штанги двумя шурупами закреплен хвостовик, вырезанный из фанеры толщиной 3 мм.

Штанга надета на полую ось-трубку, для чего в штанге просверлено отверстие по диаметру трубки. Сверху и снизу прибиты накладки из жести. Штанга закреплена на оси с помощью кольца, изготовленного из отрезка резиновой трубки. Надетая на трубку, штанга должна легко поворачиваться при изменении направления ветра.

Зарядное устройство собрано на плате, которая помещается в коробку. Эта коробка сколочена из двух дощечек и трех фанерок. Фанерная крышка коробки привинчена шурупами.

Все деревянные детали ветроэлектростанции следует дважды покрасить масляной краской или нитрокраской для защиты от влаги.

Генератор походной ветроэлектростанции работает на зарядку аккумуляторной батареи. Переменный ток, вырабатываемый «динамкой», выпрямляется с помощью моста из четырех диодов с током не менее 100 мА. Выпрямленный ток поступает на зарядку трех аккумуляторных элементов типа Д-0,26, которые собираются в батарею и вставляются между зажимами, изготовленными из латуни или жести.

Параллельно выпрямителю надо подсоединить электролитический конденсатор емкостью 50—100 мкФ. Он сгладит пульсацию. Для измерения напряжения следует приобрести вольтметр на 10 В.

Время зарядки аккумуляторов зависит от величины напряжения, которое дает «динамка» или вернее — от силы ветра. Чем сильнее ветер, тем быстрее произойдет зарядка. Обычно она занимает несколько часов.

Провода, идущие от генератора, сначала подсоединены к винтам клеммника, выполненного из изоляционного материала. Далее провода пропущены через трубку и затем подсоединены к другому клеммнику на опорной стойке. Лишь после этого провода подключены к выходным клеммам зарядного устройства, закрепленного на стойке.

В рабочем положении походной ветроэлектростанции опорная стойка привязывается или прибивается к временному опорному шесту.

Чтобы использовать походную ветроэлектростанцию для освещения, придумано специальное устройство. Оно состоит из корпуса от электрического фонарика, в который вместо батареек вставлен деревянный вкладыш. Один провод идет от лампочки через отверстие в крышке корпуса, второй крепится к корпусу снаружи. Оба провода подключаются к зарядному устройству.

Походная ветроэлектростанция компактна и весит около 1,5 кг, быстро разбирается: отвинчивается пропеллер, снимается лопасть, штанга снимается с оси, отсоединяется хвостовик. После этого части ветроэлектростанции укладываются в чехол из плотной материи. В чехле есть карманы для фонарика и зарядного устройства. Желательно пришить к чехлу ремень, чтобы носить ветроэлектростанцию через плечо.

1.11. Самодельная ветроэлектростанция с самовращающимся барабаном

В принцип работы ветроэлектростанции заложена известная еще в давние времена схема с самовращающимся барабаном (подробности см. на http://idea-master.ru/). Устройство представляет собой две половинки полого цилиндра, которые после его разрезки раздвигались в стороны от общей оси. Образовавшееся тело обладает ярко выраженной аэродинамической несимметричностью. Набегающий поперек его оси поток воздуха как бы соскальзывает с выпуклой стороны одного полуцилиндра. Зато другой стороне, обращенной к ветру своеобразным карманом, оказывается значительное сопротивление. Барабан поворачивается, полуцилиндры меняются местами все быстрее и быстрее, и вертушка, таким образом, быстро раскручивалась.

Подобная схема выгодно отличается от ветроэлектростанции с пропеллерной вертушкой. Во-первых, она не требует при изготовлении большой точности и дает широкий выбор применяемых материалов. Во-вторых, она компактна.

И если пропеллерную вертушку нужно устанавливать на высокой штанге или на крыше дома (этого требует техника безопасности), то вертушку-барабан можно ставить прямо на земле, под навесом.

Есть у барабана и еще ряд достоинств:

♦ большой крутящий момент при малых оборотах (значит, можно обойтись либо совсем без редуктора, либо использовать простейший одноступенчатый);

♦ отсутствие щеточного токосъемного механизма.

Конструкция ветроэлектростанции представлена на рис. 1.46.

Рис. 1.46. Конструкция ветроэлектростанции

Лопасти можно сделать из фанеры, кровельного железа, дюралюминиевого листа или листового пластика подходящих размеров.

Если вы воспользуетесь кровельным железом, вертикальные края лопастей усильте, подложив под отбортовку металлический пруток диаметром 5–6 мм. Если вы решили сделать детали вертушки из фанеры (ее толщина должна быть 5–6 мм), не забудьте пропитать заготовки горячей олифой. Щеки барабана можно изготовить из древесины, пластмассы или легкого металла. Собирая барабан, не забудьте промазать места стыков густой масляной краской.

Крестовины, соединяющие отдельные лопасти в ротор, лучше сварить или склепать из стальных полос сечением 5x60 мм. Можно использовать и древесину: толщина заготовки не менее 25 мм, ширина — 80 мм. Ось для вертушки проще всего сделать из двухметрового отрезка стальной трубы с внешним диаметром около 30 мм.

Перед тем как подбирать заготовку для оси, найдите два шарикоподшипника, желательно новые. Согласовав размеры трубы и подшипников, вы избавите себя от лишней работы по подгонке трубы к внутренним обоймам подшипников. Стальные крестовины ротора привариваются к оси, деревянные крепятся эпоксидным клеем и стальными штифтами диаметром 5–6 мм, проходящими одновременно через каждую крестовину и трубу. Лопасти смонтируйте на болтах M12.

Собрав барабан, снова покройте стыки деталей густой масляной краской. Главный элемент установки готов.

Ее можно сварить или склепать ее из металлического уголка (годится и деревянный вариант). На готовую станину установите шарикоподшипники.

Все детали установки дважды покройте масляной краской, на нижнем конце оси закрепите набор шкивов различного диаметра.

Перекинутый через шкив вертушки ремень соедините с генератором электрического тока, например, автомобильным (как вариант, можно попробовать применить электродвигатель стеклоочистителя). Построенный образец ветроэлектростанции при скорости ветра 10 м/с сможет обеспечить мощность, передаваемую на генератор, равную 800 Вт.

Ну а если стоит безветренная погода или ветер слишком слаб, чтобы давать необходимую электроэнергию? Перебоев в выработке электричества не будет, если воспользоваться накопителем энергии — аккумулятором. Ветер есть — пускайте электричество напрямую к потребителю, ветра нет — включайте заряженные от ветроэлектростанции аккумуляторы.

Возможен вариант накопления электроэнергии и получения переменного напряжения 220 В. Для этого можно использовать электронную «начинку» от компьютерного источника бесперебойного питания (UPS), как правило, в них чаще всего первым выходит из строя аккумулятор, поэтому б/у UPS всегда можно купить за символические деньги.

Если ветряк будет использоваться для поливки огорода или сада, его нужно смонтировать прямо над источником воды.

1.12. Как построить простой ветрогенератор практически из отходов

Рассмотрен ветрогенератор, сделанный практически из отходов (http://www.velacreations.com/makechispito.html). Большинство инструментов могут оказаться в вашей мастерской или легко куплены.

Система использует мотор постоянного тока с напряжением 260 В и с током 5 А.

Материалы: квадратная трубка толщиной 25 мм и длиной 90 см; фланец 5 см; ниппель (патрубок) 5x15 см; 3 фиксирующих винта длиной 20 мм.

Для мотора: собственно мотор 260 В 5 А; блокирующие диоды на 30–50 А; два болта для мотора на 9 мм; полихлорвиниловую трубку 8x30 мм.

Для хвостовика: примерно 30x30 см легкого материала; 2 винта по 9 мм.

Для лопастей: полихлорвиниловая трубка длиной 600 мм диаметром 200 мм; 6 болтов 7 мм диаметром; 9 шайб по 7 мм.

Чертеж лопастей и хвостовика показан на рис. 1.47.

Рис. 1.47. Лопасти и хвостовик

Возьмите полихлорвиниловую трубку длиной 60 см и диаметром 20 см. С помощью транспортира разметьте углы: 100°, 100°, 100° и 60° (рис. 1.48). Напротив каждой отметки прочертите на трубе вертикальную линию. Распилите лобзиком трубу по вертикальным линиям. Куски по 100° получатся шириной примерно по 174 мм. Кусок 60° остается лишним.

Рис. 1.48. Разметка лопастей

Нанесите на каждом куске метку на расстоянии от края 29 мм, а от другого края (на противоположной стороне) на расстоянии 145 мм (в сумме 145+29 и составят 174 мм). Нанесите карандашом линию между линия а этими метками и распилите лобзиком кусок трубы по этой линии (рис. 1.49).

Рис. 1.49. Распилка лопастей

Получили 6 фрагментов лопастей. Далее каждый фрагмент нужно зачистить для получения желаемой формы. Лопасти стыкуются между собой, образуя переднюю и заднюю стенки, соответственно ведущий край и отстающий край. Ведущий край нужно закруглить, а отстающий край — заточить. Размещение краев и стенок показано на рис. 1.50.

Рис. 1.50. Размещение лопастей

Фрагменты лопастей скрепляются винтами. Лопасти в сборе привинчиваются к втулке каждая 2 винтами. Полная комплектация ветроэлектростанции показана на рис. 1.51.

Рис. 1.51. Комплектация ветроэлектростанции

1.13. Выбираем ветрогенератор промышленного производства

Не так просто, как кажется, выбрать ветрогенератор, отвечающий всем требованиям. Поддавшись рекламе продавцов, потратив деньги и время на установку ветрогенератора, в скором времени большинство потребителей убеждаются, что он может быть в лучшем случае игрушкой (отмечается на http://eko-save.ru/a-energy/165).

Каждый продавец утверждает, что его ветрогенераторы самые лучшие, и приводит массу доводов в пользу этого утверждения. Для примера возьмем ВЭУ-2000, который позиционируется на российском рынке как самая лучшая модель ветрогенератора. Так ли это на самом деле?

Производители заявляют, что он изготавливается на основе высоких технологий обороной промышленности и содержит набор оригинальных технических решений. Они обеспечили ему значительный отрыв от конкурентов. Производители утверждают, что это уникальная машина, аналогов которой в мире сегодня нет.

Достоинств много. Этот ветрогенератор практически не шумит, длительное время не требует технического обслуживания. Срок эксплуатации рассчитан на десять лет. Специальная металлокерамическая пленка покрывает трущиеся поверхности, снижая трение до чрезвычайно малых значений. Точно так же обрабатываются подшипники установки.

Мощность ветряка в 2000 Вт производители считают вполне достаточной. Они говорят, что если применить энергосберегающие лампочки и прочее современное домашнее электрооборудование энергосберегающего класса — этой мощности хватит с запасом.

Действительно большинство ветряков шумит так, что конфликты с соседями будут неизбежны, но этот на самом деле малошумный и этому требованию отвечает. Что касается выдаваемой мощности, здесь мягко выражаясь, сильно преувеличено.

Российский ветрогенератор «ВЭУ-2000» выдает номинальную мощность при ветре 10 м/с. Поскольку вся его мощность составляет 2000 Вт, при ветре до 5 м/с он будет выдавать столь малый процент от своей мощности, что его практически ни на что не хватит. Вывод однозначный — это далеко не лучший ветрогенератор для моловетрянных районов!

Есть ли на рынке вообще ветрогенератор, отвечающий российским требованиям? Есть, но выпускают их на Украине. Это бесшумный, инерционный — «ЩРПМ — DPV (G)200-2.0», собирается на производственных площадях ДП Верано в Одесской области. Он еще называется ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРО-ГЕНЕРАТОР памяти АДАМСА. Его конструкция представлена на рис. 1.52.

Рис. 1.52. Конструктивно-силовая схема расположения и фиксации модулей генератора Адамса

Кроме бесшумности, он отвечает главному требованию — вырабатывает номинальную мощность уже при ветре 3 м/с, начинает вращение при ветре 0,17—0,5 м/с. Этот ветрогенератор вертикального исполнения, ему неважно направление ветра, не требуется поворотное устройство. Он безредукторного типа, снабжен всего одним опорным подшипником с 500-разовым запасом прочности производства Японии.

Вращение ротора основано на магнитной левитации, практически без трения, поэтому он считается необслуживаемым: гарантия 5 лет, срок службы 25 лет. Один раз установите, и вам не потребуется к нему подходить годами.

Поэтому такой ветрогенератор (соответствующей мощности) можно установить на стену, рядом с окном вашей квартиры в многоэтажном доме, на балконе, на крыше или на мачте рядом с домом. Так как он низкооборотный, то не представляет опасности для пчел и птиц.

Но цена его очень высока: модель на 5 кВт стоит 500 тысяч рублей, а на 10 кВт переваливает за миллион.

Как выход из этого положения — ветрогенератор парусного типа! Он отвечает всем российским требованиям: низкооборотный, бесшумный, выдает номинальную мощность при ветре 4–5 м/с. Модель с мотор-редуктором на 4 кВт стоит 80 тыс. руб. Серийно в России эти ветрогенераторы никто не выпускает, но делают под заказ, на любую мощность.

В настоящее время существует еще более совершенная модель ветрогенератора парусного типа — безредукторная. Она проще и дешевле, в ней нет не только редуктора, но и мотора. Изготовители утверждают, что эту модель можно собрать «на коленке». Роторные катушки, расположенные на ветроколесе, наматываются обычным осветительным, алюминиевым проводом, в изоляции. Статорные катушки, расположенные на поворотном устройстве, наматываются также осветительным проводом.

Они продают готовые ветрогенераторы такого типа на 10 и 30 кВт или документацию для самостоятельного изготовления. Беда в том, что у российских предпринимателей волчий аппетит! Для того чтобы изготовить такой ветрогенератор самостоятельно, нужно знать размеры ветроколеса и данные катушек: диаметр провода, число витков. Все это может разместиться на половине страницы, а предприниматели требуют за это 10–20 тыс. руб.!

1.14. Ветроэлектростанции промышленного изготовления

Ветроэлектростанция — устройство позволяющее преобразовывать чистую, природную энергию ветра в электричество, широко используемое человеком в своей повседневной жизни. Установка WE1500 представляет собой высокоэффективную, бесшумную, самоориентирующуюся систему способную работать в автономном режиме при минимальных скоростях ветра от 2 м/с.

При ветре 10 м/с WE1500 может производить электроэнергию мощностью более 1,5 кВт. Использование генератора без повышающего редуктора (мультипликатора) позволяет во много раз увеличить срок необслуживаемого использования, и позволяет в течение срока службы эксплуатировать WE1500, не прибегая к плановой замене деталей или узлов. Отсутствие редуктора позволяет добиться старта ВЭС при самом слабом ветре и делает работу наших ветряков бесшумной.

Характеристики электростанции WE1500:

Комплектация электростанции WE1500:

Рис. 1.53. Система с использованием WE1500

WE3000 является ВЭС второй величины с позаимствованными элементами самого лучшего у WE1500. Но, в то же время, WE3000 является принципиально новой машиной с большим диаметром турбины, иной конструкцией лопастей и мощным генератором очень надежной конструкции.

Установка WE3000 представляет собой высокоэффективную, бесшумную, самоориентирующуюся систему способную работать в автономном режиме при минимальных скоростях ветра от 2 м/с. При ветре 10 м/с WE3000 может производить электроэнергию мощностью более 3 кВт.

Использование генератора без повышающего редуктора (мультипликатора) позволяет во много раз увеличить срок необслуживаемого использования, и позволяет в течение срока службы эксплуатировать WE3000, не прибегая к плановой замене деталей или узлов. Отсутствие редуктора позволяет добиться старта ВЭС при самом слабом ветре и делает работу наших ветряков бесшумной.

Характеристики электростанции WE3000:

WE8000 является ВЭС третьей величины и имеет принципиальное новое конструктивное исполнение не похожее на предыдущие модели WE1500—WE5000. Помимо электродинамического тормоза, характерного для менее мощных ВЭС, WE8000 оснащена дополнительной системой гидравлического тормоза главного вала, приводящегося в действие при шквальных ветрах в качестве дублирующей системы безопасности и аварийной остановки турбины.

Установка WE8000 представляет собой высокоэффективную, бесшумную, самоориентирующуюся систему способную работать в автономном режиме при минимальных скоростях ветра от 2 м/с.

При ветре 10 м/с WE8000 может производить электроэнергию мощностью более 8 кВт.

Использование генератора без повышающего редуктора (мультипликатора) позволяет во много раз увеличить срок необслуживаемого использования, и позволяет в течение срока службы эксплуатировать WE8000, не прибегая к плановой замене деталей или узлов.

Характеристики электростанции WE8000:

Описание ветроэлектростанции. Простая и легкая в установке ветроэлектростанция EuroWind 2 монтируется даже в одиночку. Такой электростанции полностью хватает для обеспечения небольшого по размерам или среднего дома. А для использования в загородном коттедже такой ветроэлектростанции больше чем достаточно. Все характеристики в сочетании с ценой делают эту ветроэлектростанцию наилучшим выбором для семьи.

Хорошим выбором такая ветроэлектростанция также является для отдаленных обеспечения удаленных коммерческих и туристических объектов: небольших кафе, кемпингов, турбаз, ресторанов и других.

Характеристики электростанции EuroWind 2:

На рис. 1.54 показана зависимость мощности электростанции от силы ветра.

Рис. 1.54. Зависимость мощности электростанции от силы ветра

В комплект ветроэлектростанции EuroWind 2 входит: турбина ветроэлектростанции; хвост ветроэлектростанции; лопасти ветроэлектростанции; крепления ветроэлектростанции; тросы мачты; поворотный механизм; контроллер заряда

Такую ветроэлектростанцию можно с уверенностью назвать миниэлектростанцией благодаря тому количеству электроэнергии, которое она вырабатывает. Этой энергии достаточно для обслуживания больших домов или нескольких поменьше. Ее используют как для бытовых, так и коммерческих, промышленных целей: снабжение электричеством магазинов, небольших отелей, ресторанов, производств малых и средних размеров.

Ветроэлектростанция EuroWind 10 — самая популярная модель ветроэлектростанции в нашей стране. Она полностью заменяет общественную электросеть.

Характеристики электростанции EuroWind 10:

На рис. 1.55 показан график мощности ветроэлектростанции в зависимости от силы ветра.

В комплект ветроэлектростанции EuroWind 10 входит: турбина ветроэлектростанции; лопасти ветроэлектростанции; крепления ветроэлектростанции; тросы мачты; поворотный механизм; контроллер заряда; анемоскоп и датчик ветра.

Рис. 1.55. График мощности ветроэлектростанции в зависимости от силы ветра

Автономная ветроэлектростанция (далее ВЭС) предназначена для использования в качестве автономного источника энергии и может работать для питания электроприборов мощностью от 5,5 до 30 кВт. Данная ВЭС служит для преобразования кинетической энергии ветрового потока в трехфазную электрическую энергию напряжением 380 В, частотой 50 Гц

(http://www.windelectricost.ru/production.php.).

Ветроколесо состоит из восьми или двенадцати стеклопластиковых лопастей (стеклоткань Т-13 со связующей полиэфирной смолой типа 9100), закрепленных на ступице. Ступица, в свою очередь, закреплена к главному валу, при скорости от 3 м/с начинает превращать поступательное движение ветрового потока во вращательное движение главного вала ветроэлектростанции. Главный вал ВЭС, в свою очередь, эластично соединен с валом руктора, выходной вал которого (редуктора) соединен с валом тихоходного магнитоэлектрического генератора. Этот генератор вырабатывает трехфазный переменный ток частотой 50 Гц, напряжением 370–400 В.

Главный вал, редуктор и генератор расположены в поворотной гондоле, которая имеет возможность поворота относительно башни вокруг вертикальной оси. В опорно-поворотном узле расположена кольцевая электрическая контактная система, через которую выработанная генератором электроэнергия из поворотной гондолы передается по кабелю.

В дальнейшем электроэнергия по кабелю передается в энергоблок (стабилизатор напряжения), который осуществляет стабилизацию напряжения, выработанного ВЭС в трехфазную с частотой 50 Гц и напряжением 380 В. Данная энергия может быть использована для питания различных бытовых электроприборов.

Автономная ВЭС может применяться для энергообеспечения индивидуальных домов, дачных домиком, зимовий, небольших производств и других небольших потребителей, нуждающихся в автономных источниках электроэнергии, а также на территориях, куда ввоз органического топлива затруднен или дорог.

Основные технические характеристики ВЭС:

Мачта ветроэлектростанции выполнена из труб диаметром 57 и 76 мм, П-образных фланцев, закладных в фундамент. Для удобства транспортировки мачта разделена на две или три секции в зависимости от требуемой высоты мачты (12 или 18 м) и «нулевой» секции, заливаемой в фундамент. Мачта устанавливается на бетонном фундаменте размером 3,5 на 3,5 м, или 4,5 на 4,5 м в плане, в зависимости от высоты мачты и толщины бетонной подушки 40–50 см с глубиной залегания 2 м от поверхности земли.

Опорно-поворотный узел выполнен в виде полой оси из ст.45, двух радиально упорных подшипников и внешней обечайки, имеющей возможность свободно вращаться вокруг оси. Ось со своим фланцем крепится к мачте, а к внешней обечайке крепится гондола ВЭС. За счет поворота опорно-поворотного узла ветроколесо всегда устанавливается со своей плоскостью вращения перпендикулярно к ветровому потоку, что обеспечивает максимальную эффективность ветроколеса.

В гондоле расположены магнитоэлектрический генератор переменного тока, планетарный редуктор, главный вал из ст. 45 на двух радиально упорных подшипниках и провода для передачи электроэнергии от генератора на токосъемник, расположенный в опорно-поворотном узле. Обмотки генератора выполнены из электротехнической меди.

В ступице расположен пружинный механизм регулирования оборотов ветроколеса. С его помощью поддерживаются постоянные обороты ветроколеса в пределах 30 ±10 об/мин во всем диапазоне рабочих скоростей ветра: от 3 м/с до 25 м/с.

Регулирование скорости вращения ветроколеса осуществляется путем изменения продольных углов установки лопастей. Это, в свою очередь, позволяет ВЭС защищаться от ураганных ветров, не прекращая вырабатывание электроэнергии.

Ветроэлектрические установки M1-М5 предназначены для выработки электроэнергии за счет ветрового потока. Они могут использоваться в отдаленных и изолированных местах, в различных климатических районах с благоприятными ветровыми условиями, где отсутствует централизованное электроснабжение или его подача нерегулярна.

Например, М-1-24 обеспечивает потребителей электроэнергией для питания ламп освещения, бытовых приборов, линий теле- и радиокоммуникаций, устройств спутниковой и сотовой связи компьютера, устройств бытовой и специальной связи, передвижных и стационарных пунктов навигационных и метеорологических постов, радиостанций, маяков и радиомаяков, медицинской и научной аппаратуры, водяных насосов, для обеспечения зарядки аккумуляторов и т. д.

Наличие аккумуляторной батареи обеспечивает электропитание потребителей и их работоспособность при отсутствии ветра. Подключение инвертора к блоку управления позволяет преобразовать постоянное напряжение 24 В в переменное 220 В.

М-1000-24 автономная, надежная, автоматическая установка, не требует дежурного персонала в процессе эксплуатации и предназначена для автономного энергообеспечения индивидуальных потребителей (фермеров, садоводов, дачников, вахтовиков, охотников, рыболовов, геологических экспедиций), а также навигационных, метеорологических, радиорелейных и других постов в обеспечении бесперебойным питанием в полевых условиях. Характеристики ветроэлектрических установок M1-М5 приведены в табл. 1.4.

Количество вырабатываемой электроэнергии М-1-24 при средней скорости ветра:

5 м/с — 340 Вт х 24 ч = 8,2 кВт-ч в сутки;

6 м/с — 400 Вт х 24 ч = 9,6 кВт-ч в сутки;

7 м/с — 500 Вт х 24 ч = 12,0 кВт-ч в сутки.

Чтобы чувствовать себя уверенно и комфортно семье из трех человек, проживающих в загородном доме, расход электроэнергии должен быть не менее 2 кВт-час в сутки (по данным ЮНЕСКО).

Ниже в приведено реальное потребление электроэнергии в сутки семьей из трех человек. Как видно из табл. 1.5 количество электроэнергии, вырабатываемой электростанцией М-1000-24 за сутки при средней скорости 4 м/с вполне хватает для обеспечения потребностей семьи из трёх человек в освещении и других бытовых нуждах.