Как самому дома построить ветрогенератор

О том, как самостоятельно выполнить расчет ветрогенератора, мы рассказывали в одном из прошлых материалов. Сегодня вашему вниманию будут представлены модели ВЭУ, построенные пользователями нашего портала. Также мы поделимся полезными советами, которые помогут собрать установку и не допустить при этом ошибок. Строительство ветрогенератора своими руками – задача сложная. Безошибочно справиться с ее решением может далеко не каждый (даже опытный) практик. Впрочем, любая вовремя обнаруженная ошибка может быть исправлена. На то мастеру – голова и руки.

В статье рассмотрены вопросы:

• Из каких материалов и по каким чертежам можно изготовить лопасти ветрогенератора.
• Порядок сборки аксиального генератора.
• Стоит ли переделывать автомобильный генератор под ВЭУ и как это правильно сделать.
• Как защитить ветрогенератор от бури.
• На какой высоте устанавливать ветрогенератор.

Изготовление лопастей

Если у вас еще нет опыта в самостоятельном изготовлении винтов для домашней ВЭУ, рекомендуем не искать сложных решений, а воспользоваться простым методом, доказавшим свою эффективность на практике. Заключается он в изготовлении лопастей из обыкновенной канализационной ПВХ трубы. Этот метод прост, доступен и дешев.

«Рыжая» труба упомянута пользователем не случайно. Именно этот материал лучше держит форму, устойчив к температурным перепадам и дольше служит (в сравнении с серыми трубами ПВХ).

Чаще всего в домашней ветроэнергетике используются трубы диаметром от 160 до 200 мм. С них и следует начинать свои эксперименты.

Форма и конфигурация лопастей – это параметры, которые зависят от диаметра трубы, из которой они изготовлены, от диаметра ветроколеса, от быстроходности рабочего винта и других расчетных характеристик. Чтобы не забивать себе голову аэродинамическими расчетами, вы можете воспользоваться готовой таблицей, которую выложил в соответствующей теме нашего портала ее автор. Она позволит определить геометрию лопастей, подставляя в расчетную таблицу свои собственные значения (диаметр трубы, быстроходность винта и т. д.).

Конструкция аксиального генератора

Делая выбор между трехфазным или однофазным генератором, лучше остановить свой выбор на первом варианте. Трехфазный источник тока менее подвержен вибрациям, возникающим из-за неравномерности нагрузки, и позволяет получать постоянную мощность при одинаковых оборотах ротора.

Расчетные параметры генератора, о которых мы рассказывали в нашем предыдущем материале, определяются текущими потребностями в электроэнергии. И чтобы на практике они соответствовали объему вырабатываемой мощности, конструкция аксиального генератора должна отвечать определенным требованиям:

1. Толщина всех дисков (ротора и статора) должна равняться толщине магнитов.
2. Оптимальное соотношение катушек и магнитов – 3:4 (на каждые 3 катушки – 4 магнита). На 9 катушек – 12 магнитов (по 6 на каждый диск ротора), на 12 катушек – 16 магнитов и так далее.
3. Оптимальное расстояние между двумя соседними магнитами, расположенными на одном диске, равно ширине этих магнитов.

Увеличение расстояния между двумя соседними магнитами приведет к неравномерной выработке электроэнергии. Уменьшить это расстояние можно, но лучше, все же, соблюдать оптимальные параметры.

Если не вникать в скучную теорию, то схема перекрытия катушек аксиального генератора постоянными магнитами на практике должна выглядеть следующим образом.

В каждый момент времени одинаковые полюса магнитов аналогичным образом перекрывают обмотки катушек отдельно взятой фазы.

Последовательность сборки аксиального генератора рассмотрим на примере устройства, собранного пользователем Aleksei2011.

Изготовление статора

Как видно на фото, катушки имеют форму, похожую на вытянутую каплю воды. Это делается для того, чтобы направление движения магнитов было перпендикулярным длинным боковым участкам катушки (именно здесь индуцируется максимальная ЭДС).

Если используются круглые магниты, внутренний диаметр катушки должен примерно соответствовать диаметру магнита. Если же используются квадратные магниты, конфигурация витков катушки должна быть построена таким образом, чтобы магниты перекрывали прямые отрезки витков. Установка более длинных магнитов особого смысла не имеет, ведь максимальные значения ЭДС возникают лишь на тех участках проводника, которые расположены перпендикулярно направлению движения магнитного поля.

Изготовление статора начинается с намотки катушек. Катушки проще всего мотать по заранее заготовленному шаблону. Шаблоны бывают самыми разными: от небольших ручных приспособлений до миниатюрных самодельных станков.

Катушки каждой отдельно взятой фазы соединяются между собой последовательно: конец первой катушки соединяется с началом четвертой, конец четвертой – с началом седьмой и т. д.

Напомним, что при соединении фаз по схеме «звезда» концы обмоток (фаз) устройства соединяются в один общий узел, который будет являться нейтралью генератора. При этом три свободных провода (начало каждой фазы) подключаются к трехфазному диодному мосту.

Когда все катушки будут собраны в единую схему, можно готовить форму под заливку статора. После этого погружаем в форму всю электрическую часть и заливаем эпоксидной смолой.

Изготовление ротора для аксиальника

Чаще всего самодельные аксиальные генераторы делают на основе автомобильной ступицы и совместимых с ней тормозных дисков (можно использовать самодельные металлические диски, как это сделал Aleksei2011). Схема будет следующей.

В этом случае диаметр статора больше, чем диаметр ротора. Это позволяет прикрепить статор к раме ветрогенератора с помощью металлических шпилек.

В некоторых случаях диск статора крепится к неподвижной оси генератора. Подобный подход позволяет сделать конструкцию генератора менее габаритной, но принципы работы устройства от этого не меняются.

Противоположные магниты должны быть направлены друг к другу разноименными полюсами: если на первом диске магнит обращен к статору генератора своим южным полюсом «S», то противоположный ему магнит, расположенный на втором диске, должен быть обращен к статору полюсом «N». При этом магниты, расположенные рядом на одном диске, также должны быть сориентированы разнонаправлено.

Сила магнитного поля, которое создают неодимовые магниты, довольно велика. Поэтому регулировать расстояние между дисками статора и ротором генератора следует, используя шпилечно-резьбовое соединение.

Это вариант конструкции, в которой диаметр ротора больше диаметра статора. Статор в этом случае крепится к неподвижной оси устройства.

Также для регулировки расстояния между дисками можно использовать распорные втулки (или шайбы), которые устанавливаются на неподвижную ось генератора.

Расстояние между магнитами и статором должно быть минимальным (1…2 мм). Клеить магниты на диски генератора можно обыкновенным суперклеем. Правильнее всего осуществлять наклейку магнитов, используя заранее заготовленный шаблон (например, из фанеры).

Вот, что показали предварительные испытания генератора, выполненные пользователем Aleksei2011 с помощью шуруповерта: при 310 об/м с устройства было снято 42 вольта (соединение – звездой). С одной фазы получается 22 вольта. Расчетное сопротивление одной фазы – 0.95 Ом. После подключения АКБ шуруповёрт смог раскрутить генератор до 170 об/м, ток зарядки при этом составил 3.1А.

После длительных экспериментов, которые были связаны с модернизацией рабочего винта и другими менее масштабными усовершенствованиями, генератор продемонстрировал свои максимальные характеристики.

Ветроэнергетическая установка из автомобильного генератора

Популярным решением среди людей, практикующих изготовление ВЭУ своими руками, является переделка автомобильного генератора под альтернативные нужды. Несмотря на всю привлекательность подобной затеи, следует отметить, что автомобильный генератор в том виде, в котором он устанавливается на двигатель транспортного средства, довольно проблематично использовать в составе ветроэнергетической установки. Разберемся – почему:

1. Во-первых, обмотка катушек стандартного автомобильного генератора состоит всего из 5…7 витков. Следовательно, чтобы такой генератор начал давать зарядку АКБ, его ротор необходимо раскрутить примерно до 1200 об/мин.
2. Во-вторых, магнитная индукция в стандартном автомобильном генераторе возникает благодаря катушке возбуждения, которая встроена в ротор устройства. Чтобы такой генератор смог работать без подключения к дополнительному источнику питания, его необходимо оснастить постоянными магнитами (желательно – неодимовыми) и внести определенные коррективы в обмотку статора.

Переделка автомобильного генератора под ВЭУ требует определенной сноровки. Поэтому приступать к ней желательно, имея за плечами опыт перемотки асинхронных двигателей или генераторов со стандартным цилиндрическим статором (и те, и другие при желании можно превратить в альтернативную энергетическую установку). Переделка автомобильного генератора имеет свои нюансы. Понять их будет намного проще, если обратиться к опыту пользователей, которые успели достичь в этой сфере определенных успехов.

Защита кабеля от перекручивания

Как известно, ветер не имеет постоянного направления. И если ваш ветрогенератор будет вращаться вокруг своей оси подобно флюгеру, то без дополнительных мер защиты кабель, идущий от ветрогенератора к другим элементам системы, быстро перекрутится и в течение нескольких дней придет в негодность. Предлагаем вашему вниманию несколько способов защиты от подобных неприятностей.

Способ первый: разъемное соединение

Наиболее простой, но совершенно непрактичный способ защиты заключается в установке разъемного кабельного соединения. Разъем позволяет распутать скрутившийся кабель вручную, отключив ветрогенератор от системы.

Способ второй: использование жесткого кабеля

Некоторые пользователи советуют подключать к генератору толстые, упругие и жесткие кабели (например, сварочные). Метод, на первый взгляд, ненадежный, но имеет право на жизнь.

Способ третий: установка токосъемных колец

На наш взгляд, полностью защитить кабель от перекручивания поможет только установка специальных токосъемных колец. Именно такой способ защиты реализовал в конструкции своего ветрогенератора пользователь Михаил 26.

Защита ветрогенератора от бури

Речь идет о защите устройства от ураганов и сильных порывов ветра. На практике она реализуется двумя способами:

1. Ограничением оборотов ветроколеса с помощью электромагнитного тормоза.
2. Уводом плоскости вращения винта от прямого воздействия ветрового потока.

Первый способ основан на подключении балластной электрической нагрузки к ветрогенератору. О нем мы уже рассказывали в одной из предыдущих статей.

Второй способ предполагает установку складывающегося хвоста, позволяющего при номинальной силе ветра направлять винт навстречу ветровому потоку, а во время бури, наоборот – уводить винт из-под ветра.

Защита складыванием хвоста происходит по следующей схеме.

1. В безветренную погоду хвост расположен немного под наклоном (вниз и в сторону).
2. При номинальной скорости ветра хвост выпрямляется, а винт становится параллельно воздушному потоку.
3. Когда скорость ветра превышает номинальные значения (например, 10 м/с), давление ветра на винт становится больше, чем сила, создаваемая весом хвоста. В этот момент хвост начинает складываться, а винт уходит из-под ветра.
4. Когда скорость ветра достигает критических значений, плоскость вращения винта становится перпендикулярно потоку ветра.

Когда ветер ослабевает, хвост под собственной тяжестью возвращается в исходное положение и поворачивает винт навстречу ветру. Для того чтобы хвост смог вернуться в исходное положение без дополнительных пружин, используется поворотный механизм с наклонным шкворнем (шарниром), который устанавливается на оси поворота хвоста.

Ось поворота хвоста установлена под наклоном: на 20° относительно вертикальной оси и на 45° относительно оси горизонтальной.

Для того чтобы механизм мог выполнять свою основную функцию, ось мачты должна находиться на определенном расстоянии от оси вращения турбины (оптимально – 10 см).

Чтобы при резких порывах ветра хвост не сложился и не попал под винт, с обеих сторон механизма необходимо приварить ограничители.

Рассчитать размеры хвоста и их зависимость от других параметров ВЭУ вам поможет таблица Excel с уже готовыми формулами. В ней желтым цветом обозначена область переменных значений.

Оптимальная площадь хвостового оперения составляет 15%…20% от площади ветроколеса.

Вашему вниманию представлен наиболее распространенный вариант механической защиты ветрогенератора. В том или ином виде он успешно используется на практике пользователями нашего портала.

Несколько слов о правильной установке ветрогенератора

Выбирая место и высоту мачты, которые бы оптимально подошли для установки ветрогенератора, следует ориентироваться на самые разные факторы: рекомендуемая высота, наличие препятствий вблизи ВЭУ, а также собственные наблюдения и замеры.

Для того чтобы рассчитать оптимальную высоту мачты для домашней ВЭУ, необходимо к высоте ближайшего препятствия (дерева, здания и т. д.), которое находится в радиусе 100 метров от мачты ветряка, прибавить еще 10 метров. Таким образом вы получите высоту нижней точки ветроколеса.

В процессе установки самодельных ветрогенераторов теория очень часто расходится с практикой, поэтому, в среднем, самодельные мачты имеют высоту от 6 до 12 метров. Основное преимущество самодельных вышек (мачт) заключается в том, что если какие-либо параметры не будут соответствовать вашим потребностям, конструкцию, габариты и высоту установки в любой момент можно изменить.

Перед осуществлением сварочных работ, связанных с ремонтом или модернизацией конструкции, генератор необходимо отключить и снять с мачты. В противном случае под действием сварочных токов постоянные магниты могут выйти из строя (размагнититься).

Богатый опыт пользователей FORUMHOUSE, посвященный созданию самодельных ветроэлектрических установок, собран в одном из разделов нашего строительного портала. Если вы всерьез интересуетесь альтернативной энергетикой, рекомендуем прочитать статью, посвященную организации системы электроснабжения на основе самодельных солнечных панелей (батарей). Наверняка, вас заинтересует и небольшое видео об особенностях правильного построения мощной и функциональной системы электроснабжения загородного дома, которая по классической схеме подключается к стандартной трансформаторной подстанции.