1.9. Построение небольшого ветряного генератора

Выбор электромотора

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.

 Примечание.

Обращаю внимание, что указанные технические средства применимы для американского континента, где стандартом для сети переменного тока является напряжение 120 В 60 Гц. Но принципы построения ветроэлектростанции не отличаются.

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.

 Примечание.

Мотор, который необходимо выбрать, должен быть рассчитан на максимальное напряжение питания, максимальный ток, и иметь минимальную скорость вращения.

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.

ПВХ лопасти для ветровой турбины

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.

 Примечание.

Диаметр трубы должен быть в 5 раз меньше длины 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.

 Примечание.

Пара кнопок позволяет делать эти переключения в любое время, независимо от контроллера. Очень удобно при наладке устройства.

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.

 Внимание.

В первую очередь, надо подключать к контроллеру аккумулятор, и только потом ветрогенератор или солнечную батарею. Если генератор подключить первым, волны напряжения не будут сглаживаться аккумулятором, контроллер будет работать неправильно, реле хаотически переключаться, а броски напряжения, в конце концов, приведут к выходу из строя микросхем.

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.

Дальнейшая модернизация проекта

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.

О чем спрашивают автора на сайте

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:

Этот вопрос мне задают чаще всего. Отвечаю лаконично: ничего не делаю. Ничего страшного с кабелем не происходит. Ветер разворачивает турбину то в одну сторону, то в другую, и никаких тенденций к закручиванию кабеля не наблюдается. В конце концов, если потребуется, совсем несложно отключить кабель внизу и раскрутить его вручную. Впрочем, у меня есть идея, как легко сделать кольцевой токосъемник, который исключил бы малейшую возможность закручивания кабеля. Но, повторю, большой необходимости в этом нет. Может быть, я испытаю токосъемник на следующей турбине.

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:

Короткий ответ: нет. И не только потому, что у меня мало свободного времени, а прежде всего, потому, что моя система никогда не конструировалась для электроснабжения целого дома или фермы. Она хороша там, где в условиях полного отсутствия электрических сетей вам надо получить несколько сотен ватт мощности. Я работаю над созданием новых турбин, и даже солнечных батарей, чтобы увеличить производство электроэнергии. Но, даже в случае успешного завершения моих разработок, их мощности никогда не хватит на дом или ферму. Моя конечная цель только в том, чтобы питать небольшой автоприцеп и обсерваторию на участке в Аризоне, где потребность в электроэнергии возникает лишь время от времени. Если вам нужна более мощная система, помочь сможет только человек с опытом конструирования больших турбин.

Вопрос 3:

Над чем вы работаете сейчас?

Ответ:

Если позволит время, я переделаю контроллер заряда. Он будет спрятан в водонепроницаемый контейнер и оснащен автомобильными приборами для контроля тока и напряжения. У меня есть все, что нужно для этого, не хватает только времени. Кроме того, я конструирую турбину, которая автоматически отворачивалась бы от слишком сильного ветра, чтобы не допустить ее разрушения. Я начал, также, работу по созданию солнечных батарей из дешевых фоточувствительных панелей и легкодоступных материалов.