1.7. Выбор и работа электрооборудования

Выбор электрогенератора

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.

 Примечание.

Этот генератор снабжен двумя катушками внешнего возбуждения, что позволяет иметь мощность, меняющуюся в широких пределах.

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.

Выбор привода

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.

 Примечание.

Если рабочий объем гидродвигателя меньше рабочего объема насоса, то частота вращения гидродвигателя будет больше частоты вращения насоса, т. е. пропеллера.

Работа привода

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.

Сравнение генераторов для домашней электростанции

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.