Вертикальный ветряк своими руками (5 квт)

Конструкция и принцип работы ветротурбин

Ветровые генераторы представляют собой спецустройства, которые трансформируют кинетическую энергию ветра в электрическую. Это независимые источники электроэнергии, которые отлично подходят для установки в частных жилых домах, на небольших и средних фермерских хозяйствах, производственных базах.

Конструкция стандартной мини-электростанции для бытового использования включает такие функциональные элементы:

1. Лопасти аэродинамической формы для улавливания ветра.
2. Генератор для продуцирования переменного тока.
3. Контроллер для автоматического управления ветряной станцией. Позволяет регулировать подзарядку аккумуляторов, распределяет потоки энергии между устройствами.
4. Накопитель. Специальные аккумуляторные батареи для накопления сгенерированного электричества.
5. Инвертор для приведения параметров вырабатываемой энергии к сетевым стандартам.
6. Мачта, приподнимающая лопасти на определённую высоту над уровнем земли.

Мачты бывают разными: свободностоящие без растяжек, жёстко зафиксированные и поворотные на растяжках. Последние могут опускаться и подниматься для обслуживания, а также проведения ремонтно-восстановительных работ.

Под воздействием ветра лопасти, насаженные на генераторный вал, начинают вращаться, способствуя запуску ротора. В результате происходит преобразование кинетической энергии воздушных потоков в механическую, а потом и в электрическую энергию. Так выглядит сильно упрощённая схема работы ветряка

В действительности энергия от ветряной электростанции напрямую к потребителю не поступает. В системе обязательно должны быть подключены специальные приборы для преобразования электротока.

В цепи после генератора размещается контроллер. Он конвертирует переменный ток в постоянный. В таком виде электричество аккумулируется и сохраняется в батареях, а потом от них через инвертор, который трансформирует постоянный ток в переменный, энергия подаётся в частную электросеть.

Такая схема даёт возможность сгладить нестабильность напряжения, а также накапливать энергию в периоды полного отсутствия потребления. А это, в свою очередь, позволяет задействовать ветряные генераторы меньшей мощности, чем суммарная мощность бытовых электроприборов.

В ходе конвертации электротока по схеме переменный-постоянный-переменный происходят определённые потери энергии, которые составляют примерно 20%

Вместе с автономной ветряной станцией можно устанавливать и солнечные модули, и топливные генераторы.

Если задействовано сразу несколько устройств для получения электричества, схему дополняют ещё одним элементом – автоматическим выключателем (ABP). Он необходим, чтобы при отключении одного источника альтернативной энергии запускался другой – резервный.

В составе современных ветряных станций используются различные конструкции роторов – вращающихся частей. Они имеют свои преимущества и недостатки, разную эффективность и функциональные возможности. В настоящее время существует много разработок автономных систем, способных взаимодействовать с ветрами разной скорости и силы.

Классификация и принципы работы

В сети возможно найти великое множество разных примеров сборки ветряных генераторов, но все они делятся на два класса: вертикальные и горизонтальные. Каждый класс имеет подвиды:

• Вертикальные:
• Промышленные. Высота таких электростанций может достигать больше 100 метров, мощность варьируется от 4 до 6 МВт.

Одна из самых мощных ветряных электростанций «Энеркон Е-126»

Устройства для бытовых целей. Существуют модели, изготовленные на специализированных заводах и устройства, изготовленные своими руками;

Прибор мощностью в 600 Вт
Спиралевидное устройство
Образец с лопастями, выполненными из тканевых материалов
Ветряк с металлическими лопастями

• Горизонтальные:
• Стандартные;

Агрегат с классическим расположением лопастей

Роторные.

Конструктивные элементы таких устройств могут быть расположены под разным углом

Весь класс устройств, изготовленные своими руками, будь то ветряные электростанции или промышленные, работают по принципу электромагнитной индукции, то есть магниты, закрепленные в роторе, при вращении лопастей вырабатывают переменный ток. Он подается в накопительные аккумуляторы через контроллер. Это прибор, преобразующий переменный ток в постоянный и контролирующий степень заряда аккумуляторных батарей.

Следующим узлом является инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный и выравнивает колебание электроэнергии до значения 50гц, далее ток подается на потребителей.

Стандартная схема работы ветряной электростанции

Основные понятия

1. КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
2. КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
3. Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
4. Максимально допустимая скорость ветра (МДС) – его скорость, при которой выработка энергии прекращается: автоматика или отключает генератор, или ставит ротор во флюгер, или складывает его и прячет, или ротор сам останавливается, или ВСУ просто разрушается.
5. Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
6. Отрицательная стартовая скорость (ОСС) – это значит, что ВСУ (или ВЭУ – ветроэнергетическая установка, или ВЭА, ветроэнергетический агрегат) для запуска при любой скорости ветра требует обязательной раскрутки от постороннего источника энергии.
7. Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
8. Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
9. Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
10. Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
11. Тихоходный ветряк – в нем линейная скорость частей ротора в потоке существенно не превосходит скорость ветра или ниже ее. Динамический напор потока непосредственно преобразуется в тягу лопасти.
12. Быстроходный ветряк – линейная скорость лопастей существенно (до 20 и более раз) выше скорости ветра, и ротор образует свою собственную циркуляцию воздуха. Цикл преобразования энергии потока в тягу сложный.

Конструктивные особенности и механика ветряного генератора

Принцип действия ветрогенератора заключается в преобразовании кинетической энергии в электроэнергию. Устройство состоит из ряда системных элементов, у каждого из которых имеется своя функция. Попытаемся с этим разобраться.

Опора (ее еще называют мачтой). На нее крепится пропеллер, поскольку на высоте большая вероятность «поймать» хороший ветер

Следовательно, изготовлению опоры следует уделить особое внимание, ведь данный элемент должен выдерживать требуемые нагрузки.

Лопасти. Они «ловят» воздушные массы, вследствие чего вращаются сами и вращают вал.

Вал. На него можно устанавливать сразу несколько генераторов, а также угловой редуктор, благодаря которому движение будет передаваться ниже, на кардан. Применение редуктора заметно повышает обороты.

Анемоскоп. Специальное устройство, которое применяется в мощных ветряных установках. Собирает сведения о направлении/скорости движения воздуха. В ветряках, сделанных своими руками, почти не используется – вместо него, как правило, устанавливают флюгер с поворотным механизмом.

Генератор. Он как раз и превращает кинетическую энергию в электроэнергию. Если то, производимый генератором, стабилен, то элемент можно подключить к аккумулятору.

Инвертор. Дает напряжение требуемой величины – к примеру, 220 вольт. Необходим, прежде всего, для удобства, поскольку большая часть современных приборов рассчитана именно на такое напряжение. Но заметим, что инвертор включают далеко не во все схемы, ведь предназначение ветряков может быть разным.

Аккумулятор (один или сразу несколько). Обеспечивает стабильность работы, подзаряжаясь в ветреное время и расходуя накопленную энергию после того, как ветер утихает.

Стоит заметить, что вертикальные ветряки необходимо поворачивать к ветру, ведь функционировать при боковом потоке они попросту неспособны. У горизонтальных же генераторов есть и другие преимущества. Ознакомимся с ними.

1. Турбины роторных устройств будут «ловить» ветер вне зависимости от того, с какой стороны он дует. Что крайне удобно в случае нестабильного/переменного ветра в регионе.
2. Соорудить горизонтальный ветряк гораздо проще, чем горизонтальный.
3. Конструкция может располагаться непосредственно на земле, но при условии, что ветра там достаточно.

Что же касается недостатков, то у горизонтального ветрогенератора он всего один – достаточно низкий коэффициент полезного действия.

Схема самодельного ветрогенератора – основные узлы

Сделать самодельный ветрогенератор в домашних условиях сравнительно легко. Ниже вы можете увидеть простой чертеж, объясняющий расположение отдельных узлов. Согласно этому чертежу, нам необходимо сделать или подготовить следующие узлы:

Схема самодельного ветряка.

• Лопасти – они могут быть изготовлены из самых разных материалов;
• Генератор для ветрогенератора – можно приобрести готовый или сделать самостоятельно;
• Хвостовая часть – направляет лопасти по направлению ветра, позволяя добиться максимального КПД;
• Мультипликатор – повышает обороты вращения вала (ротора) генератора;
• Крепежная мачта – на ней будут удерживаться все вышеперечисленные узлы;
• Натяжные тросы – удерживают всю конструкцию и не дают упасть от порывов ветра;
• Контроллер заряда, аккумуляторы и инвертор – обеспечивают преобразование, стабилизацию и накопление полученной электроэнергии.

Мы попробуем сделать с вами простой роторный ветрогенератор.

Какой выбрать генератор для ветряка

Бытовые ветряки должны быть малошумные. Поэтому, лучше использовать в качестве генератора для ветроустановок малооборотный (тихоходный) двигатель. Такой двигатель способен совершать от 350 до 700 оборотов в минуту. Кроме того, низкооборотный двигатель можно использовать даже на однолопастном ветряке. Также малооборотистый генератор можно делать из шагового двигателя.

Чтобы повысить обороты ветряка можно использовать мультипликатор: он позволит ускорить вращение лопастей в 5-10 раз.

Особой популярностью пользуются дисковые двигатели на неодимовых магнитах. Магниты, при этом, могут быть разных размеров и, соответственно, мощности. Изготавливается такой генератор достаточно просто, но себестоимость его достаточно высока.

Многие делают маломощный генератор из бензогенератора, автомобильного или тракторного генератора, аккумулятора от шуруповерта. При этом следует учитывать, что на конструкцию с генератором из тракторного и автогенератора нужно будет установить редуктор, понижающий обороты.

Ветряк своими руками: основные части и принцип изготовления

Как и говорилось выше, ветряной электрогенератор имеет довольно простую конструкцию, и решить вопрос, как сделать ветряк своими руками, не очень сложно. Если разбираться в его конструкции, то условно этот агрегат можно разделить на четыре основных узла.

1. Генератор. Это сердце данной установки – именно оно ответственно за выработку электрической энергии. Как правило, в ветряных установках используются генераторы, способные вырабатывать либо 12, либо 24 вольта – сами понимаете, что таким током современную бытовую технику не порадуешь. Именно по этой причине ветряк является всего лишь частью независимой электростанции – о том, как поднять вырабатываемое им напряжение до привычного для наших электроприборов 220 вольт, мы поговорим отдельно. Делать генератор своими руками очень сложно – во всех отношениях его лучше приобрести в готовом виде. Сейчас это не проблема – с одинаковым успехом можно купить как специальный генератор, предназначенный для ветряных установок, так и найти ему альтернативу (например, автомобильный генератор). Проблема последнего заключается в малой мощности – больше чем на сто ватт рассчитывать здесь не приходится. В отличие от него, специальные генераторы могут вырабатывать более 500Вт энергии – а это означает возможность использовать добытую энергию, так сказать, напрямую, без ее аккумулирования в емкостях.

2. Лопасти. По большому счету, эту часть ветряка также можно приобрести, что будет лучше всего – дело в том, что именно от них зависит эффективность работы самого генератора. Правильно изготовленные лопасти способны вращать его даже при слабом ветре. Лопасти могут быть двух типов – вертикальные и горизонтальные. В зависимости от этого, и ветряки классифицируются на два типа – вертикальный ветрогенератор своими руками сделать несколько сложнее, но зато он считается более эффективным, а главное, компактным. Он не занимает большого количества места, и его достаточно просто смонтировать даже на крыше дома – именно такой генератор является оптимальным решением для дома, расположенного в густонаселенных городах. Лопасти для него изготовить очень сложно – их лучше купить. Связано это с балансировкой, от которой во многом зависит эффективность работы ветряка.

3. Мачта. По сути, она нужно исключительно для горизонтального ветрогенератора, хотя и вертикальные также могут устанавливаться на нее. Если в первых установках она является неотъемлемой частью конструкции, то во втором необходимость в ее наличии появляется только при наземной установке. Этот элемент ветряка можно сделать и самостоятельно – по сути, это труба, установленная вертикально и оборудованная специальным креплением для генератора.

И четвертый элемент, который, по сути, является частью мачты, это подвижная платформа с флюгером – она отвечает за движение лопастей за ветром, который довольно часто меняет свое направление. Платформа является связующим звеном между генератором и мачтой и монтируется она на подвижном соединении, легкий ход которого обеспечивает подшипник. Сделать такое устройство своими руками также не сложно.

Получается так, что о полном изготовлении эффективной ветроэлектростанции не может быть и речи. В принципе, сделать ее можно, но эффективность работы такой установки остается под большим вопросом – в качестве эксперимента она подойдет, но вот для полноценного электроснабжения, увы, нет. Большую часть ветряка придется приобретать по частям, которые потом собирать в единое изделие. В общем, вопрос, как сделать ветрогенератор своими руками, решается только так – мало того, дополнительно придется решить вопрос передачи электроэнергии через подвижную платформу, что не так уж и просто. Опять же, в этом отношении намного привлекательнее выглядят ветрогенераторы с вертикальной осью вращения – здесь эта проблема снимается автоматически, что в значительной мере упрощает решение вопроса изготовления ветряка своими руками.

Устройство и принцип работы

Ветрогенератор работает при помощи силы ветра. Конструкция данного устройства должна включать следующие элементы:

• турбинные лопасти или пропеллер;
• турбина;
• электрический генератор;
• ось электрического генератора;
• инвертор, в функции которого входит преобразование переменного тока в постоянный;
• механизм, вращающий лопасти;
• механизм, вращающий турбину;
• аккумулятор;
• мачта;
• контроллер вращательных движений;
• демпфер;
• датчик ветра;
• хвостовик ветряного датчика;
• гондола и иные элементы.

У промышленных агрегатов предусмотрен силовой шкаф, защита от молнии, поворотный механизм, надежный фундамент, приспособление для тушения пожара, телекоммуникации.

Ветрогенератором принято считать устройство, которое преобразует ветряную энергию в электричество. Предшественниками современных агрегатов являются мельницы, что производят муку из зерна. Однако схема подключения и принцип работы генератора практически не поменялись.

1. Благодаря силе ветра начинают вращаться лопасти, крутящий момент которых передается к валу генератора.
2. Вращение ротора создает трехфазный переменный ток.
3. Через контроллер переменный ток отправляется к аккумуляторной батарее. Аккумулятор необходим для того, чтобы создать стабильную работу ветрогенератора. Если ветер присутствует, то агрегат заряжает батарею.
4. Для защиты от урагана в ветряной системе генерации тока имеются элементы для увода ветроколеса от ветра. Происходит это складыванием хвоста или торможением колеса при помощи электрического тормоза.
5. Чтобы подзарядить аккумулятор, потребуется установить контролер. В функции последнего входит отслеживание зарядки АКБ для предотвращения ее поломки. При надобности данное приспособление может сбросить лишнюю энергию на балласт.
6. Аккумуляторы имеют постоянное невысокое напряжение, однако к потребителю оно должно доходить силой 220 Вольт. По этой причине в ветрогенераторы устанавливают инверторы. Последние способны преобразовывать переменный ток в постоянный, увеличивая показатель его силы до 220 Вольт. Если инвертор не будет установлен, то потребуется использовать только те приборы, которые рассчитаны на низкое напряжение.
7. Ток в преобразованном виде отправляется к потребителю для питания отопительных батарей, освещения помещений, работы бытовой техники.

Рассчитываем мощность будущего ветрогенератора

Вначале следует выяснить, какую мощность должен иметь ветрогенератор своими руками, каковы функции и нагрузки, с которыми ему предстоит столкнуться. Как правило, альтернативные источники электричества применяются в качестве вспомогательных, то есть, предназначенных для помощи основному электроснабжению. Следовательно, если мощность системы составляет даже от 500 ватт, это уже вполне хорошо.

Вместе с тем, итоговая мощность ветрогенератора зависит от других факторов, среди которых:

• скорость ветра;
• число лопастей.

Чтобы выяснить подходящее соотношение для приспособлений горизонтального типа, рекомендуем ознакомиться с представленной ниже таблицей. Цифры в ней на пересечении – это необходимая мощность (указана в ваттах).

Таблица. Расчет необходимой мощности для горизонтальных ветряных генераторов.

К примеру, если в вашем регионе скорость ветра преимущественно составляет от 5 до 8 метров в секунду, а требуемая мощность ветрогенератора равна 1,5-2 киловаттам, то диаметр конструкции должен соответствовать примерно 6 метрам и больше.

Особенности изделия

Создавать ветряк своими руками выгодно. Достаточно узнать, что заводские изделия мощностью не больше 5 кВт стоят до 220000 р., как становится ясно, насколько лучше использовать доступные материалы и сделать их самостоятельно, ведь благодаря этому удастся сэкономить немало средств.

Магазинные модели часто недоступны большинству граждан. Чтобы окупить затраты на покупку такого устройства, требуется от 10 до 12 лет, хотя отдельные виды устройств и отбивают эти расходы чуть раньше. Сделав ветрогенератор 2 кВт своими руками, можно получить далеко не самую совершенную конструкцию, но в случае поломки ее удастся легко отремонтировать самостоятельно. Миниатюрный ветряк малой мощности способен собрать без проблем любой человек, который умеет обращаться с инструментами.

Источник электричества

Как минимум 1 раз в год увеличиваются тарифы на услуги электроэнергии, зачастую — в несколько раз. Это бьет по карману граждан, зарплата которых не растет столь же стремительно. Домашние умельцы раньше прибегали к простому, но довольно небезопасному и незаконному способу экономии на электроэнергии. Они прикрепляли к поверхности расходомера неодимовый магнит, после чего тот приостанавливал работу счетчика.

Если указанная схема изначально работала слаженно, то в дальнейшем с ней возникали проблемы. Объяснялось это несколькими причинами:

1. Контролеры стали чаще ходить по домам и проводить внеплановые проверки.
2. На счётчики стали приклеивать особые стикеры, под воздействием которых стали темнеть магнитные поля. Соответственно, вычислить такого нарушителя не составляло проблемы.
3. Стали выпускаться новые счётчики, которые не имели восприимчивости к магнитному полю. Вместо стандартных моделей появились электронные узлы.

Всё это подтолкнуло людей к поиску альтернативных источников электроэнергии, к примеру, ветрогенераторов. Если человек проживает в областях, где регулярно дуют ветры, такие приспособления становятся для него «палочкой-выручалочкой». Устройство использует силу ветра для получения энергии.

Самодельный ветрогенератор может выступать в качестве главного или дополнительного источника энергии. В качестве вспомогательного устройства он может греть воду в бойлере либо подпитывать домашние светильники, тогда как вся остальная электроника работает от главной сети. Возможна работа таких генераторов и в качестве главного источника там, где дома не подключены к электричеству. Здесь устройства подпитывают:

• лампы и люстры;
• отопительное оборудование;
• бытовую электронику.

Ветровая электростанция способна подпитывать низковольтные и классические приборы. Первые работают от напряжения 12−24 Вольт, а ветрогенератор способен обеспечивать мощность на 220 Вольт. Он изготавливается по схеме с использованием инверторных преобразователей. Электричество накапливается в его аккумуляторе. Есть модификации на 12−36 Вольт. Они отличаются более простой конструкцией. Для них применяются стандартные контроллеры заряда аккумулятора. Чтобы обеспечить обогрев жилища, достаточно сделать ветрогенераторы своими руками нa 220 В. 4 кВт — это мощность, которую обеспечит их двигатель.

Ветряки для дома своими руками: устройство системы

Теперь, когда мы разобрались с устройством и возможностью решения вопроса изготовления ветрогенератора для дома своими руками, самое время рассмотреть и общий принцип построения независимой системы электроснабжения. Как вы понимаете, собрать генератор – это только полдела. Сама система потребует от вас дополнительных затрат на оборудование, изготовить которое самостоятельно практически невозможно, если не сказать, что совсем невозможно. В целом, если говорить об устройстве ветряной электростанции для дома, то ее можно разделить также на четыре части.

1. Ветрогенератор, о котором мы уже говорили. Добавить здесь можно только то, что вырабатываемая им энергия напрямую не используется – все электричество собирается в аккумуляторы, откуда и идет дальнейший его разбор.

2. Аккумуляторы. Именно они, наравне с мощность самого генератора, обеспечивают ваш дом необходимым количеством энергии – здесь важна их емкость, способность вмещать тот или иной объем электричества. Обычным автомобильным аккумулятором здесь не обойтись – речь идет о десятке аккумуляторов емкостью от 100 до 150А/часов. Их количество рассчитывается исходя из мощности ветряка, используемого в доме электрооборудования интенсивности его работы. В таких системах применяются, как правило, гелиевые аккумуляторы, которые лучше всех приспособлены к частым циклам зарядки и разрядки.
3. Контроллер зарядки аккумуляторных батарей – это небольшое устройство, которое является связующим звеном между ветряком и батареями. Оно контролирует цикл зарядки последних и не дает им, так сказать, перезаряжаться.
4. Есть еще один небольшой элемент, связывающий генератор и батареи – это так называемый диод Шоттки, в задачи которого входит не выпускать электричество назад в генератор во время его бездействия – в противном случае без этого диода ваш генератор может превратиться в электромотор, который очень быстро съест весь накопленный в аккумуляторах запас энергии.

5. И самая главная часть, отвечающая за повышение напряжения до отметки в 220 вольт, это инвертор. Преобразователь, который повышает напряжение – они бывают разные, и далеко не все подходят для использования в независимых электростанциях. Здесь нужен инвертор с чистой синусоидой на выходе – модифицированная синусоида плохо сказывается на работе большинства современных электрических потребителей. Мало того, огромное значение имеет и мощность подобных устройств – она тоже рассчитывается исходя из суммарной мощности одновременно работающих потребителей. После генератора это самая дорогостоящая часть системы ветряной энергетической установки.

Кроме всего прочего, не стоит сбрасывать со счетов и провода, используемые в подобных системах – если после инвертора можно применять любые, то вот до него нужны специальные, изготовленные с учетом минимальных потерь при транспортировке электрического тока малого напряжения.

По большому счету, система не сложная, и имея в наличии все необходимые элементы, собрать ветряную электростанцию не так уж и сложно – важнее всего правильно рассчитать ее с учетом всех, даже, казалось бы, незначительных факторов

Особое внимание здесь нужно уделить количеству ветряных дней в году – может случиться так, что в тихих и спокойных регионах ветряк может оказаться практически бесполезным. Именно по этой причине системы независимого электроснабжения делают комбинированным способом, который предусматривает использование не только ветрогенератора, но и солнечных панелей

Они как бы дополняют друг друга, обеспечивая постоянную добычу электроэнергии из неиссякаемых природных ресурсов.

Мы описали, как можно сделать ветряк своими руками. В заключение остается добавить не так уж и много – в частности, рассказать о тонкостях изготовления лопастей. Вернее не о тонкостях, а о трудностях – обосновать утверждение того, что их лучше не изготавливать своими руками, а приобретать в готовом виде или заказывать их изготовление на заводе. Дело в том, что есть такие понятия, как смещение оси и балансировка – первое вызывает биение, а второе неравномерное вращение. И то и другое приводит к замедлению вращения генератора, что само по себе сказывается на эффективности работы установки в целом. Проще говоря, вместо положенных 500Вт вы будете получать 250Вт энергии в час – вместо 18В тока – 14вольт, что, опять таки, скажется на темпах зарядки аккумуляторов.

Автор статьи Александр Куликов