Ветрогенератор своими руками: изготовление по проекту

В этой статье мы подробно разберем, как сделать ветрогенератор своими руками. Ведь быт современного человека без электроэнергии – трудно представим. И даже небольшие перебои в подаче электричества становятся порой «парализующим моментом» для нормальной жизни в собственном доме. А такие неполаки, приходится признать, для некоторых загородных поселков или населенных пунктов в сельской местности – увы, не редкость. Значит, необходимо каким-то образом обезопасить себя от неприятностей, обзавестись резервным источником энергии. А если принять в расчет еще и постоянно растущие тарифы, то наличие собственного источника, да еще и работающего практически «забесплатно», становится заветной мечтой многих владельцев домов.

Одним из направлений развития «бесплатной энергетики» в наше время является использование энергии ветра. Многие, наверное, видели впечатляющие картины огромных ветряков, успешно применяемых в некоторых странах Европы – кое-где доля выработанной ветром энергии уже достигает нескольких десятков процентов от общего объема. Вот и возникает соблазн – а не попробовать ли и мне сделать ветрогенератор своими руками, чтобы раз и навсегда получить независимость от электросетей?

Вопрос резонный, но следует сразу несколько охладить пыл «мечтателя». Чтобы создать действительно качественную, производительную установку по выработке электроэнергии, требуются немалые знания в механике и электротехнике. Нужно быть весьма опытным мастером на все руки – предстоит целый ряд операций высокой сложности, требующих точного проектирования  и квалифицированного подхода в исполнении. По совокупности этих причин, как можно судить по обсуждениям на форумах, довольно много «соискателей» либо не получили ожидаемого результата, либо и вовсе отказались от задуманного проекта.

Поэтому в данной статье будет дана обзорная картина, показывающая общие проблемы и направления их решения в процессе создания ветрогенераторов. Можно будет примерно оценить масштабность работ и трезво взвесить свои возможности – стоит ли браться самому.

Что это такое – ветрогенератор? Общее устройство системы

Существует несколько способов получения электрической энергии – за счет воздействия потоком фотонов (световой, например, солнечные батареи), за счет определенных химических реакций (широко применяется в элементах питания), за счет разницы температур. Но шире всего в настоящее время используется преобразование кинетической энергии в электрическую. Это преобразование происходит в специальных устройствах, которые как раз и называются генераторами.

Принцип работы генератора преобразователя кинетической энергии в электрическую, раскрыт и описан еще в XIX веке Фарадеем.

Он заключается в том, что если проводящую рамку разместить в изменяющемся магнитном поле, то в ней будет индуцироваться электродвижущая сила, которая при замыкании цепи приведет к появлению электрического тока. А изменение магнитного потока можно добиться вращением этой рамки в магнитном поле, или создаваемом постоянными магнитами, или появляющегося в обмотках возбуждения. При изменении положения рамки меняется величина пересекающего ее магнитного потока. И чем выше скорость изменения, тем больше показатели и наводимой ЭДС. Таким образом, чем больше оборотов передается ротору (вращающейся части генератора), те большего напряжения можно добиться на выходе.

Схема, безусловно, показана с большими упрощениями, просто для уяснения принципа.

Передача вращения на ротор генератора может осуществляться по-разному. И один из путей найти бесплатный источник энергии, который приведет в движение кинематическую часть устройства – это «поймать» силу ветра. То есть примерно так же, как это удалось сделать когда-то создателям ветряных мельниц.

Таким образом, устройство ветрового генератора подразумевает наличие генерирующего устройства и механизма передачи его статору вращательного движения, то есть ветряка. Кроме того, обязательным условием становится конструкция, обеспечивающая надежную установку системы, так как ее часто приходится размещать на немалой высоте, чтобы полноценной «ловле ветра» не мешали естественные или искусственные препятствия. В ряде случаев используется еще и кинематическая передача, предназначенная для повышения количества оборотов ротора.

Но и это – еще не все. Наличие и скорость ветра – величины чаще всего крайне непостоянные. И ставить потребление выработанной энергии в зависимость от «капризов погоды» — дело неразумное. Поэтому ветрогенератор обычно работает в связке с системой аккумуляции энергии.

Выработанный ток выпрямляется, стабилизируется и через специальное устройство-контроллер или поступает непосредственно на дальнейшее потребление, или перенаправляется на зарядку включённых в схему мощных аккумуляторов. С аккумуляторов через инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный нужного напряжения и частоты, питание поступает к точкам потребления. Аккумуляторы становятся своеобразным буферным звеном: если текущая нагрузка меньше текущей (очень зависимой от силы ветра) мощности генератора, или если на протяжении какого-то времени и вовсе не подключены приборы потребления, то идет зарядка батарей. сли нагрузка становится выше вырабатываемой мощности –  батареи разряжаются.

Интересный момент – именно эта особенность ветровой энергетической установки позволяет планировать мощность самого генератора, не исходя из пиковых показателей нагрузки (за это будет отвечать в большей мере инвертор), а отталкиваясь из прогнозируемого потребления энергии в течение определенного периода (например, месяца).

Безусловно, в быту могут использоваться и более простые схемы. Например, ветровая установка просто обслуживает какое-то низковольтное осветительное оборудование и т.п.

Для примера посмотрим вначале на простейшую конструкцию ветрогенератора, которую сможет собрать даже школьник средних классов. Практическое применение такой «электростанции» – не особо широкое, но просто чтобы расширить свое понимание и обрести некоторые навыки – почему бы и нет?

Узнайте, как сделать солнечный воздушный коллектор своими руками, а также ознакомьтесь с подробным руководством, в специальной статье на нашем портале.

Миниатюрный ветрогенератор из старых компьютерных комплектующих

Понятно, что надеяться на сколь-нибудь значимое подспорье в плане экономии электроэнергии с такой «мини-электростанцией» — по меньшей мере наивно. Но задача иногда ставится иначе – создать источник питания для походных условий, например, для подключения небольшого фонаря  подсветки в палатке, для обеспечения работы радиоприемника, для возможности подзарядить гаджеты.

Встречается немало предложений использовать для подобных целей генератор, изготовленный из компьютерного кулера или электромотора от отслужившего свое принтера. Давайте посмотрим, что из этого может получиться.

Но все же найти применение такому мини-ветрогенератору можно – в качестве источника питания дежурного освещения, светового маячка во дворе (в саду) или, опять же, радиоприёмника при выездах на природу.

Ну и плюс опыт выполнения подобных электромонтажных работ – он для многих начинающих вообще бесценен.

Но это, конечно, «игрушки» и пора перейти к более серьезным задачам.

Какие могут быть препятствия к установке личного ветрогенератора?

Прежде чем приступать к реализации такого довольно масштабного проекта, хозяину было бы логичным поинтересоваться, не будет ли к этому препятствий, так сказать, административного плана. Что об этом говорит законодательство?

• А говорит оно то, что если выходная мощность планируемого к установке ветрогенератора не превышает 1 кВт, то это вообще рассматривается, как одна из разновидностей бытовых приборов. То есть никак не попадает ни под какую регламентацию.

А что такое мощность в 1 кВт? Не слишком много, но вполне достаточно, например, для дачного или даже небольшого жилого дома. Если не применять отопительные электрические приборы, электроплиту, бойлер и иную мощную технику, то совокупно на все освещение, питание телевизора, ноутбука, на зарядку гаджетов – с лихвой будет хватать. И даже некоторый домашний электроинструмент, при разумном подходе к одновременному подключению устройств, можно будет использовать.  А с мощной аккумулирующей установкой откроются и более широкие возможности – за счет накопления энергии в периоды, когда потребление отсутствует или минимально.

• Не стоит переживать и хозяевам участков, собравшимся устанавливать более мощную систему. Порог, определяющий необходимость сертификации энергетических установок – 75 кВт. То есть никакие чиновники местной власти не имеют права своим решением потребовать прохождения каких-то разрешительных процедур.

Правда, перед началом реализации проекта стоит все же поинтересоваться особенностями регионального законодательства – нет ли там какой-то лазейки для «чиновничьего беспредела».

• Не облагаются такие электростанции и никакими налогами. Ветер пока что еще остается «бесплатным ресурсом», и если генератор используется исключительно для личного потребления энергии, то претензий к владельцам возникать не должно.
• Иное дело – конструкционные особенности ветряка. Иногда могут быть установлены ограничения на высоту мачты – этим стоит поинтересоваться заранее. Например, вблизи линий электропередач, вышек связи, аэродромов и т.п. Возможны и иные ограничения на высоту индивидуальных построек и сооружений. Иногда претензии приходят и со стороны экологических служб – дескать, самостоятельно установленные мачты могут стать помехой свободному перелету птиц. Маловероятно – но все же…
• Установленный и работающий ветрогенератор не должен стать причиной конфликта с соседями по участку. А вот здесь разнообразие претензий, в том числе и надуманных, бывает очень широким.

— Так, соседям может внушать опасение устаовленная мачта – что она в случае падения рухнет на забор и их участок. Вполне закономерная претензия.

— Далеко не все ветрогенераторы работают тихо. Наоборот – от некоторых исходит весьма внушительный низкочастотный шум и вибрация. И если хозяева, бывает, с этим готовы мириться, то соседям такой раздражающий фактор – совсем ни к чему. Значит, придется или договариваться, или принимать какие-то меры для недопущения сильного шума, или отказываться от ветряка.

Если вы уверены в своей правоте в этом вопросе, то уровень шума желательно измерить с помощью специального прибора — пригласить для этого специалиста и зафиксировать показатели документально. Появится весомый аргумент при решении возможных конфликтов.

— Не исключены претензии (возможно, что и «высосанные из пальца»), что после запуска такой мини-электростанции у соседей ухудшился прием телевизионного или радиосигнала, снизилось качество мобильной телефонной связи.

— Возможны и иные претензии, степень серьезности которых во многом зависит от уровня «мирного сосуществования» с соседями.

Узнайте, какие автономные электростанции для загородного дома возможно выбрать, в специальной статье на нашем портале.

Как быть? Выход видится один – договариваться заранее, а со своей стороны – постараться смонтировать систему так, чтобы она действительно причиняла минимум беспокойства (для себя же лучше). Если договоренность достигнута, и претензий к работающему вертогенератору у соседей нет, то это будет разумным закрепить каким-то произвольным, но письменным соглашением. Ощущения – дело субъективное, и то что сегодня кажется приемлемым, однажды, в период плохого настроения соседей, может «сменить полярность». И даже если вы будете уверены в том, что предъявляемые претензии надуманные – доказать обратное будет практически невозможно или чрезвычайно сложно.

• Кстати, еще раз вспомним о вибрации. Ветряки с мощностью более 1,5÷2 кВт ни в коем случае не рекомендуется устанавливать на крыше дома. Вибрационное воздействие вполне способно сделать свое «черное дело», постепенно расшатывая стропильную систему с кровлей или даже другие конструктивные элементы здания.
• При выборе места установки ветряка следует не упускать из виду и вопросы личной безопасности. Вращение лопастей даже при умеренном ветре происходит с очень высокой линейной скоростью. Случайно отколовшийся осколок или элемент крепежа может развить скорость более 100 км/час, то есть представлять весьма серьезную опасность для человека.

Насколько выгодной (или наоборот) может оказаться реализация проекта?

Как уже становится потихоньку понятно, проблем с установкой ветровой электростанции – больше, чем хотелось бы. И при этом еще необходимо трезво оценивать реальные условия. Прежде всего – средний уровень ветров, характерных для данной местности. Иногда просто не имеет смысла связываться.

На карте-схеме выше показаны примерные значения среднегодовой скорости ветра по регионам России. Понятно, что эти данные – ну очень ориентировочные. Но их всегда можно уточнить в местной метеорологической службе. Или, наверняка, их знают и в строительных компаниях города (района).

Плюс к этому (точнее сказать – минус) – свободному движению ветра могут мешать естественные (складки рельефа, высокие деревья и т.п.) или искусственные (высокая застройка) препятствия. В таких условиях приходится увеличивать высоту мачты, чтобы «поймать» ветер над препятствием, но это превращается в очень сложную, дорогостоящую и небезопасную технологическую проблему.

Наверное, будет интересно заранее посмотреть, на что можно рассчитывать. То есть какой ожидаемый приток бесплатной энергии возможен в зависимости от мощности генератора и среднегодовой скорости ветра.

Смотрим в таблицу.

(Значения паспортной мощности указаны для скорости ветра в 12 м/с – именно такой показатель очень часто встречается в технических характеристиках установок, предлагаемых в продаже – от него идёт расчет номинальных значений).

Ожидаемое количество выработанной электроэнергии (кВт в месяц) в зависимости от номинальной мощности ветрогенератора и среднегодовой скорости ветра в месте его установки.

И видим, что ожидать каких-то чудес – не приходится.

Вот и считайте, какова предполагается экономия, выраженная в рублях (с привязкой к местным тарифам), и за какое количество лет ветровая энергетическая установка в таких условиях себя окупит…

Такая таблица хороша в том случае, если известна номинальная мощность приобретаемой готовой модели. А как спрогнозировать мощность, если ветрогенератор планируется изготавливать самостоятельно?

Подсчитать мощность ветрового потока можно по следующей формуле:

W = 0.5 × ρ × Sr × V³

Символами в формуле обозначены:

W — мощность ветрового потока, проходящего через определенную площадь.

ρ — плотность воздуха (можно принять усредненное значение 1,25 кг/м³).

Sr — площадь, с которой «снимается» энергия ветра. В приложении к горизонтальным ветрогенераторам – это площадь ротора, то есть круга, ограниченного длиной лопастей.

V -— расчетная скорость ветра.

Понятно, что далеко не вся энергия, переносимая ветром, будет преобразована в электрическую. Часть воздушного потока расходуется на образоване завихрений, на обтекание конструкции. Кроме того, неизбежны потери общего плана, свойственные для любых меанизмов – преодоление силы трения, нагрев и т.п. В итоге обычно можно всерьез говорить о полезном использовании всего порядка 30÷40% от потенциала ветрового потока.

Поэтому формулу лучше представить вот в таком виде:

Wg = 0.5 × ρ × ξ × Sr × V³ × ηg × ηr

Разбираемся с добавившимися в формулу величинами:

ξ — это коэффициент использования ветровой энергии. С некоторой долей условности его можно назвать и коэффициентом полезного действия ветрогенератора. В реальных условиях эксплуатации даже для быстроходных установок с лопастями аэродинамического профиля, при номинальных показателях скорости ветра значение коэффициента обычно лежит в пределах 0,35÷0,45. Для расчетов прогнозируемой мощности энергоустановки можно взять усредненное значение — 0,4. Только в некоторых высокотехнологичных ветрогенераторах с практически идеальными аэродинамическими формами лопастей удается достичь значения этого коэффициента в 0,5 или даже несколько выше.

ηg — коэффициент полезного действия самого генератора. Обычно не поднимается выше 0,85.

ηr — коэффициент полезного действия редуктора (если он используется в схеме). Тоже обычно ограничивается показателем 0,9. Если вращение передается на генератор напрямую, без механического преобразования, то эту величину можно оставить равной 1,0.

Вот с этой формулой уже можно подсчитать более приближенные к реалиям показатели мощности планируемого к установке ветрогенератора.

Чтобы облегчить читателю задачу, составлен специальный онлайн-калькулятор, который выполнит расчеты буквально за секунды.

Калькулятор расчета прогнозируемой мощности ветрового генератора

Перейти к расчётам

Обычно расчеты проводят для двух скоростей ветра.

• При указании среднегодовой скорости можно представить, на какое количество выработанной энергии можно рассчитывать в определенный период времени – обычно это исчисляется месяцами или даже полным годом.
• Номинальная же мощность установки обычно вычисляется по так называемой расчётной скорости ветра, которая, впрочем, не должна превышать среднегодовую более, чем в 1.5 ÷ 2.0 раза.

Итак, прежде чем приступать к реализации задуманной установки ветрогенератора, стоит все же просчитать, на что можно рассчитывать при его дальнейшей эксплуатации. В большинстве случаев говорить о реальном режиме экономии материальных средств – неблагоразумно. Затраты на приобретение системы (или комплектующих для ее создания) и ее установку ожидаются немалые, а отдача, как видно по расчетам – не особо впечатляющая.

Иными словами, такой проект можно назвать, скорее, инвестицией в будущее, но никак не ожидать от запуска энергетической установки сиюминутной отдачи. Правильнее, наверное, ее будет рассматривать в качестве вспомогательного источника энергии или резервного, на случаи перебоев в линиях электропередач, если этим грешат местные электросети.

Цены на солнечные модули DELTA

Иное дело, если по каким-либо причинам подведение ЛЭП к объекту (дому) становится или невозможным, или чрезвычайно затратным. Тогда, действительно, приходится рассчитывать только на автономные источники электроэнергии. В таких ситуациях видится оптимальным сочетание ветрового генератора и дизельной (бензиновой) энергетической установки. При хороших показателях скорости ветра энергообеспечение ложится на ветрогенератор, в периоды штиля или очень слабого ветра придётся переходить на жидкотопливный агрегат.

Кстати, еще одним помощником в общей схеме энергообеспечения дома могут стать и солнечные батареи – этот источник при создании полностью автономной системы тоже никак нельзя сбрасывать со счетов.

Основные узлы и агрегаты самостоятельно создаваемого ветрогенератора

Еще раз повторимся – целью статьи не является публикация точных чертежей и инструкций по самостоятельной сборке ветрового генератора. По мнению автора – это и вовсе сделать невозможно, по крайней мере в полном отрыве от информации о конкретных условиях установки такой системы. А тот мссив публикаций в интернете, который преподносится в качестве руководств к созданию ВУЭ своими руками – по большей части таковым не является.

Без расчетов, без детально продуманного проекта, без багажа определённых знаний и умений приступать к такому делу и вовсе не стоит. А проектирование действительно работающей и приносящей ощутимый эффект системы – все же задача для специалистов.

Но народный энтузиазм – неистребим, и многие домашние мастера на свой страх и риск все же стремятся создать такие источники автономного питания. И если желание попробовать собственные силы преобладает, то можно подсмотреть, как это уже пытались сделать другие.

Итак, конструктивно всю систему можно разделить на несколько основных узлов и агрегатов:

• Ветряк с устройством стабилизации положения и с передачей вращательного момента на вал генератора.
• Конструкция, обеспечивающая установку ветряка с генератором на требуемой высоте.
• Собственно, само генерирующее устройство, в котором происходит преобразование вращательного движения в электрическую энергию.
• Электрическая схема, обеспечивающая контроль и дальнейшее использование выработанной энергии.

Электрическую часть «оставим в покое» — здесь вообще отдельный вопрос, требующий очень пристального профессионального рассмотрения. А с остальными попробуем внести некоторую ясность.

Конструкция ветряка

Ветряк – самая заметная часть общей конструкции. Именно ему «поручается» преобразовать поступательно перемещение воздуха (ветра) во вращательное движение ротора генератора. И, как мы видели из расчетов, размеры ветряка напрямую влияют на мощностные показатели энергоустановки — чем больше площадь охватывания ветром, тем больших результатов можно ожидать.

По расположению оси вращения ветряки могут быть горизонтальными и вертикальными.

Ветряки с горизонтальной осью вращения

Ветряки горизонтального исполнения отличаются большим количеством оборотов и более высокими показателями мощности. Опять же, в силу немалой площади, с которой снимается кинетическая энергия ветра.

Лопасти ветряка могут быть жесткими или парусного типа. Но парусные, хотя они зачастую бывают и легче, и проще в изготовлении, не показывают нужных для эффективного ветрогенератора значений скорости вращения. Обычно их применяют в тех механизмах, где важно само стабильное вращение, так сказать, «ради вращения». Классическим примером могут служить ветряные мельницы или помпы.

Кроме того, парусные лопасти не столь долговечны и требуют довольно частного ремонта – перетяжки.

А для выработки электроэнергии оптимальным вариантом все же считаются жесткие лопасти с аэродинамическим профилем. При нормальном ветре за счет сочетания приложения нескольких сил они способны создавать скорость вращения в 1000 и даже более оборотов в минуту.

Кстати, гнаться за количеством лопастей – совершенно бессмысленное занятие. Оптимальную производительность как раз показывают ветряки с  двумя или тремя лопастями. Если посмотреть на многочисленные иллюстрации в интернете, то видно, что преимущественно ветрогенераторы заводского изготовления – трехлопастные.

Можно, безусловно, встретит и другое количество лопастей – есть модели и вообще с одной. Но именно трехлопастные считаются той «золотой серединой», которая обеспечивает и эффективность работы, и высокие скорости, и простоту в балансировке.

А вот возрастание числа лопастей (парадоксально, но факт) только ухудшает показатели ветровой установки. Возникающие завихрения и зоны разряжения воздуха приводят к лишнему торможению вращения. Так что определяющими становятся не количество, а длина лопастей и скорость их вращения.

Несмотря на то что конфигурация лопастей – довольно сложная штука, их успешно мастерят и самостоятельно, например, раскраивая жесткие пластиковые трубы среднего диаметра. Например, канализационная труба, распущенная вдоль на четыре одинаковых сектора, послужит заготовкой для изготовления трех лопастей. (Один сектор останется в запасе – можно из него сделать лекало, чтобы в любой момент по имеющемуся образцу вырезать новую лопасть для замены вышедшей из строя).

Стоят трубы недорого, так что с формами лопастей вполне можно поэкспериментировать. Обычно вначале вырезается и обрабатывается одна лопасть. А в дальнейшем – она уже служит шаблоном для изготовления остальных.

Опытные мастера, уже опробовавшие эту схему, рекомендуют придерживаться определённого соотношения длины лопасти и диаметра предназначенной для ее изготовления трубы – 5:1. То есть, например, для метровой лопасти лучше применить трубу диаметром 200 мм.

Цены на ПВХ трубы

В интернете можно отыскать уже готовые рекомендуемые лекала для изготовления лопастей из трубы. В таких схемах просчитаны и проставлены оптимальные размеры, и остается только перенести их на заготовки.

Для примера – парочка таких лекал для трехлопастного ветряка разного диаметра:

Чертеж 1 – лопасть из трубы 200 мм для ветряка диаметром 1700 мм

Чертёж 2 – лопасть из трубы 250 мм для ветряка диаметром 2300 мм

Естественно, изготовленные лопасти следует тщательно обработать, придав им обтекаемую форму. В ход последовательно идут напильники, надфили, мелкозернистая наждачная бумага.

Имеет значение и профиль обрабатываемой кромки. По той стороне, которая будет «разрезать» воздух, кромка шлифуется до обтекаемой округлой формы. С противоположной стороны делается заострение на внешнюю сторону – для облегчения схода с плоскости лопасти воздушного потока.

Существует и немало других, правда – более сложных в исполнении, но и более надежных вариантов изготовлении лопастей. Так, хорошими показателями традиционно обладают алюминиевые «крылья», которым может придаваться или такая же, как у трубчатых, изогнутая форма в сечении, или даже коробчатая.

Можно отыскать интересный материал по изготовлению объемных лопастей из стеклоткани с последующей пропиткой эпоксидной смолой. Для этого сначала изготавливается матрица – деревянный шаблон, выполненный точно по форме будущей лопасти.

Затем по этой матрице изготавливаются две стеклотканевые детали одной лопасти, которые впоследствии склеиваются в одну полую, очень легкую и, вместе с тем, прочную деталь. Но это уже, если честно, «высший пилотаж» мастерства, доступный только для опытных мастеров.

Лопасти после тщательно проведенной разметки крепятся к ступице винта – обычно для этого используют резьбовое соединения. А ступица уже будет непосредственно соединяться с валом генератора, или через систему передачи с повышением числа оборотов.

• Важным элементом конструкции ветряка всегда является вся флюгерная часть — поворотная станина, на которой, собственно, и размещаешься сам винт, передача и генерирующее устройство. Естественно, и материал изготовления, и сама сборка должны выдерживать немалые нагрузки, в том числе – и динамические, и вибрационного плана.

В задней части предусматривается хвостовик, который оснащается вертикальной пластиной – килем. Это позволяет правильно позиционировать винт ветряка относительно направления ветра – перпендикулярно ему. Естественно, хвостовик еще и играет роль противовеса – для балансировки всей флюгерной части ветрогенератора относительно оси мачты.

Кстати, в «продуманных» моделях ветрогенератора предусматривается система изменения угла атаки ветра – это позволяет сохранить целостность конструкции при резких порывах или аномально сильном ветре. Один из вариантов показан на схеме ниже.

Сам ветряк (поз. 1) соединён с хвостовиком, оснащенным килем (поз. 2), не жестко, а через шарнир. Кроме того, в конструкцию добавлен еще один элемент – боковая лопатка (поз. 4), которая в точке шарнира жестко соединена с ветряком и расположена перпендикулярно ему. Исходное, нормальное положение роторной части обеспечивается усилием пружины (поз. 5).

Если скорость ветра – в пределах нормы, то ветряк и хвостовик с килем, как им и положено, расположены соосно. И плоскость вращения винта – перпендикулярна направлению ветра.

При усилении ветра лопатка, за счет своей парусности, начинает, растягивая пружину, отклоняться назад, и тем самым ветер попадает на винт уже не перпендикулярно, а под определенным углом. Снижается площадь «контакта», соответственно – и мощность генератора. То есть происходит своеобразное предохранение и конструкции всего ветряка в целом, и генерирующего устройства – от перегрузки и перегорания. При очень больших скоростях лопатка и вовсе выведет ветряк из работы – плоскость вращения встанет параллельно направлению ветра.

Ветряки с вертикальной осью вращения

Такую схему тоже применяют достаточно часто, так как она обладает рядом преимуществ. Ветряки такой компоновки (их обычно называют роторными) очень чувствительны даже к небольшим скоростям ветра. Достоинством является и то, что их работа сопряжена с гораздо меньшим уровнем шума и вибрации, поэтому их зачатую без особой опаски монтируют на крышах, что для осевых ветряков, как мы помним, противопоказано. Мало того, нередко такие ветряки, исполненные «с любовью» и проявлением креативности мышления, становятся даже оригинальным украшением внешнего облика дома.

Вертикальная ось позволяет разместить тяжеловесное генерирующее устройство не на большой высоте, а в более удобном для эксплуатации и регулярного обслуживания месте. Это снимает ряд проблем, касающихся конструкции мачты.

Для самостоятельного изготовления лопастей таких ветряков широко используются разрезанные на сектора емкости – старые металлические или пластиковые бочки, выварки, баки и т.п. Вполне можно применить и обычные листы оцинкованного металла, закрепив их на рамах. Нет особых ограничений по конструкции ступицы с рамами для размещения лопастей.

Одним словом, просторов для творчества, применимого к имеющимся в хозяйстве материалам — здесь намного больше.

Но есть у них и главный недостаток, который во многом перечеркивает достоинства. Просто по своей конструкции такие энергетические установки значительно уступают в показателях мощности осевым горизонтальным. Упоминавшийся выше коэффициент использования энергии ветра при таком расположении ветряка обычно не превышает 0,2, то есть практически вдвое ниже. Да и по показателям скорости вращения они несопоставимы. Линейная скорость такого ветряка у края лопасти просто физически не может быть выше скорости ветра. А при довольно большом радиусе колеса угловая скорость и вовсе получается совсем незначительной.

А для генерирующих устройств количество оборотов зачастую является определяющим моментом, от которого зависит их возможность выработки электроэнергии. Значит, придется применять довольно сложную систему передачи вращательного момента. Это и усложняет конструкцию, и приводит к дополнительным потерям.

Впрочем, немало сторонников и именно у такой схемы – умельцы находят способы минимизировать ее негативные качества.

В контексте данной статьи к этой схеме мы больше возвращаться не станем – она требует и отдельных расчётов (показанный выше алгоритм для нее не подходит), и более глубокого изучения особенностей конструкции. Так что лучше ей отвести отдельную публикацию, которая обязательно появится на страницах нашего портала.  А пока – заполним «вакуум» небольшим видеосюжетом на эту тему.

Видео: Самодельный вертикальный ветрогенератор в работе

Мачта и поворотное устройство

Ветрогенератор должен быть поднят на нужную высоту, и всей флюгерной части необходимо предоставить возможность вращаться в горизонтальной плоскости, следуя за направлением ветра.

• Мачта – один из очень непростых в изготовлении и монтаже элементов конструкции ветрогенератора. Особенно если обстоятельства вынуждают поднимать ветряк с генератором на большую высоту. Саму-то мачту порой установить не так просто – а здесь еще и массивный габаритный груз на верхушке!

Очень удачный вариант – это готовая мачта, специально предназначенная для подобных целей. В ней уже заложена шарнирная или телескопическая конструкция для последовательных действий при монтаже – крепления нижней части и затем – установка верхней части с «полезным грузом» на нужную высоту.

Такие мачты, безусловно, недешевы, но нечто подобное можно смастерить и самостоятельно из труб разного диаметра.

В любом случае мачту, конечно, в грунт не воткнешь и просто на голую землю не поставишь. Значит, ей необходим достаточно мощный фундамент. В процессе его армирования укладывается или закладная гильза, в которую впоследствии будет вставляться труба мачты, или закладные анкеры с резьбовой частью – для последующего соединения с основанием мачты.

После установки мачты она должна сразу же быть дополнительно зафиксирована растяжками. Количество и высота ярусов, количество растяжек в ярусе и удаление точек из крепления определяется специальными расчетами. Это зависит и от высоты мачты, и от материала ее изготовления, и от особенностей местности. Так что этот вопрос лучше не пускать на самотёк, а уточнить у специалистов в местной строительно-монтажной организации. Кстати, противоположный конец каждой растяжки, если он крепится на уровне грунта, потребует и себе отдельного анкерного фундамента. Так что работы предстоит много.

При необходимости большой высоты подъема ветрогенератора порой прибегают к монтажу сложной каркасной конструкции из стального проката. Надо полагать, что в таких случаях без квалифицированного проектирования и вовсе не обойтись. Такие мачты обычно имеют секционную конструкцию и последовательно монтируются от фундамента до верхушки. Хотя может быть и цельная конструкция, устанавливаемая разом.

• Безусловно, должно быть продумано подвижное соединение флюгерной части ветрогенератора с мачтой, на которой он устанавливается – для изменения положения при перемене направления ветра. Конструкция этого вертлюга может быть разной – от подшипникового узла (предпочтительно) до простейших схем «труба в трубе» или «штырь в трубе» (слишком примитивно — не исключено заклинивание).

Часто очень даже подходящие детали для такого соединения можно подыскать на барахолке старых автомобильных запчастей, а то и вовсе в своем гараже. Например, это могут быть старые ступицы колес. Кроме того, полностью готовый узел заводской сборки, с качественной системой подшипников, защищенных от внешнего воздействия, стоит поискать в каталогах – это будет проще и надежнее.

• Одной из проблем становится расположение кабеля, по которому выработанный ток должен поступать в электрическую схему системы.

Если просто пропустить кабель в полости трубы мачты – проблема не решится. Вращение флюгерной части может привести к перекручиванию проводов, что заканчивается или их обрывом, или коротким замыканием. А поконтролировать состояние становится весьма сложной задачей.

Внешнее размещение кабеля дает возможность контроля. Но от закручивания вокруг мачты все равно никуда не деться, и это запросто можно упустить из виду. Последствия будут ничуть не лучше. Кроме того, оставлять кабель, открытый все морозам и дождям — наверное, не лучшее решение.

Выход – установка подвижных коллекторно-щеточных токосъёмников. Вариантов здесь может быть немало. Так, в интернет-магазинах (на том же «Али») предлагаются готовые решения. Нередко такой токосъемный узел уже входит в состав приобретаемого поворотного механизма.

Но многие умелые мастера вполне справляются с задачей и самостоятельно. И их токосъемники ничуть не уступают в надежности и долговечности заводским моделям. А по стоимости получается гораздо выгоднее.

Пример изготовления токосъёмного узла показан на видео.

Видео: Изготовление токосъемника для ветрогенератора

Генерирующее устройство

Дошли, наконец, до «сердца» ветровой энергетической установки. Что же предпочесть в качестве прибора, где, собственно, и будет происходить процесс преобразования кинетической энергии в электрическую.

Раз тема – «своими руками», то готовые модели генераторов заводского изготовления, предназначенные именно для монтажа на ветровых установках – не рассматриваем. Чем же можно их заменить?

Вариантов предлагается немало. Но остановимся на двух – применение прошедшего доработку асинхронного трехфазного двигателя и самостоятельное изготовление так называемого аксиального генератора.

Переделка асинхронного двигателя в генератор

Асинхронные двигатели – наиболее распространенные. И найти (приобрести) такое устройство для последующей переделки в генератор – несложно.

В отличие от представленной в начале статьи принципиальной схемы генератора, наведение ЭДС будет происходить в обмотках статора. А ротор будет создавать необходимое для этого процесса вращающееся магнитное поле. Очень удобно с той точки зрения, что отпадает необходимость щеточно-коллекторного механизма со всеми присущими ему недостатками.

В исходном виде ротор асинхронного двигателя представляет собой совокупность короткозамкнутых обмоток. Чтобы он стал источником вращающегося магнитного поля используются два пути. Первый — с применением конденсаторной схемы, обеспечивающей необходимый «пусковой момент» генерации тока, то есть требуемое опережение фазы вращения магнитного поля ротора над полем статора.

Второй вариант – создание требуемого для генерации вращающегося поля высокой напряженности с помощью мощных постоянных магнитов (неодимовых). Именно этот пример рассмотрим несколько пристальнее.

Достоинством этого метода можно считать отсутствие необходимости довольно сложной в выполнении перемотки статора. То есть все ограничится только переделкой ротора. А работать такой генератор способен даже на небольших оборотах.

Безусловно, скорости вращения в 1000 оборотов в минуту от ветряка ожидать сложно. Но и того, что будет на выходе в реальных условиях эксплуатации при нормальном ветре должно с лихвой хватать для зарядки аккумуляторов и для подключения довольно значительной нагрузки.

Чтобы несколько расширить информацию о переделке асинхронного двигателя в генератор, предлагаем посмотреть еще один видеосюжет на эту тему. Там мастер дает некоторые разъяснения по часто возникающим вопросам.

Видео: Вариант переделки асинхронного двигателя в генератор переменного тока

Изготовление аксиального генератора

С появлением в свободном доступе мощных неодимовых магнитов появилась возможность самостоятельного изготовления производительных генерирующих устройств или, как мы видели на предыдущем примере – совершенствования имеющихся изделий. Одной из схем, набирающих популярность, является так называемый аксиальный генератор.

Эта схема привлекает тем, что ее полностью, от начала до конца, можно изготовить самостоятельно. То есть для этого не требуется ни старых генераторов, ни электродвигателей. Могут оказать помощь некоторые автомобильные запчасти (колесная ступица, например), но только в плане облегчения создания системы взаимно вращающихся узлов.

О самостоятельном изготовлении аксиального генератора много говорить не будем. По той причине, что на предлагаемом видео очень подробно показаны все моменты, от принципа устройства прибора и до запуска в эксплуатацию.

Видео: Принцип работы и устройства компактной ветровой энергетической установки с аксиальным генератором

Видео: Подробное разъяснение процесса изготовления аксиального генератора

Видео: Схема подключения и проведение тестирования аксиального генератора.

*  *  *  *  *  *  *

Итак, на этом закончим получившийся довольно объемным обзор, касающийся проблемы самостоятельного изготовления ветровой энергетической системы. Читатель, должно быть, смог убедиться в том, что задача эта – из разряда повышенной сложности. Кроме того, она неизбежно потребует немалых финансовых и трудовых затрат. А ожидать какого-то скорого эффекта от личной ветровой электростанции – пока не приходится.

Однако, уверен, что некоторых домашних мастеров ни один из перечисленных аргументов не остановит. Что ж, хочется искренне пожелать им удачи! А если им будет, чем поделиться (неважно, успехом или неудачным опытом) – с удовольствием предоставим им для этого страницы нашего портала.

И еще одно. Автор публикации будет считать свою миссию выполненной в обоих случаях. И тогда, когда приведенные доводы несколько охладят пыл слишком рьяного искателя бесплатной энергии. И в том случае, если после прочтения статьи найдутся те, кто скажет – «Как же все это интересно! Обязательно попробую!»