Как защитить ветрогенератор от сильного ветра ведь к примеру при урагане запросто могут не выдержать лопасти и по-отлетать. Или что еще хуже не выдержит мачта, например оторвет растяжки и ветрогенератор рухнет сметая все на пути падения. Конечно для небольших ветрячков с диаметром винта до 1,5м защита от сильного ветра не особо актуальна, так-как нет такого огромного давления на винт. А вот для больших ветряков бурезащита обязательна, большой винт при урагане испытывает огромное давление и тут не только лопасти могут отлететь, но и стальные тросы может порвать или вырвать с корнем из земли. Ну в общем я думаю понятно что без защиты особенно в близи людей и строений ветряк лучше не ставить, раз в год как минимум ураганы все равно бывают.
В заводских ветрогенератора бурезащита уже заложена, для малых ветряков как правило используется электротормоз. То-есть при достижении определенных оборотов, контроллером импульсно закорачиваются фазы генератора и винт теряет обороты сбрасывая мощность. Или же защита совсем не предусмотрена и контроллер тормозит закорачивая генератор только когда напряжение превысит определенное значение, к примеру 14 вольт для двенадцативольтовой системы. Для самодельных небольших ветряков часто делают самодельные контролеры (балластные регуляторы) которые так же тормозят ветряк при превышении напряжения, тормозят включением дополнительной нагрузки в виде лампочек или нихромных спиралей, теннов. Или покупают готовые контроллеры где все уже есть и торможение и принудительная остановка ветряка.
Большие ветряки кроме контроллера должны иметь и механическую защиту так как большие винты отбирают огромную мощность на сильном ветру и уходят "в разнос" и даже полное замыкание генератора не останавливает винт. В заводских ветряках защита обычно выполнена методом поворота хвоста и винт отворачивается в сторону от ветра. У "ветроловов" за основу взят ставший уже давно классическим метод увода винта от ветра складыванием хвоста. Вот о этой схеме и пойдет речь далее.
Схема защиты от сильного ветра
Схема расположения узлов для реализации защиты от урагана методом увода ветроголовки из под ветра складыванием хвоста. Если присмотреться то на рисунке видно что генератор смещен относительно цента поворотной оси. А хвост одет на "палец", который приварен с боку под углом, по вертикали 20 градусов и по горизонтали на 45 градусов.Защита работает так. Когда нет ветра и винт не вращается хвост отклонен на свои 45 градусов и висит в сторону. С появлением ветра винт поворачивается и начинает вращаться, а хвост поворачивается по ветру и выравнивается. При превышении определенной скорости ветра давление на винт становится больше чем вес хвоста и он отворачивается, а хвост складывается. Как только ветер ослабевает хвост под весом снова раскладывается и винт становится на ветер. Чтобы при складывании хвост не повредил лопасти, приваривают ограничитель.
Принцип защиты ветрогенератора
Четыре этапа, на которых видно как происходит защита ветряка от сильного ветра
Тут основную роль играет вес хвоста и его длинна и площадь оперения, а так же расстояние на которое смещена ось вращения винта. Для расчета есть формулы, но люди для удобства написали таблички эксель по которым все считается в два клика. Ниже привожу две таблички взятых с форума windpower-russia.ru
Скриншот первой таблички. В желтые поля вводите данные и получаете нужную длину хвоста и вес его кончика. Площадь оперения по умолчанию 15-20% от ометаемой площади винта.
Расчет хвостового оперения
Скриншот таблицы "расчет хвостового оперения для ветрогенератора"
Вторая табличка немного отличается, Тут можно изменять угол отклонения хвоста по горизонтали. Он в первой таблице считается как 45 градусов, а здесь его можно менять также как и отклонение по вертикали. Плюс добавляется пружина, которая дополнительно удерживает хвост. Пружина устанавливается как сопротивление складыванию хвоста для более быстрого возврата и чтобы снизить вес хвоста. Так же в расчете учитывается площадь оперения хвоста.
Скачать - Расчет хвостового оперения 2.xls
Расчет хвостового оперения 2
Скриншот таблицы "расчет хвоста для ветрогенератора 2"
Так же вес хвоста и другие параметры можно рассчитать вот по этим формулам
Сама формула Fa*x*pi/2=m*g*l*sin(a).Fa - осевая сила на винт.
По Сабинину Fa=1,172*pi*D^2/4*1,19/2*V^2
по Жуковскому Fa=0,888*pi*D^2/4*1,19/2*V^2,
где D - диаметр ветроколеса, V скорость ветра;
X - искомое смещение (offset) от поворотной оси до оси вращения вин;
m - масса хвоста;
g - ускорение свободного падения;
l - расстояние от пальца до центра тяжести хвоста;
a - угол наклона пальца.
К примеру винт диаметром 2 метра, скорость ветра, при которой хвост должен сложиться =10 м/с
Считаем по Жуковскому Fa=0,888*3.1415*2^2/4*1.19/2*10^2=165Н
Масса хвоста =5 кг,
расстояние от пальца до центра тяжести хвоста =2м,
угол наклона пальца =20 градусов
X=5*9,81*2*sin(20)/165/3.1415*2=0,129 м.
Также более понятный расчет массы хвоста
0.5*Q*S*V^2*L1*п/2=М*L2*g*sin(a), где:
Q - плотность воздуха;
S - площадь винта(м^2);
V - скорость ветра(м/с);
L1 - смещение оси поворота ветроголовки от оси вращения винта(м);
M - масса хвоста(кг);
L2 - расстояние от оси поворота хвоста до его центра тяжести(м);
g - 9,81 (сила тяжести);
a - угол наклона оси поворота хвоста.
Ну вот наверное и все, в принцепе табличек эксель вполне достаточно для расчета, хотя можно воспользоваться и формулами. Минус такой схемы защиты это рыскание винта при работе и несколько запоздалая реакция на изменение направления ветра из за плавающего хвоста, но это не особо отражается на выработке энергии. Кроме того есть еще вариант защиты "всплытием" винта.Генератор ставят выше и он опрокидывается при этом винт как бы ложится отворачиваясь от ветра, генератор в этом случае подпирает амортизатор.
Максимальная скорость ветра, допустимая для эксплуатации ветрогенератора своими руками, равна 20-25 метрам в секунду. В случае превышения данного показателя скорости потока воздуха, работу станции необходимо ограничивать. Причем делать это нужно даже в том случае, если ветряк относится к типу тихоходных.
Конечно, вряд ли самодельному ветряку удастся раскрутиться до такой скорости, что он разрушится полностью. Но в истории существует много случаев, когда энтузиасты возводили свои собственные ветроэлектрогенераторы, но не предусматривали никакой защиты от сильного ветра. В результате этого у них даже прочные оси автомобильного генератора не выдерживали всей нагрузки и ломались как спички. Поєтому если ветер сильный, то давление на хвост оперения значительно увеличивается, а в случае резкого изменения направления потока воздуха генератор будет резко крутиться.
Принимая в учет то, что при высоких показателях скорости ветра крыльчатка генератора способна вращаться достаточно быстро, то вся конструкция превращается в гироскоп, противящийся любым поворотам. Это становится причиной сосредоточения на валу генератора значительных нагрузок между ветроколесом и рамой.
Кроме всего прочего колесо с диаметром в 2 метра будет обладать высокими показателями аэродинамического сопротивления. При сильном ветре это грозит высокими нагрузками на мачту. А поэтому для более надежной и длительной эксплуатации ветрогенератора, стоит побеспокоиться о защите.
Проще всего использовать для подобных целей так называемую боковую лопату. Это весьма простое устройство, способное существенно сэкономить средства, силы и время, затраченные на возведение станции.
Работа такого устройства заключается в том, что при рабочем ветре со скоростью в 8 м/с давление ветра на конструкцию ниже давления пружины защиты. Это позволяет генератору работать в обычном режиме и держаться по ветру при помощи оперения. Чтобы в рабочем режиме ветряк не складывался, имеется растяжка между боковой лопатой и хвостом. Но при сильном ветровом потоке, давление на ветроколесо превышает силу давления пружины, в результате срабатывает защита. Когда генератор начинает складываться, ветровой поток попадает на ветрогенератор под углом, что серьезно сокращает его мощность.
При очень высоких показателях скорости ветра защита полностью складывает генератор, который ложится параллельно направлению ветрового потока. В результате практически полностью прекращается работа ветряка. Стоит заметить, что в таком случае хвост оперения не крепится жестко с рамой, а имеет возможность вращения. Шарнир, который при этом используется, должен изготавливаться из высокопрочной стали, а его диаметр не должен быть менее 12 миллиметров.
Между ведущими экономиками мира развернулось соревнование в области освоения околоземного космического пространства. Во время общения с журналистами глава российского космического агентства «Роскосмос», Дмитрий Рогозин рассказал о ближайших перспективных разработках и планах компании, среди которых выделяется замысел создания посадочно... Читать дальшеУвеличение интереса пользователей к альтернативным источникам электроэнергии вполне объяснимо. Отсутствие возможностей для подключения к централизованным сетям вынуждает использовать другие методы обеспечения жилья или временных пунктов проживания электроэнергией. Доля постоянно возрастает, так как приобретение промышленного образца - дело весьма затратное и всегда достаточно эффективное.
При создании ветряка следует учитывать возможность шквальных порывов ветра и принимать соответствующие меры предохранения конструкции от них.
Для чего нужна защита от сильного ветра?
Работа ветрогенератора рассчитана на определенную силу ветра. Обычно во внимание принимаются средние показатели, типичные для данного региона. Но при усилении ветрового потока до критических значений, что иногда случается в любой местности, возникает риск выхода устройства из строя, а в некоторых случаях - полного разрушения.
Оборудованы защитой от подобных перегрузок либо по току (при превышении допустимого значения напряжения срабатывает электромагнитный тормоз), либо по скорости вращения (механический тормоз). Самодельные конструкции также необходимо снабжать подобными приспособлениями.
Рабочие колеса, особенно снабженные , при больших скоростях вращения начинают действовать по принципу гироскопа и сохраняют плоскость вращения. В таких условиях хвост не может выполнять свою работу и ориентировать устройство по оси потока, что приводит к поломкам. Такое возможно даже если скорость ветра не слишком велика. Поэтому приспособление, замедляющее ход рабочего колеса, является необходимым элементом конструкции.
Возможно ли изготовление приспособления своими руками?
Изготовление приспособления вполне возможно. Мало того, это является абсолютной необходимостью. Тормозное устройство должно быть предусмотрено еще на стадии проектирования ветряка. Параметры работы приспособления необходимо как можно тщательнее рассчитать, чтобы его возможности не оказались слишком низкими по сравнению с реальными потребностями конструкции.
Прежде всего надо выбрать способ реализации тормозного устройства. Обычно для таких конструкций используются простые и безотказные механические приспособления, но могут быть созданы и электромагнитные образцы. Выбор зависит от того, какие ветра преобладают в регионе и какова конструкция самого ветряка.
Самый простой вариант - изменение направления оси ротора, производимое вручную. Для этого потребуется лишь установить шарнир, но необходимость выходить при сильном ветре на улицу - не самое лучшее решение. Кроме того, не всегда имеется возможность ручной остановки, так как в этот момент можно находиться далеко от дома.
Принцип действия
Существует несколько механических способов торможения рабочего колеса. Наиболее распространенными вариантами для горизонтальных конструкций ветряка являются:
- увод ротора от ветра при помощи боковой лопасти (остановка методом складывающегося хвоста);
- торможение ротора с помощью боковой лопасти.
Вертикальные конструкции обычно тормозятся при помощи грузов, навешанных на внешних точках лопастей. При увеличении скорости вращения они под действием центробежной силы начинают давить на лопасти, вынуждая их складываться или разворачиваться боком к ветру, отчего скорость вращения снижается.
Внимание! Такой способ торможения прост и наиболее эффективен, позволяет регулировать скорость вращения рабочего колеса, но применим только для вертикальных конструкций.
Метод защиты складыванием хвоста
Приспособление, осуществляющее увод от ветра складыванием хвоста, позволяет плавно и достаточно гибко регулировать скорость вращения ротора. Принцип действия такой системы заключается в использовании бокового рычага, установленного в горизонтальной плоскости перпендикулярно оси вращения. Вращающееся рабочее колесо и рычаг соединены жестко, а хвост прикрепляется через подпружиненное шарнирное соединение, действующее в горизонтальной плоскости.
При номинальных значениях силы ветра боковой рычаг не способен уводить ротор в сторону, так как хвост направляет его по ветру. При усилении ветра давление на боковую лопасть увеличивается и превышает усилие пружины. При этом ось ротора отворачивается от ветра, воздействие на лопасти снижается и ротор замедляется.
Другие способы
Второй способ механического торможения близок по конструкции, но боковая лопасть действует иначе - при усилении ветра начинает через специальные колодки давить на ось ротора, замедляя его вращение. При этом, ротор и хвост устанавливаются на одном валу, а шарнирное соединение с пружиной применено на боковом рычаге.
При нормальных скоростях ветра пружина удерживает рычаг перпендикулярно оси, при усилении он начинает отклоняться в сторону хвоста, прижимая к оси тормозные колодки и тормозя вращение. Такой вариант хорош при небольших размерах лопастей, поскольку усилие, прилагаемое к валу для его остановки, должно быть довольно большим. На практике этот вариант используется только при относительно невысоких скоростях ветра, при шквальных порывах метод малоэффективен.
Помимо механических приспособлений широко используются электромагнитные. При возрастании напряжения начинает срабатывать реле, притягивающее к валу тормозные колодки.
Другим вариантом, который может быть использован для защиты, является размыкание контура при возникновении слишком высокого напряжения.
Внимание! Некоторые способы осуществляют лишь защиту электрической части комплекса, не воздействуя на механические элементы конструкции. Такие методы не способны обеспечить целостность ветряка в случае внезапных шквальных ветров и могут использоваться лишь как дополнительные меры, действующие в паре с механическими приспособлениями.
Схема и чертежи защиты
Для более наглядного представления о принципе действия тормозного приспособления рассмотрим кинематическую схему.
На рисунке видно, что пружина в нормальном состоянии удерживает вращающийся узел и хвост на одной оси. Усилие, создаваемое потоком ветра, преодолевает сопротивление пружины при повышении скорости и понемногу начинает изменять направление оси ротора, давление ветра на лопасти снижается, из-за чего скорость вращения падает.
Эта схема является наиболее распространенной и эффективной. Она проста в исполнении, позволяет создать приспособление из подручных материалов. Кроме того, настройка этого тормоза проста и сводится к подбору пружины или настройке ее усилия.
Внимание! Максимальный угол поворота ротора не рекомендуется делать больше 40-45°. Большие углы способствуют полной остановке ветряка, который после этого с трудом запускается при неровных шквалистых ветрах.
Порядок расчета
Расчет тормозного устройства довольно сложен. Для него понадобятся различные данные, найти которые непросто. Неподготовленному человеку произвести такой расчет сложно, велика вероятность ошибок.
Тем не менее, если самостоятельный расчет по каким-либо причинам необходим, можно воспользоваться формулой:
P x S x V 2 = (m x g x h) x sinα , где:
- P - усилие, прилагаемое к винту потоком ветра,
- S - площадь лопастей винта,
- V - скорость ветра,
- m - масса,
- g - ускорение свободного падения (9,8),
- h - расстояние от шарнира до точки крепления пружины,
- sinα - угол наклона хвоста относительно оси вращения.
Следует учитывать, что значения, полученные при самостоятельных расчетах, требуют правильной интерпретации и полного понимания физической сути процесса, происходящего при вращении. В данном случае не будут достаточно корректными, поскольку не будут учтены тонкие эффекты, сопутствующие функционированию ветряка. Тем не менее, значения, вычисленные таким образом, смогут дать порядок величин, необходимый для изготовления устройства.
Процесс создания ветрогенератора сопровождается массой расходов и требует множества разнообразных действий, что само по себе вынуждает максимально защищать конструкцию от возможности разрушения. Если появляется заранее предвидимая опасность разрушения или выхода из строя комплекса, то пренебрегать созданием и применением защитных устройств не следует ни в коем случае.
Изготовление ветрогенератора своими руками
После того как приобретён генератор, можно приступать к сборке ветрогенератора своими руками. На рисунке изображено устройство ветроэлектростанции. Способ крепления и расположения узлов может быть иным и зависит от индивидуальных возможностей конструктора, но нужно придёрживаться размеров основных узлов на рис. 1. Эти размеры подобранны под данную ветряную электростанцию с учетом конструкции и размеров ветроколеса.
Электрический генератор для ветряной электростанции
При подборе генератора электрического тока для ветроэлектростанции прежде всего нужно определить частоту вращения ветроколеса. Рассчитать частоту вращения ветроколеса W (при нагрузке) можно по формуле:
W=V/L*Z*60,
L=π*D,
где V - скорость ветра, м/с; L - длинна окружности, м; D - диаметр ветроколеса; Z - показатель быстроходности ветроколеса (см. табл. 2).
Таблица 2. Показатель быстроходности ветроколеса
|
Число лопастей |
Показатель быстроходности Z |
Если в эту формулу подставить данные для выбранного ветроколеса диаметром 2 м и 6 лопастями, то получим частоту вращения. Зависимость частоты от скорости ветра показано в табл. 3.
Таблица 3. Обороты ветроколеса диаметром 2 м с шестью лопастями в зависимости от скорости ветра
|
Скорость ветра, м/с |
||||||||||||
|
Число оборотов, об/мин |
Примем максимальную рабочую скорость ветра равной 7-8 м/с. При более сильном ветре работа ветрогенератора будет небезопасной и должна будет ограничиваться. Как мы уже определили, при скорости ветра 8 м/с максимальная мощность выбранной конструкции ветроэлектростанции будет равна 240 Вт, что соответствует частоте вращения ветроколеса 229 об/мин. Значит, нужно подобрать генератор с соответствующими характеристиками.
К счастью, времена тотального дефицита «канули в Лету», и нам не придётся по традиции приспосабливать автомобильный генератор от ВАЗ-2106 к ветряной электростанции. Проблема в том, что такой автомобильный генератор, например, Г-221 является высокооборотным с номинальной частотой вращения от 1100 до 6000 об/мин. Получается, без редуктора наше тихоходное ветроколесо ни как не сможет раскрутить генератор до рабочих оборотов.
Делать редуктор к нашему «ветряку» мы не будем, и поэтому подберём другой тихоходный генератор, чтобы закрепить ветроколесо просто на валу генератора. Наиболее подходящим для этого является веломотор, специально разработанный для мотор-колеса велосипедов. Такие веломоторы имеет низкие рабочие обороты, и могут легко работать в режиме генератора. Наличие постоянных магнитов в этом типе двигателя будет означать отсутствии проблем с возбуждением генератора как в случае, например, с асинхронными двигателями переменного тока, у которых, обычно, используются электромагниты (обмотка возбуждения). Без подпитки током обмотки возбуждения такой двигатель не будет вырабатывать ток при вращении.
К тому же весьма приятная особенность веломоторов заключается в том, что они относятся к бесколлекторным двигателям, а значит, не требуют замены щёток. В табл. 4 представлен пример технических характеристик веломотора мощностью 250 Вт. Как видим из таблицы, этот веломотор отлично подойдёт в качестве генератора для «ветряка» мощностью 240 Вт и с максимальными оборотами ветроколеса 229 об/мин.
Таблица 4. Технические характеристики веломотора мощностью 250 Вт
|
Производитель |
Golden Motor(Китай) |
|
Номинальное напряжение питания |
|
|
Максимальная мощность |
|
|
Номинальные обороты |
|
|
Крутящий момент |
|
|
Тип питания статора |
бесколлекторный |
Изготовление ветрогенератора своими руками
После того как приобретён генератор, можно приступать к сборке ветрогенератора своими руками. На рисунке изображено устройство ветроэлектростанции. Способ крепления и расположения узлов может быть иным и зависит от индивидуальных возможностей конструктора, но нужно придёрживаться размеров основных узлов на рис. 1. Эти размеры подобранны под данную ветряную электростанцию с учетом конструкции и размеров ветроколеса.
|
|
Устройство ветрянной электростанции 1. лопасти ветроколеса; 2. генератор (веломотор); 3. станина для закрепления вала генератора; 4. боковая лопата для защиты ветрогенератора от ураганного ветра; 5. токоприёмник, который передаёт ток к неподвижным проводам; 6. рама для крепления узлов ветряной электростанции; 7. поворотный узел, который позволяет поворачиваться ветрогенератору вокруг оси; 8. хвост с оперением для установки ветроколеса по ветру; 9. мачта ветрогенератора; 10. хомут для крепления растяжек |
На рис. 1 изображены размеры боковой лопаты (1), хвоста с оперением (2), а также рычага (3), через который
передаётся усилие от пружины. Хвост с оперением для поворота ветроколеса по ветру нужно изготовить по размерам на рис. 1 из профильной трубы 20х40х2,5 мм и кровельного железа в качестве оперения.
Крепить генератор следует на таком расстоянии, чтобы минимальное расстояние между лопастями и мачтой было не менее 250 мм. В противном случае нет гарантий, что лопасти, прогнувшись под действием ветра и гироскопических сил, не разобьются об мачту.
Изготовление лопастей
Ветряк своими руками обычно начинается из лопастей. Наиболее подходящим материалом для изготовления лопастей тихоходного ветряка является пластик, точнее пластиковая труба. Изготовить лопасти из пластиковой трубы проще всего - небольшая трудоёмкость и трудно ошибиться новичку. Также пластиковые лопасти в отличии от деревянных гарантированно не покорежатся от влаги.
Труба должна быть из ПВХ диаметром 160 мм для напорного трубопровода или канализации, например, SDR PN 6,3. У таких труб толщина стенки не менее 4 мм. Трубы для безнапорной канализации не подойдут! Эти трубы слишком тонкие и непрочные.
На фото изображено ветроколесо с разбившимися лопастями. Эти лопасти были изготовлены из тонкой ПВХ трубы (для безнапорной канализации). Они прогнулись от давления ветра и разбились об мачту.
|
|
|
|
Расчет оптимальной формы лопасти довольно сложный и нет необходимости его тут приводить, пусть им занимаются профессионалы своего дела. Нам же достаточно изготовить лопасти, используя уже рассчитанный шаблон по рис. 2, на котором изображено размеры шаблона в миллиметрах. Нужно просто вырезать такой шаблон из бумаги (фото шаблона лопасти в масштабе 1:2), далее приложить к трубе 160 мм, нарисовать контур шаблона на трубе маркером и вырезать лопасти с помощью электролобзика или вручную. Красными точками на рис. 2 изображено ориентировочное расположение креплений лопастей.
В итоге у Вас должно будет получиться шесть лопастей, формой как на фотографии. Чтобы полученные лопасти имели более высокий КИЭВ и меньше издавали шума при вращении, нужно сточить острые углы и края, а также отшлифовать все шершавые поверхности.
Для крепления лопастей к корпусу веломотора нужно использовать головку ветродвигателя, которая представляет собой диск из мягкой стали толщиной 6-10 мм. К нему приварены шесть стальных полос толщиной 12 мм и монтажной длинной 30 см с отверстиями для крепления лопастей. Диск крепится к корпусу веломотора с помощью болтов с контргайками за отверстия под крепление спиц.
После изготовления ветроколеса, его нужно обязательно отбалансировать. Для этого ветроколесо закрепляется на высоте в строго горизонтальном положении. Желательно, это сделать в закрытом помещении, где нет ветра. При сбалансированном ветроколесе лопасти не должны самопроизвольно поворачиваться. Если же какая-то лопасть тяжелее, её нужно сточить с конца до уравновешивания в любом положении ветроколеса.
Также нужно проверить вращаются ли все лопасти в одной плоскости. Для этого замеряется расстояние от конца нижней лопасти до какого-нибудь ближайшего предмета. Затем ветроколесо поворачивается и замеряется расстояние от выбранного предмета до других лопастей. Расстояние от всех лопастей должно быть в пределах +/- 2 мм. Если разница больше, то перекос нужно устранить, подогнув стальную полосу к которой крепится лопасть.
Крепление генератора (веломотора) к раме
Поскольку генератор испытывает большие нагрузки, в том числе и от гироскопических сил, его следует надёжно закрепить. Сам веломотор имеет прочную ось, поскольку используется при больших нагрузках. Так, его ось должна выдерживать вес взрослого человека при динамических нагрузках, возникающих при ездё на велосипеде.
Но на раме велосипеда веломотор крепится с двух сторон, а не с одной, как будет при работе в качестве генератора тока для ветряной электростанции. Поэтому вал нужно крепить к станине, которая представляет собой металлическую деталь с резьбовым отверстием для накручивания на вал веломотора соответствующего диаметра (D) и четырьмя монтажными отверстиями для крепления стальными болтами М8 к раме.
Желательно, использовать максимально большую длину свободного конца вала для крепления. Чтобы вал не прокручивался в станине, его нужно закрепить гайкой с контршайбой. Станину лучше всего изготовить из дюралюминия.
Для изготовления рамы ветрогенератора, то есть основы, на которой будут располагаться все другие детали, нужно
использовать стальную пластину толщиной 6-10 мм или отрезок швеллера подходящей ширины (зависит от наружного диаметра поворотного узла).
Изготовление токоприёмника и поворотного узла
Если к генератору просто привязать провода, то рано или поздно провода перекрутятся при вращении ветряка вокруг оси и оборвутся. Чтобы этого не произошло, нужно применить подвижный контакт - токоприёмник, который состоит из втулки, изготовленной из изоляционного материала (1), контактов (2) и щёток (3). Для защиты от осадков контакты токоприёмника должны быть закрыты.
Для изготовления токоприёмника ветрогенератора удобно использовать такой способ: сначала на готовом поворотном узле размещаются контакты, например, из толстой латунной или медной проволоки прямоугольного сечения (используется для трансформаторов), контакты должны быть уже с припаянными проводами (10), в качестве которых нужно использовать одно- или многожильный медный провод сечением не менее 4 мм 2 . Контакты накрываются пластиковым стаканчиком или другой ёмкостью, закрывается отверстие в опорной втулке (8) и заливается эпоксидной смолой. На фото использована эпоксидная смола с добавкой двуокиси титана. После затвердевания эпоксидной смолы деталь стачивается на токарном станке до появления контактов.
В качестве подвижного контакта лучше всего использовать медно-графитовые щетки от автомобильного стартёра с плоскими пружинами.
Для того чтобы ветряное колесо ветрогенератора могло поворачиваться по ветру, необходимо обеспечить подвижное соединения рамы ветродвигателя с неподвижной мачтой. Подшипники располагаются между опорной втулкой (8), которая через фланец соединяется с трубой мачты с помощью болтов и муфтой (6), которая приваривается дуговой сваркой (5) к раме (4). Чтобы облегчить поворот, нужен поворотный узел с использованием подшипников (7) с внутренним диаметром не менее 60 мм. Лучше всего подойдут роликоподшипники, которые лучше воспринимают осевые нагрузки.
Защита ветряной электростанции от ураганного ветра
Максимальная скорость ветра, при которой может эксплуатироваться данная ветряная электростанция, составляет 8-9 м/с. Если скорость ветра больше, работа ветряной электростанции должна ограничиваться.
Конечно, этот предлагаемый тип ветряка для изготовления своими руками тихоходный. Вряд ли лопасти раскрутятся до чрезвычайно высоких оборотов, при которых они разрушаться. Но при слишком сильном ветре давление на хвост оперения становится очень значительным, и при резком изменении направления ветра ветрогенератор будет резко поворачиваться.
Учитывая же, что лопасти при сильном ветре быстро вращаются, то ветроколесо превращается в большой тяжелый гироскоп, который противится любым поворотам. Именно поэтому между рамой и ветроколесом возникают значительные нагрузки, которые сосредотачиваются на валу генератора. Известно много случаев, когда любители строили ветрогенераторы своими руками без какой-либо защиты от ураганно ветра, и у них из-за значительных гироскопических сил ломались прочные оси автомобильных генераторов.
Кроме того, шестилопасное ветроколесо диаметром 2 м обладает значительным аэродинамическим сопротивлением, и при сильном ветре будет значительно нагружать мачту.
Поэтому, чтобы самодельный ветрогенератор служил долго и надёжно, а ветроколесо не свалилось на голову прохожим, необходимо защищать его от ураганных ветров. Проще всего защитить ветряк с помощью боковой лопаты. Это довольно простое устройство, которое хорошо зарекомендовало себя на практике.
Работа боковой лопаты заключается в следующем: при рабочем ветре (до 8 м/с) давление ветра на боковую лопату
(1) меньше жесткости пружины (3), и ветряк устанавливается приблизительно по ветру с помощью оперения. Для того чтобы пружина не складывала ветряк при рабочем ветре более чем это нужно, между
хвостом (2) и боковой лопатой натянута растяжка (4).
Когда скорость ветра достигает 8 м/с, давление на боковую лопату становится сильнее, чем усилие пружины, и ветрогенератор начинает складываться. При этом ветряной поток начинает набегать на лопасти под углом, что ограничивает мощность ветроколеса.
При очень сильном ветре ветряк складывается полностью, и лопасти устанавливаются параллельно направлению ветра, работа ветряка практически прекращается. Обратите внимание, что хвост оперения не связан с рамой жестко, а вращается на шарнире (5), который должен быть изготовлен из конструкционной стали и иметь диаметр не менее 12 мм.
Размеры боковой лопаты приведены на рис. 1. Саму боковую лопату, также как и оперение, лучше всего изготовить из профильной трубы 20х40х2,5 мм и стального листа толщиной 1-2 мм.
В качестве рабочей пружины можно использовать любые пружины из углеродистой стали с защитным цинковым покрытием. Главное, чтобы в крайнем положении усилие пружины равнялось 12 кг, а в начальном положении (когда ветряк ещё не складывается) - 6 кг.
Для изготовления растяжки следует использовать стальной велосипедный тросик, концы тросика загибаются в петлю, а свободные концы закрепляются восемью витками медной проволки диаметром 1,5-2 мм и спаиваются оловом.
Мачта ветрогенератора
В качестве мачты для ветряной электростанции можно использовать стальную водопроводную трубу диаметром не менее 101-115 мм и минимальной длинной 6-7 метров при условии относительно открытой местности, где на расстоянии 30 м не было бы препятствий для ветра.
Если же ветряную электростанцию невозможно установить на открытой площадке, то тут ничего не поделаешь. Нужно увеличивать высоту мачты так, чтобы ветроколесо было хотя бы на 1 м выше окружающих препятствий (домов, деревьев), иначе выработка электроэнергии ощутимо снизится.
Само основание мачты следует устанавливать на бетонную площадку, чтобы оно не продавливалось в размокшую почву.
В качестве растяжек нужно использовать стальные оцинкованные монтажные тросы, диаметром не менее 6 мм. Растяжки крепятся к мачте посредством хомута. У земли тросы крепятся к прочным стальным колышкам (из трубы, швеллера, уголка и т.д.), которые закопаны в землю под углом на полную глубину полтора метра. Ещё лучше, если они дополнительно замоноличенны у основания бетоном.
Поскольку мачта в сборе с ветрогенератором обладает значительным весом, то для ручной установки нужно использовать противовес, изготовленный из такой же стальной трубы, как и мачта или деревянного бруса 100х100 мм с грузом.
Электрическая схема ветряной электростанции
На рисунке изображена простейшая схема зарядки аккумуляторов: три вывода от генератора подключаются к трёхфазному выпрямителю, который представляет собой три диодных полумоста подключенных параллельно и объединённых звездой. Диоды должны быть рассчитаны на минимальное рабочее напряжение 50В и ток 20А. Так как максимальное рабочее напряжение от генератора будет равно 25-26 В, то выводы от выпрямителя подключаются к двух батареям на 12 вольт, соединённых последовательно.
При использовании такой простейшей схемы зарядка аккумуляторов протекает следующим образом: при низком напряжении менее 22 В зарядка аккумуляторов происходит очень слабо, поскольку ток ограничивается внутренним сопротивлением аккумуляторов. При скорости ветра 7-8 м/с вырабатываемое напряжение генератора будет в пределах 23-25 В, и начнётся интенсивный процесс зарядки аккумуляторов. При более высокой скорости ветра работа ветрогенератора будет ограничиваться боковой лопатой. Для защиты аккумуляторных батарей (при аварийной работе ветряной электростанции) от чрезмерного сильного тока в схеме должен быть плавкий предохранитель, рассчитанный на максимальный ток 25 А.
Как видите, эта простая схема имеет значительный недостаток - при тихом ветре (4-6 м/с) аккумуляторная батарея практически не будет заряжаться, а ведь именно такие ветра чаще всего встречаются на равнинной местности. Для того чтобы подзаряжать аккумуляторные батареи при несильном ветре, нужно использовать контроллер заряда, который подключается перед аккумуляторными батареями. Контроллер заряда будет автоматически преобразовывать необходимое напряжение, также контроллер более надёжен, чем плавкий предохранитель и предупреждает перезаряд аккумуляторов.
Чтобы использовать аккумуляторные батареи для питания бытовой техники рассчитанной на переменное напряжение 220 В, понадобится дополнительно инвертор для преобразования постоянного напряжения 24 В соответствующей мощности, которая подбирается в зависимости от пиковой мощности. Например, если Вы будете подключать к инвертору освещение, компьютер, холодильник, то вполне достаточно инвертора рассчитанного на 600Вт, если же планируете хоть изредка дополнительно пользоваться электродрелью или дисковой пилой (1500 Вт), то следует выбрать инвертор мощностью 2000 Вт.
На рисунке показано более сложную электрическую схему: в ней ток от генератора (1) сначала выпрямляется в
трехфазном выпрямителе (2), далее напряжение стабилизируется контроллером заряда (3) и заряжает аккумуляторные батареи на 24 В (4). Для питания бытовых приборов подключается инвертор (5).
Токи от генератора достигают десятки ампер, поэтому для соединения всех приборов в цепи следует использовать медные провода общим сечением 3-4 мм 2 .
Желательно ёмкость аккумуляторных батарей взять не менее 120 а/ч. Общая емкость батарей будет зависеть от средней интенсивности ветра в регионе, а также от мощности и частоты подключаемой нагрузки. Более точно необходимая ёмкость будет известна в процессе эксплуатации ветряной электростанции.
Уход за ветряной электростанцией
Рассмотренный тихоходный ветрогенератор для изготовления своими руками, как правило, хорошо запускается при слабом ветре. Для нормальной работы ветрогенератора вцелом нужно придерживаться таких правил:
1. Через две недели после запуска опустить ветрогенератор при слабом ветре и проверить все крепления.
Загрузка...
