Как сделать ветровую электростанцию
Изготовление ветрогенератора своими руками
Оплата электроэнергии на сегодняшний день занимает немалую долю в затратах на содержание жилища. В многоквартирных домах, единственный способ экономии — переход на энергосберегающие технологии, и оптимизация расходов по многотарифным схемам (ночной режим оплачивается по сниженным ценам). А при наличии приусадебного участка можно не только сэкономить на потреблении, но и организовать для частного дома самостоятельное энергообеспечение.
Это нормальная практика, которая зародилась в Европе и северной Америке, а последние пару десятилетий активно внедряется и в России. Однако оборудование для автономного энергоснабжения достаточно дорогое, окупаемость «в ноль» наступает не раннее, чем спустя 10 лет. В некоторых государствах, можно возвращать энергию в общественные сети по фиксированным тарифам, это сокращает время окупаемости. В Российской Федерации для оформления «кэшбека» требуется пройти ряд бюрократических процедур, поэтому большинство пользователей «бесплатной» энергии предпочитают строить ветряной генератор своими руками, и пользоваться им только для личных нужд.
Правовая сторона вопроса
Самодельный ветрогенератор для дома не попадает под запреты, его изготовление и применение не влечет за собой административного либо уголовного наказания. Если мощность ветряного генератора не превышает 5 кВт, он относится к бытовым устройствам, и не требует никаких согласований с местной энергетической компанией. Тем более, не требуется уплачивать какие-либо налоги, если вы не получаете прибыль при продаже электроэнергии. Кроме того, самодельный генерирующий ветряк даже с такой производительностью, требует сложных инженерных решений: смастерить его на тек просто. Поэтому мощность самоделки редко превышает 2 кВт. Собственно, этой мощности обычно достаточно для энергоснабжения частного дома (конечно, если у вас нет бойлера и мощного кондиционера).
В данном случае, речь идет о федеральном законодательстве. Поэтому перед принятием решения об изготовлении ветряка своими руками, не лишним будет проверить наличие (отсутствие) субъектовых и муниципальных нормативных правовых актов, которые могут накладывать некоторые ограничения и запреты. Например, если ваш дом расположен на особо-охраняемой природной территории, использование ветровой энергии (а это природный ресурс) может потребовать дополнительных согласований.
Проблемы с законом могут возникнуть при наличии беспокойных соседей. Ветряки для дома относятся к индивидуальным постройкам, поэтому на них также распространяются некоторые ограничения:
Важно! Любое генерирующее устройство должно быть заземлено. Помимо обеспечения безопасности, это поможет снизить уровень помех.
Совет: Чем больше у вас образуется документов, подтверждающих безопасность ветрогенератора для окружающих, тем проще будет впоследствии отражать «атаки» беспокойных соседей и назойливых проверяющих.
Разновидности генераторов
Прежде чем решить, как сделать ветрогенератор своими руками, рассмотрим особенности конструкции:
По расположению генератора устройство может быть горизонтальным или вертикальным
По номиналу генерируемого напряжения
Типовые примеры самодельных ветрогенераторов
Устройство ветрогенератора одинаковое, вне зависимости от выбранной схемы.
Пропеллер
Можно изготовить из любого материала: хоть из пластиковых бутылок. Правда гибкие лопасти существенно ограничивают мощность.
Достаточно вырезать в них полости, для забора ветра.
Неплохой вариант — ветряк бытового из кулера. Вы получаете готовую конструкцию с профессионально выполненными лопастями и сбалансированным электродвигателем.
Аналогичная конструкция изготавливается из охладителя компьютерных блоков питания. Правда мощность такого генератора мизерная — разве что зажечь лампу на светодиодах, или зарядить мобильный телефон.
Тем не менее, система вполне работоспособна.
Неплохие лопасти получаются из алюминиевых листов. Материал доступен, его несложно отформовать, пропеллер получается достаточно легким.
Если вы создаете роторный пропеллер для вертикального генератора, можно воспользоваться жестяными банкам, разрезанными вдоль. Для мощных систем применяются половинки стальных бочек (вплоть до объема 200 литров).
Разумеется, придется с особой тщательностью подойти к вопросу надежности. Мощный каркас, вал на подшипниках.
Генератор
Компактный генератор получается из шагового двигателя принтера. Опять же, мощности хватает лишь на питание светодиодного светильника или зарядного устройства смартфона. На природе — незаменимая вещь.
Если вы с паяльником «на ты», и неплохо разбираетесь в радиотехнике — генератор можно собрать самостоятельно. Популярная схема: ветрогенератор на неодимовых магнитах. Преимущества конструкции — можно самостоятельно рассчитать мощность под ветровую нагрузку в вашей местности. Почему неодимовые магниты? Компактность при высокой мощности.
Можно переделать ротор имеющегося генератора.
Либо создать собственную конструкцию, с изготовлением обмоток.
Эффективность такого ветряка на порядок выше, чем при использовании схемы с электродвигателем. Еще одно неоспоримое преимущество — компактность. Неодимовый генератор плоский, и его можно разместить непосредственно в центральной муфте пропеллера.
Мачта
Изготовление этого элемента не требует познаний в электронике, но от его прочности зависит жизнеспособность всего ветрогенератора.
Например, мачта высотой 10–15 метров требует грамотно рассчитанных растяжек и противовесов. Иначе сильный порыв ветра может завалить конструкцию.
Если мощность генератора не превышает 1 кВт, вес конструкции не такой большой, и вопросы прочности мачты отходят на второй план.
Самодельный ветрогенератор — не такая сложная конструкция, как может показаться на первый взгляд. С учетом высокой стоимости заводских изделий, можно изрядно сэкономить, изготовив домашнюю ветряную электростанцию и вполне доступных материалов. С учетом небольших затрат на создание ветряка, окупится он достаточно быстро.
Видео по теме
Сборка самодельного ветрогенератора: варианты конструкции от пользователей FORUMHOUSE
О том, как самостоятельно выполнить расчет ветрогенератора, мы рассказывали в одном из прошлых материалов. Сегодня вашему вниманию будут представлены модели ВЭУ, построенные пользователями нашего портала. Также мы поделимся полезными советами, которые помогут собрать установку и не допустить при этом ошибок. Строительство ветрогенератора своими руками – задача сложная. Безошибочно справиться с ее решением может далеко не каждый (даже опытный) практик. Впрочем, любая вовремя обнаруженная ошибка может быть исправлена. На то мастеру – голова и руки.
В статье рассмотрены вопросы:
Изготовление лопастей
Если у вас еще нет опыта в самостоятельном изготовлении винтов для домашней ВЭУ, рекомендуем не искать сложных решений, а воспользоваться простым методом, доказавшим свою эффективность на практике. Заключается он в изготовлении лопастей из обыкновенной канализационной ПВХ трубы. Этот метод прост, доступен и дешев.
Теперь о лопастях: сделал из 160-й рыжей канализационной трубы со вспененным внутренним слоем. Делал по расчету, представленному на фото.
Чаще всего в домашней ветроэнергетике используются трубы диаметром от 160 до 200 мм. С них и следует начинать свои эксперименты.
Форма и конфигурация лопастей – это параметры, которые зависят от диаметра трубы, из которой они изготовлены, от диаметра ветроколеса, от быстроходности рабочего винта и других расчетных характеристик. Чтобы не забивать себе голову аэродинамическими расчетами, вы можете воспользоваться готовой таблицей, которую выложил в соответствующей теме нашего портала ее автор. Она позволит определить геометрию лопастей, подставляя в расчетную таблицу свои собственные значения (диаметр трубы, быстроходность винта и т. д.).
Приноровился пилить электролобзиком. Получается реально быстро и качественно. Примечание: обязательно ставьте большой свободный ход пилки на лобзик, чтобы пилку не закусывало и не ломало.
Конструкция аксиального генератора
Делая выбор между трехфазным или однофазным генератором, лучше остановить свой выбор на первом варианте. Трехфазный источник тока менее подвержен вибрациям, возникающим из-за неравномерности нагрузки, и позволяет получать постоянную мощность при одинаковых оборотах ротора.
Однофазные генераторы мотать не стоит: испытано и давно проверено на практике. Только на трех фазах можно получить достойные генераторы.
Расчетные параметры генератора, о которых мы рассказывали в нашем предыдущем материале, определяются текущими потребностями в электроэнергии. И чтобы на практике они соответствовали объему вырабатываемой мощности, конструкция аксиального генератора должна отвечать определенным требованиям:
Увеличение расстояния между двумя соседними магнитами приведет к неравномерной выработке электроэнергии. Уменьшить это расстояние можно, но лучше, все же, соблюдать оптимальные параметры.
Ошибочно делать расстояние между магнитами равным половине ширины магнита. Один человек оказался прав, когда говорил, что расстояние должно быть не меньше ширины магнита.
Если не вникать в скучную теорию, то схема перекрытия катушек аксиального генератора постоянными магнитами на практике должна выглядеть следующим образом.
В каждый момент времени одинаковые полюса магнитов аналогичным образом перекрывают обмотки катушек отдельно взятой фазы.
Вот так в реале: всё совпадает с рисунком почти на 100%, только катушки совсем немного отличаются по форме.
Последовательность сборки аксиального генератора рассмотрим на примере устройства, собранного пользователем Aleksei2011.
На этот раз я делаю дисковый аксиальный генератор. Диаметр дисков – 220 мм, магниты – 50*30*10 мм. Всего – 16 магнитов (по 8 штук на дисках). Катушки мотал проводом Ø1.06 мм по 75 витков. Катушек – 12 штук.
Изготовление статора
Как видно на фото, катушки имеют форму, похожую на вытянутую каплю воды. Это делается для того, чтобы направление движения магнитов было перпендикулярным длинным боковым участкам катушки (именно здесь индуцируется максимальная ЭДС).
Если используются круглые магниты, внутренний диаметр катушки должен примерно соответствовать диаметру магнита. Если же используются квадратные магниты, конфигурация витков катушки должна быть построена таким образом, чтобы магниты перекрывали прямые отрезки витков. Установка более длинных магнитов особого смысла не имеет, ведь максимальные значения ЭДС возникают лишь на тех участках проводника, которые расположены перпендикулярно направлению движения магнитного поля.
Изготовление статора начинается с намотки катушек. Катушки проще всего мотать по заранее заготовленному шаблону. Шаблоны бывают самыми разными: от небольших ручных приспособлений до миниатюрных самодельных станков.
Катушки каждой отдельно взятой фазы соединяются между собой последовательно: конец первой катушки соединяется с началом четвертой, конец четвертой – с началом седьмой и т. д.
Напомним, что при соединении фаз по схеме «звезда» концы обмоток (фаз) устройства соединяются в один общий узел, который будет являться нейтралью генератора. При этом три свободных провода (начало каждой фазы) подключаются к трехфазному диодному мосту.
Когда все катушки будут собраны в единую схему, можно готовить форму под заливку статора. После этого погружаем в форму всю электрическую часть и заливаем эпоксидной смолой.
Далее выкладываю фото готового статора. Заливал обычной эпоксидной смолой. Снизу и сверху стеклоткань положил. Внешний диаметр статора – 280 мм, внутреннее отверстие – 70 мм.
Изготовление ротора для аксиальника
Чаще всего самодельные аксиальные генераторы делают на основе автомобильной ступицы и совместимых с ней тормозных дисков (можно использовать самодельные металлические диски, как это сделал Aleksei2011). Схема будет следующей.
В этом случае диаметр статора больше, чем диаметр ротора. Это позволяет прикрепить статор к раме ветрогенератора с помощью металлических шпилек.
Шпильки для крепления статора М6 стоят (в количестве 3-х штук). Это исключительно для теста генератора. Впоследствии их будет 6 штук (М8). Я думаю, что для генератора такой мощности этого будет вполне достаточно.
В некоторых случаях диск статора крепится к неподвижной оси генератора. Подобный подход позволяет сделать конструкцию генератора менее габаритной, но принципы работы устройства от этого не меняются.
Противоположные магниты должны быть направлены друг к другу разноименными полюсами: если на первом диске магнит обращен к статору генератора своим южным полюсом «S», то противоположный ему магнит, расположенный на втором диске, должен быть обращен к статору полюсом «N». При этом магниты, расположенные рядом на одном диске, также должны быть сориентированы разнонаправлено.
Сила магнитного поля, которое создают неодимовые магниты, довольно велика. Поэтому регулировать расстояние между дисками статора и ротором генератора следует, используя шпилечно-резьбовое соединение.
Это вариант конструкции, в которой диаметр ротора больше диаметра статора. Статор в этом случае крепится к неподвижной оси устройства.
Также для регулировки расстояния между дисками можно использовать распорные втулки (или шайбы), которые устанавливаются на неподвижную ось генератора.
Расстояние между магнитами и статором должно быть минимальным (1…2 мм). Клеить магниты на диски генератора можно обыкновенным суперклеем. Правильнее всего осуществлять наклейку магнитов, используя заранее заготовленный шаблон (например, из фанеры).
Вот, что показали предварительные испытания генератора, выполненные пользователем Aleksei2011 с помощью шуруповерта: при 310 об/м с устройства было снято 42 вольта (соединение – звездой). С одной фазы получается 22 вольта. Расчетное сопротивление одной фазы – 0.95 Ом. После подключения АКБ шуруповёрт смог раскрутить генератор до 170 об/м, ток зарядки при этом составил 3.1А.
После длительных экспериментов, которые были связаны с модернизацией рабочего винта и другими менее масштабными усовершенствованиями, генератор продемонстрировал свои максимальные характеристики.
Наконец, к нам пришёл ветер, и я зафиксировал максимальную мощность ветряка: ветер усилился, а порывы временами достигали 12 – 14м/с. Максимальная зафиксированная мощность – 476 Ватт. При ветре 10м/с ветряк выдаёт примерно 300 Ватт.
Ветроэнергетическая установка из автомобильного генератора
Популярным решением среди людей, практикующих изготовление ВЭУ своими руками, является переделка автомобильного генератора под альтернативные нужды. Несмотря на всю привлекательность подобной затеи, следует отметить, что автомобильный генератор в том виде, в котором он устанавливается на двигатель транспортного средства, довольно проблематично использовать в составе ветроэнергетической установки. Разберемся – почему:
Переделанный автогенератор (на магниты) имеет право на жизнь. У меня сейчас два таких. На ветре 8 м/с с двухметровыми винтами дают честные 300 Ватт каждый.
Переделка автомобильного генератора под ВЭУ требует определенной сноровки. Поэтому приступать к ней желательно, имея за плечами опыт перемотки асинхронных двигателей или генераторов со стандартным цилиндрическим статором (и те, и другие при желании можно превратить в альтернативную энергетическую установку). Переделка автомобильного генератора имеет свои нюансы. Понять их будет намного проще, если обратиться к опыту пользователей, которые успели достичь в этой сфере определенных успехов.
Защита кабеля от перекручивания
Как известно, ветер не имеет постоянного направления. И если ваш ветрогенератор будет вращаться вокруг своей оси подобно флюгеру, то без дополнительных мер защиты кабель, идущий от ветрогенератора к другим элементам системы, быстро перекрутится и в течение нескольких дней придет в негодность. Предлагаем вашему вниманию несколько способов защиты от подобных неприятностей.
Способ первый: разъемное соединение
Наиболее простой, но совершенно непрактичный способ защиты заключается в установке разъемного кабельного соединения. Разъем позволяет распутать скрутившийся кабель вручную, отключив ветрогенератор от системы.
Я знаю, что некоторые внизу ставят что-то типа штепселя с розеткой. Закрутило кабель – отключил от розетки. Затем – раскрутил и воткнул вилку обратно. И мачту опускать не надо, и токосъёмники не нужны. Я это на форуме по самодельным ветрякам прочитал. Судя по словам автора, все работает и не перекручивает кабель слишком уж часто.
Способ второй: использование жесткого кабеля
Некоторые пользователи советуют подключать к генератору толстые, упругие и жесткие кабели (например, сварочные). Метод, на первый взгляд, ненадежный, но имеет право на жизнь.
Нашел на одном сайте: наш способ защиты заключается в использовании сварочного кабеля с жестким резиновым покрытием. Проблема скрученных проводов в конструкции малых ветровых турбин сильно переоценена, а сварочный кабель #4. #6 имеет особые качества: жесткая резина не дает кабелю скручиваться и препятствует повороту ветряка в одном и том же направлении.
Способ третий: установка токосъемных колец
На наш взгляд, полностью защитить кабель от перекручивания поможет только установка специальных токосъемных колец. Именно такой способ защиты реализовал в конструкции своего ветрогенератора пользователь Михаил 26.
Защита ветрогенератора от бури
Речь идет о защите устройства от ураганов и сильных порывов ветра. На практике она реализуется двумя способами:
Первый способ основан на подключении балластной электрической нагрузки к ветрогенератору. О нем мы уже рассказывали в одной из предыдущих статей.
Второй способ предполагает установку складывающегося хвоста, позволяющего при номинальной силе ветра направлять винт навстречу ветровому потоку, а во время бури, наоборот – уводить винт из-под ветра.
Защита складыванием хвоста происходит по следующей схеме.
Когда ветер ослабевает, хвост под собственной тяжестью возвращается в исходное положение и поворачивает винт навстречу ветру. Для того чтобы хвост смог вернуться в исходное положение без дополнительных пружин, используется поворотный механизм с наклонным шкворнем (шарниром), который устанавливается на оси поворота хвоста.
Ось поворота хвоста установлена под наклоном: на 20° относительно вертикальной оси и на 45° относительно оси горизонтальной.
Для того чтобы механизм мог выполнять свою основную функцию, ось мачты должна находиться на определенном расстоянии от оси вращения турбины (оптимально – 10 см).
Рассчитать размеры хвоста и их зависимость от других параметров ВЭУ вам поможет таблица Excel с уже готовыми формулами. В ней желтым цветом обозначена область переменных значений.
Вашему вниманию представлен наиболее распространенный вариант механической защиты ветрогенератора. В том или ином виде он успешно используется на практике пользователями нашего портала.
При шторме тормозить винт надо его уводом из-под ветра. У меня, к примеру, при слишком сильном ветре ветряк опрокидывается винтом вверх. Не самый лучший вариант, ведь возврат в рабочее положение сопровождается заметным ударом. Но за десять лет ветряк не сломался.
Несколько слов о правильной установке ветрогенератора
Выбирая место и высоту мачты, которые бы оптимально подошли для установки ветрогенератора, следует ориентироваться на самые разные факторы: рекомендуемая высота, наличие препятствий вблизи ВЭУ, а также собственные наблюдения и замеры.
Для того чтобы рассчитать оптимальную высоту мачты для домашней ВЭУ, необходимо к высоте ближайшего препятствия (дерева, здания и т. д.), которое находится в радиусе 100 метров от мачты ветряка, прибавить еще 10 метров. Таким образом вы получите высоту нижней точки ветроколеса.
В США, например, минимально рекомендованная высота мачты для ВЭУ мощностью несколько кВт – 15 м, но чем выше, тем лучше. Нижняя часть ветроколеса должна быть, как минимум, на 10 м выше ближайшего самого высокого препятствия. Конечно, предварительно необходимо обследовать местность и выбрать оптимальную высоту мачты. На глаз это может сделать только очень опытный специалист. Во всех других случаях нужно проводить тщательные замеры в течение года (как минимум).
В процессе установки самодельных ветрогенераторов теория очень часто расходится с практикой, поэтому, в среднем, самодельные мачты имеют высоту от 6 до 12 метров. Основное преимущество самодельных вышек (мачт) заключается в том, что если какие-либо параметры не будут соответствовать вашим потребностям, конструкцию, габариты и высоту установки в любой момент можно изменить.
Богатый опыт пользователей FORUMHOUSE, посвященный созданию самодельных ветроэлектрических установок, собран в одном из разделов нашего строительного портала. Если вы всерьез интересуетесь альтернативной энергетикой, рекомендуем прочитать статью, посвященную организации системы электроснабжения на основе самодельных солнечных панелей (батарей). Наверняка, вас заинтересует и небольшое видео об особенностях правильного построения мощной и функциональной системы электроснабжения загородного дома, которая по классической схеме подключается к стандартной трансформаторной подстанции.