Pojďme vyrobit větrný generátor vlastními rukama

Majitelé soukromých domů často mají nápad realizovat záložní energetické systémy... Nejjednodušším a nejdostupnějším způsobem je samozřejmě benzínový nebo naftový generátor, ale mnoho lidí obrací svůj zrak ke složitějším způsobům přeměny takzvané volné energie (sluneční záření, energie proudící vody nebo větru) na elektřinu.

Každá z těchto metod má své výhody a nevýhody. Pokud je s využitím vodního toku (mini-vodní elektrárna) vše jasné-je k dispozici pouze v bezprostřední blízkosti poměrně rychle tekoucí řeky, pak lze sluneční světlo nebo vítr využít téměř všude. Obě tyto metody budou mít společnou nevýhodu - pokud může vodní turbína fungovat nepřetržitě, pak je buď větrný generátor účinný pouze na chvíli, což vyžaduje zahrnutí baterií do struktury domácí energetické sítě.

Vzhledem k tomu, že podmínky v Rusku (krátká denní doba po většinu roku, časté srážky) činí používání solárních panelů neúčinnými při jejich současných nákladech a účinnosti, nejziskovější je konstrukce větrného generátoru... Zvažme jeho princip fungování a možné možnosti návrhu.

Protože žádné domácí zařízení není jako jiné, toto článek není návod krok za krokem, a popis základních principů návrhu větrné turbíny.

Obecný pracovní princip

Hlavním pracovním tělesem větrného generátoru jsou lopatky, které jsou otáčeny větrem. V závislosti na umístění osy otáčení jsou větrné turbíny rozděleny na horizontální a vertikální:

• Horizontální větrné turbíny nejrozšířenější. Jejich lopatky mají konstrukci podobnou vrtuli letadla: v první aproximaci jsou to desky nakloněné vzhledem k rovině otáčení, které převádějí část zatížení z tlaku větru na rotaci. Důležitou vlastností horizontálního větrného generátoru je potřeba zajistit otáčení lopatkové sestavy podle směru větru, protože maximální účinnost je zajištěna, když je směr větru kolmý na rovinu otáčení.
• Čepele vertikální větrná turbína mají konvexně konkávní tvar. Protože zefektivnění konvexní strany je větší než konkávní, taková větrná turbína se vždy otáčí v jednom směru, bez ohledu na směr větru, což činí otočný mechanismus na rozdíl od horizontálních větrných turbín zbytečným. Ve stejné době, vzhledem k tomu, že v daném okamžiku vykonává užitečnou práci pouze část lopatek a zbytek je proti otáčení, Účinnost vertikálního větrného mlýna je mnohem nižší než u horizontálního: pokud u třílistého horizontálního větrného generátoru tento údaj dosáhne 45%, pak u vertikálního nepřekročí 25%.

Protože průměrná rychlost větru v Rusku není vysoká, i velká větrná turbína se bude většinu času otáčet poměrně pomalu. Aby byl zajištěn dostatečný výkon, musí být napájecí zdroj připojen ke generátoru prostřednictvím stupňového reduktoru, řemene nebo převodovky. V horizontálním větrném mlýnu je jednotka generátoru lopatek a generátoru namontována na otočné hlavě, která jim umožňuje sledovat směr větru. Je důležité vzít v úvahu, že otočná hlava musí mít omezovač, který jí brání v úplném otočení, protože jinak dojde k přerušení kabeláže od generátoru (možnost používat kontaktní podložky, které umožňují volné otáčení hlavy, je více složitý). Pro zajištění rotace je větrný generátor doplněn pracovní větrnou lopatkou směřující podél osy otáčení.

Nejběžnějším materiálem čepele jsou PVC trubky o velkém průměru řezané podélně. Podél okraje jsou k nim nýtovány kovové desky, přivařené k náboji sestavy čepelí. Kresby tohoto druhu čepelí jsou na internetu nejrozšířenější.

Video vypráví o samostatně vyrobeném větrném generátoru

Výpočet lopatkové větrné turbíny

Protože jsme již zjistili, že horizontální větrná turbína je mnohem efektivnější, zvážíme výpočet jejího návrhu.

Energii větru lze určit podle vzorce
P = 0,6 * S * V³, kde S je plocha kruhu popsaná hroty lopatek rotoru (plocha pro vrhání), vyjádřená v metrech čtverečních, a V je vypočítaná rychlost větru v metrech za sekundu. Musíte také vzít v úvahu účinnost samotného větrného mlýna, který pro třílistý horizontální obvod bude průměrně 40%, a také účinnost generátorové soustavy, která je na vrcholu charakteristiky proudové rychlosti 80% pro generátor s buzením permanentním magnetem a 60% pro generátor s budícím vinutím. V průměru dalších 20% energie spotřebuje stupňový převod (multiplikátor). Konečný výpočet poloměru větrné turbíny (tj. Délky její lopatky) pro daný výkon generátoru permanentních magnetů tedy vypadá takto:
R = √ (P / (0,483 * V³))

Příklad: Předpokládejme, že požadovaný výkon větrné farmy je 500 W a průměrná rychlost větru je 2 m / s. Potom podle našeho vzorce budeme muset použít čepele o délce nejméně 11 metrů. Jak vidíte, i tak malá síla bude vyžadovat vytvoření větrného generátoru kolosálních rozměrů. U více či méně racionálních struktur s délkou čepele nepřesahující jeden a půl metru v podmínkách vlastní výroby bude větrný generátor schopen vyrábět pouze 80-90 wattů energie i za silného větru.

Nedostatek energie? Ve skutečnosti je všechno poněkud jiné, protože ve skutečnosti je zatížení větrného generátoru napájeno bateriemi, větrná turbína je nabíjí pouze podle svých nejlepších schopností. V důsledku toho síla větrné turbíny určuje frekvenci, s jakou může dodávat energii.

Na internetu často najdete články pod chytlavými titulky jako „Větrná turbína pro domácí vytápění“. Ve skutečnosti, jak jste již mohli pochopit z výše uvedených výpočtů, pouze síť více než tuctu vlastních zařízení může neustále udržovat elektrické vytápění, které spotřebovává několik kilowatthodin.

Nabízíme vám sledování dalšího příběhu o větrném generátoru a jeho domácí výrobě

Výběr generátoru

Nejlogičtější možností pro generátorovou sadu pro domácí větrnou turbínu se zdá být automobilový generátor. Toto řešení usnadňuje montáž jednotky, protože generátor již má oba upevňovací body a kladku pro multiplikátor pásu. Koupit jak samotný generátor, tak i náhradní díly pro něj není obtížné. Vestavěný reléový regulátor vám navíc umožňuje přímé připojení k 12voltové baterii a k ​​ní zase měnič pro převod stejnosměrného proudu na střídavé napětí 220V.

Ale, jak bylo uvedeno výše, účinnost generátorů s budicím vinutím je poměrně nízká, což je pro již tak nízkoenergetický větrný generátor velmi citlivé. Druhou nevýhodou je, že když je baterie vybitá, generátor automobilu nemůže být buzen.

V řadě domácích návrhů najdete generátory traktorů G-700 a G-1000. Jejich účinnost už není, jediným užitečným rozdílem je magnetizace rotoru, která umožňuje budit generátor i bez baterie, a nízká cena.

Někteří autoři při stavbě větrných generátorů využívají vlastnosti vratnosti kolektorových elektromotorů - násilným otáčením jejich rotoru z něj lze odebírat stejnosměrný proud. Stator tohoto typu motorů se buď skládá z permanentních magnetů, což je pro naše účely výhodnější, nebo má vinutí. Chcete -li použít motor v režimu generátoru, je připojen k reléovému regulátoru vozidla, aby poskytoval požadované napětí. Zvažte připojení reléového regulátoru pomocí příkladu uzlu z klasiky VAZ (je to výhodné, protože není spojeno do jednoho bloku se sestavou kartáče):

1. Připojte jeden z kartáčů motoru k tělu - to bude záporný pól generátoru. Zde bezpečně spojte kovové pouzdro regulátoru relé a svorku „-“ baterie.
2. Připojte svorku 67 relé k jedné ze svorek vinutí statoru, druhou dočasně ke skříni.
3. Připojte svorku 15 přes spínač ke kladnému pólu baterie (tím se bude dodávat proud pole do vinutí). Otočte rotor ve stejném směru, jaký bude zajišťovat šroub větrné turbíny, a připojte voltmetr mezi volný kartáč a skříň. Pokud je na kartáči nalezen negativní potenciál, vyměňte připojení statoru s reléovým regulátorem a uzemněním.

Hlavním rysem připojení stejnosměrného generátoru k akumulátoru je potřeba je oddělit polovodičovou diodou, která zabrání vybití baterie do vinutí rotoru, když se generátor zastaví. V moderních automobilových generátorech je tato funkce vykonávána třífázovým diodovým můstkem a můžeme ji také použít paralelním propojením jejích fází, abychom snížili pokles napětí na ní.

Největší výkon lze odebrat z generátoru, jehož rotor se skládá z neodymových magnetů. Rozšířené jsou konstrukce založené na automobilovém náboji s brzdovým kotoučem, na jehož okraji jsou upevněny silné magnety. V minimální vzdálenosti od nich je umístěn stator s jednofázovým nebo třífázovým vinutím.

Takový generátor je pro mnohé dobrý: je vzrušený již při nízkých otáčkách i při vybité baterii, nevyžaduje údržbu sestavy kartáče. Současně však nelze upravit jeho výstupní napětí, protože závisí pouze na rychlosti otáčení. s generátorem na neodymových magnetech bude vyžadovat připojení k dalšímu střídači, aby bylo zajištěno nabíjení baterie v širokém rozsahu rychlostí větru. Toto zařízení je také často označováno jako regulátor nabíjení baterie.

V závislosti na konkrétním provedení generátoru existuje několik různých možností implementace ovladače. Protože takové domácí výrobky mají velký rozptyl parametrů, měl by být daný diagram považován za ilustraci obecného principu řídicího zařízení, a nikoli za povinné řešení.

Jak vidíte, tento obvod je určen k použití jako generátor kolektorového motoru. Pokud jste použili AC, přidejte na svůj výstup diodový můstek.

Napětí z generátoru přes řídicí jednotku, skládající se z voltmetru a ampérmetru, je dodáváno do vstup dvou spínacích regulátorů... Akumulátor je nabíjen jednotkou 2, zatímco úkolem jednotky 1 je chránit před generátorem, který vyběhne při silném větru a nízké spotřebě proudu zátěží: když napětí překročí prahovou hodnotu nastavenou posuvníkem potenciometru R3, jednotka 1 začne dodávat napětí výkonnému připojenému k jeho výstupnímu pull-up rezistoru, což je indikováno rozsvícenou LED2.

Zatížení, které nevyžaduje přesnou stabilizaci napětí (například nízkonapěťové žárovky), připojeno obcházením stabilizátoru k výstupu diody D2.

Výpočet multiplikátoru

Generátor má nakloněnou charakteristiku rychlosti proudu: se zvýšením otáček rotoru se zvyšuje maximální dodávaný výkon. Proto, abychom zajistili nejvyšší účinnost nízkorychlostní větrné turbíny, potřebujeme multiplikátor s velkým faktorem nárůstu.

Pro domácí konstrukci je nejoptimálnějším řešením pásový multiplikátor: snadno se vyrábí a vyžaduje minimum strojní práce. Poměr nárůstu otáček bude roven poměru průměru hnací řemenice, spojené s osou šroubu, k průměru hnané řemenice generátoru. V případě potřeby lze převodový poměr snadno upravit výměnou jedné z řemenic.

Při návrhu multiplikátoru je nutné vzít v úvahu jak průměrnou rychlost sestavy lopatek, tak charakteristiku proudové rychlosti generátoru. Pokud použijeme sériový automobilový generátor, pak jej lze snadno najít na internetu, s domácími návrhy, s největší pravděpodobností budeme muset projít pokusem a omylem.

Vezměme si například běžný generátor traktoru, který již byl výše uveden.

Vezmeme -li vypočítaný výkon naší větrné turbíny na 90 wattů, najdeme v grafu bod odpovídající výkonu generátoru k tomuto výkonu. Při jmenovitém napětí 14 V potřebujeme proudový výstup alespoň 6,5 A - podle grafu k tomu dojde při otáčkách lehce nad 1000 ot / min. Nechejte vrtuli naší konstrukce otáčet se větrem rychlostí 60 ot / min (střední vítr). To znamená, že potřebujeme alespoň dvacetinásobný průměr průměrů řemenic-u generátorové kladky 70 mm bude mít řemenice větrného mlýna průměr téměř jeden a půl metru, což je nepřijatelné. To jednoznačně naznačuje, jak nízká je účinnost větrných generátorů tohoto typu - bez složité vícestupňové převodovky, která sama o sobě povede k velkým ztrátám výkonu, je téměř nemožné uvést generátor automobilu do provozního režimu.

Pro srovnání se podívejme na charakteristiky generátorů používaných v průmyslových větrných turbínách. Například generátor permanentních magnetů GVU1000, který je konstrukčně podobný domácímu produktu z výše popsaného brzdového kotouče automobilu, produkuje 1 kilowatt výkonu při pouhých 200 otáčkách za minutu. Na druhou stranu je nevýhodou jeho významná hmotnost (34 kg) a cena (téměř 70 tisíc rublů).

Stožár

Zajišťuje nejen bezpečný provoz větrného mlýna (spodní bod kruhu popsaného lopatkami by neměl být blíže než 2 metry od země), ale také mu umožňuje využívat energii větru co nejefektivněji, tok který se v blízkosti země stává turbulentnějším.

Vysoká výška vede k nízké tuhosti stožáru větrné turbíny a značně ztěžuje výpočet pevnosti nejen amatérskému mistrovi, ale i inženýrovi. Můžete uvést pouze hlavní body:

• Umístěte stožár co nejdále od domu a stromů stínících proudění vzduchu. V případě silného větru může navíc generátor větru spadnout na budovu nebo jej poškodit stromy;
• Optimální konstrukce stožáru znamená prolamovaný svařovaný vazník podobné věžím pro přenos energie, ale výroba je obtížná a nákladná. Nejjednodušší, ale docela efektivní možností je několik paralelních trubek o průměru 80-100 mm, svařených krátkými švy k sobě a betonovaných do hloubky nejméně jednoho metru v zemi. Je velmi žádoucí posílit konstrukci jedné trubky kabelovými páskami, které jsou také připevněny k podpěrám nalitým do betonu.
• Pro zjednodušení údržby větrného mlýna může být jeho stožár proveden jako bod obratu: v tomto případě při oslabení vzpěry probíhající ve směru zlomeniny lze stožár naklonit k zemi.

Příběh o velmi jednoduchém větrném generátoru od domácího fanouška

Dodatečné elektrické vybavení

Jak již bylo uvedeno výše, nedílnou součástí větrné farmy je baterie, která přebírá sílu spotřebitelů. při jeho výběru je třeba pamatovat na to, že čím větší je jeho kapacita, tím déle bude moci udržovat napětí v síti, ale zároveň bude nabíjení trvat déle. Přibližnou provozní dobu lze definovat jako dobu, během níž se vyčerpá polovina kapacity baterie (poté již bude patrný pokles napětí, navíc hluboké vybití snižuje životnost olověných baterií).

Příklad: Baterie s kapacitou 65 A * h bude tedy podmíněně schopna dát zátěži 30-35 Amphodin energie. Je to hodně nebo málo? Konvenční 60wattová světelná lampa bude vyžadovat, s přihlédnutím k přítomnosti měniče, který převádí 12 VDC na 220 VAC a má vlastní účinnost v rámci 70%, je proud 7 ampérů o něco více než čtyři hodiny provozu. Náš větrný mlýn s nominálním výkonem 90 wattů, dokonce i v tom nejlepším případě s konstantním silným větrem, bude trvat nejméně pět hodin, než získá zpět ztracenou energii. Jak vidíte, používání větrné turbíny výhradně jako elektřiny ve vašem domě bude k dispozici pouze několik hodin denně.

Druhým uzlem napájecího systému je střídač. V našem případě můžete použít jak hotový automobil, tak i automobil získaný z nepřerušitelného napájecího zdroje. V každém případě je důležité jej nepřetěžovat proudovým odběrem, vzhledem k tomu, že jeho skutečný provozní výkon je 1,2–1,5krát menší než udávaný maximální výkon.

Jak vidíte, přitažlivost využívání volné energie spočívá na mnoha omezeních a ani jediná možnost, která je účinná ve středním Rusku - větrný generátor - není schopna zajistit dlouhodobou autonomii.

Ale zároveň tato myšlenka není špatná ani jako zdroj nouzového napájení, a zejména jako konstrukční úkol - potěšení z vytváření větrné turbíny vlastními rukama může výrazně překročit její sílu.