Ветроэлектростанция своими руками из автомобильного генератора

Участок

Установка ветряной электростанции на даче или в частном доме помогает решить множество проблем, связанных с электроснабжением. Данный агрегат способен перерабатывать и накапливать энергию ветра, используя ее во благо человека. Процесс изготовления ветряной электростанции достаточно простой — он требует минимального количества материалов и прежде всего желания достичь заданной цели. О том как сделать ветряную электростанцию для дома рассмотрим далее.

Оглавление:

1. Ветряные электростанции для частного дома: особенности и характеристика
2. Преимущества и недостатки ветряных электростанций
3. Сфера использования и виды ветряных электростанций для дома
4. Солнечно ветряная электростанция — общие сведения
5. Самодельная ветряная электростанция — особенности изготовления
6. Ветряная электростанция своими руками: выбор генератора

Ветряные электростанции для частного дома: особенности и характеристика

Ветряные электростанции предназначены для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. В соотношении с внешним видом и конструктивными особенностями ветряные электростанции для дома бывают расположенными:

• горизонтально;
• вертикально.

Первый вариант менее зависим от ветра, но отличается меньшей популярностью, нежели второй. Так как он способен работать лишь при сильном ветре, а для его запуска требуется наличие внешнего источника. Вертикальные ветряные электростанции способны функционировать более качественно и отличаются высоким КПД. Для их работы достаточно силы ветра в 2-4 м/с.

Среди основных компонентов ветровых электростанций следует отметить:

• мачту, которая бывает простой, телескопической или монолитной;
• редуктор — часть электростанции, на которой располагаются лопасти;
• контейнер — подвижная часть ветроэлектростанции, которая двигается в соотношении с ветром;
• генератор — прибор, который преобразует энергию.

Выбор конструкции и мощности ветряка напрямую зависит от особенностей его эксплуатации.

Более простыми являются приборы, мощностью до 300 Вт. Такие агрегаты способны легко поместиться даже в автомобиль. Для их установки достаточно одного человека, а мощность, которую они вырабатывают, достаточно для зарядки телефона, обеспечения освещения или работы телевизора. Данный вариант отлично подходит для семейного отдыха на даче, в лесу или на море.

С помощью 2, 5, 10 кВт ветровых электростанций осуществляется обеспечение целого дома электроэнергией. Если существует излишняя энергия, то она помещается в аккумуляторах, которые ее расходуют при слабом ветре или при его отсутствии.

Более мощные варианты ветровых электростанций, мощность которых составляет более двадцати киловатт, способны снабдить электроэнергией несколько домов, коттеджей или даже частное предприятие.

Ветряные электростанции фото:

Главным преимуществом ветровой электростанции является экологичность, ведь ее работа никак не влияет на окружающую среду. При этом, энергию получить достаточно легко, главное условие — наличие стабильного ветра.

Среди недостатков ветровых электростанций отмечают их зависимость от ветра. Для работы ветряка ветер должен иметь скорость минимум два метра в секунду. Для достижения номинальной мощности потребуется сила ветра в 10 м/с.

Чтобы накапливать электричество и использовать его во время отсутствия ветра используют аккумуляторы. Срок их службы составляет около 10 лет. Кроме того, использование мощных ветровых электростанций отличается высокой шумопроизводительностью, что снижает комфорт проживания вблизи данного агрегата.

Ветровая электростанция способна препятствовать нормальной работе телевизора, радио и других подобных приборов.

Самыми главными составляющими любой ветроэлектростанции выступает генератор, устройство выпрямительного назначения, аккумулятор-батарея, инвертор, то есть преобразователь напряжения. Для осуществления общего контроля за работой устройства рекомендуется использование микропроцессорного контролера или простых логических схем.

Если планируется покупать ветровую электростанцию, то наиболее оптимальными вариантами станут устройства, имеющие низкий уровень начальной скорости ротора, скорости заряда батареи и выхода на рабочий процесс. Так как от широты восприятия рабочего диапазона ветра зависит количество энергии, которую воспроизводит установка.

Преимущества и недостатки ветряных электростанций

Среди преимущества использования ветровых электростанций отмечают:

1. Длительность применения ветровой энергии еще в древнеримские времена.

2. Экологичность и безвредность для окружающей среды.

3. Дешевизна получения качественной электроэнергии.

4. С помощью использования энергии ветра снижается расход электричества, вырабатываемого на ТЭС, поэтому выбросы парникового газа значительно снижаются.

5. Доступность, так как ветер присутствует в любом уголке всей планеты.

6. Размер ветряной турбины небольшой, поэтому для их установки не потребуется много места.

7. Особо востребованные ветровые установки в местах, которые отдалены от центрального электроснабжения, таких как леса, поля, моря или океаны.

8. Использование ветровой электростанции позволяет существенно снизить материальные расходы на оплату электроснабжения.

Несмотря на большое количество преимуществ, использование частных ветряных электростанций отличается такими недостатками:

1. Ветер отличается переменчивостью в разное время года в разных регионах поэтому кроме ветряной электростанции следует устанавливать накопительные устройства для электроэнергии, а их покупка — процесс весьма дорогостоящий. Кроме того, они требуют периодической замены.

2. Некоторым людям не нравится внешний вид ветряных электростанций и высокий уровень шума, который они производят.

3. Перед постройкой ветряной электростанции следует провести ряд исследований, направленных на определение силы и интенсивности ветра на определенной местности.

4. Цена на покупку ветровых электростанций довольно высокая, хотя и затраты со временем окупаются, первоначальный вклад довольно высокий.

5. Лопасти, которые находятся на ветряке приносят вред определенным насекомым и птицам, обитающих вблизи электростанции.

Сфера использования и виды ветряных электростанций для дома

Если мощность ветряной электростанции не превышает одного киловатта, то для изготовления ее корпуса требуется алюминиевый сплав. Поэтому, такие устройства характеризуются высокой тепловой отдачей и небольшим весом.

Чем ниже расчетная скорость ветра, тем выше уровень электроэнергии, которую преобразует ветряк. Тихоходный ветрогенератор позволяет не использовать редуктор, а, значит, шум, воспроизводимый ветряком уменьшается, а количество энергии — увеличивается.

Еще одним важным параметром ветряной электростанции выступает показатель энергоэффективности. Она зависит от размера, конструкции и уровня наклона лопастей. Если лопасти изготавливаются серийно, то их себестоимость снижается, а надежность находится на высоком уровне.

Минимальная мощность ветровой электростанции, применяемой в частном доме, составляет полкиловата. Если мощность ветряка будет меньше, этой энергии не хватит для полноценного функционирования здания.

Применение малых ветряков актуально в походе, на отдыхе или на яхте. Если рассматривать высокую шумопроизводительность ветряков и их вред для насекомых, то к установкам домашнего использования данные недостатки не относятся, так как данные только большие промышленные установки создают инфранизкочастотное колебание, вредное для вблизи обитающих животных.

Солнечно ветряная электростанция — общие сведения

Данный тип электростанций отличается более высокой выгодой, так как является комбинацией солнечных батарей с ветряком. Если на улице отсутствует солнце или ночью, работает ветряк. В другое время энергоснабжением занимаются солнечные батареи.

Таким образом, удается получить полную энергетическую независимость от центрального электроснабжения. Данные электростанции используют в регионах, с достаточно высокой интенсивностью солнечного и ветрового излучения.

В состав солнечно ветровой электростанции входит наличие:

• ветрового генератора;
• башни;
• солнечных панелей;
• солнечного контролера;
• инвертора;
• аккумуляторов гелиевого типа;
• температурного батарейного датчика;
• разного рода кабелей и соединителей.

Самодельная ветряная электростанция — особенности изготовления

Процесс сооружения ветряной электростанции следует начинать с крыльчатки, так как именно данный элемент отвечает за улавливание энергии ветра. Для изготовления лопастей следует приобрести фанеру или металлический лист. Кроме того, возможен вариант применения материалов, таких как дюралюминий или пластик.

Основные требования к лопастям:

• легкость;
• строгая симметричность;
• отсутствие толчков во время вращения.

Учтите, что от количества лопастей не зависит конечный результат работы. То, если некоторые ветроустановки с тремя лопастями способны переработать такое же количество энергии, как и устройства, имеющие пять лопастей.

Самым оптимальным вариантом является сооружение ветряка с четырьмя лопастями. Обеспечить жесткость конструкции поможет шестимиллиметровая проволока, которой обрабатывают торцевые участки каждой лопасти. Данная процедура актуальна для изделий, изготовленных из металла. Если де лопасти у ветряка деревянные, то ее торцы пропитываются с помощью горячей олифы.

Для сооружения четырех крестовин, на которых фиксируются лопасти, следует использовать металлические полоски, размером 5х6 см. Срок их службы будет значительно дольше, чем у деталей изготовленных из дерева.

Вертикальной опорой для электростанции послужит стальная труба, минимальный диаметр которой составляет 30 см, а длина — 200 см. На нижнюю часть трубы крепятся два разных по диаметру шкива, таким образом, с помощью ремня, вращение передается к генератору.

Кроме того, следует обязательно позаботиться об укрытии всех элементов в коробке, выполненной из дерева или металла.

С помощью варочного аппарата, металлическая крестовина ротора приваривается к оси. Не забудьте тщательно измерить интервал между лопастями и осью. Когда роторная часть ветряка собрана, ее следует покрыть с помощью масляной краски.

Станина — довольно важный элемент ветряной электростанции, так как именно на нее крепится установка. Поэтому станина должна быть мощной и обеспечивающей прочность крепления.

Для фиксации четырех точек соприкосновения с поверхностью следует провести их заливку с помощью бетонного раствора.

Если сила ветра не будет превышать 10 м/с, то мощность ветряка составит около 1 кВт. Учтите, что ветрогенератор должен быть снабжен с помощью аккумулятора, в котором будет храниться энергия, используемая в безветренную погоду.

Ветряная электростанция должна располагаться на открытой местности, вдали от деревьев, предпочтительно на возвышенности.

Ветряная электростанция своими руками: выбор генератора

От типа генератора, используемого для переработки энергии, зависит КПД ветровой установки. Довольно высокой популярностью отличаются устройства асинхронного типа. Принцип их работы состоит в несовпадении момента вращения ротора с вращением статорного магнитного поля. Ветер обеспечивает вращение ротора генераторной установки, когда вышеприведенные поля между собой не совпадают, происходит образование дополнительной электрической энергии. Поэтому, КПД ветряка увеличивается.

Затраты на покупку данного генератора вполне себя окупают его высокой производительностью. В сравнении с обычными генераторами, устройства асинхронного типа отличаются более низким весом, более высокой мощностью и доступной стоимостью.

Они не нуждаются в дополнительном источнике питания, так как у них нету электрических щеток, которые требуют периодической замены в процессе работы обычного генератора.

Принцип работы асинхронных двигателей состоит в следующем. В процессе движения ротора с помощью ветра, статор находится под воздействием магнитного поля. Каждая обмотка статора подключена к конденсатору, поэтому происходит появление небольшого количества тока. Он и заряжает конденсатор. Далее происходит образование магнитного поля, воздействующего на вторую обмотку, которая способствует еще более сильному заряду конденсатора. Ротор насыщается и самостоятельно производит энергию.

Асинхронный ветрогенератор, при скорости ветра в 4 метра за секунду способен произвести электричество, мощностью в 3 кВт.

Среди преимущества данного генератора следует отметить:

• простоту в эксплуатации;
• материальную и техническую доступность;
• наличие постоянного устойчивого тока;
• получение высокой мощности за небольшие деньги.

Среди преимущества синхронных генераторов следует отметить наличие устойчивого и стабильного напряжения. Но в то же время, данные генераторы отличаются необходимостью в периодической замене щеток и высокой стоимостью.

Асинхронные же генераторы довольно просты в работе, кроме того, они не подвержены возникновению короткого замыкания.

В процессе изготовления ветровой электростанции своими руками наилучшим вариантом станет использование автомобильного генератора, который станет отличным прибором, преобразовывающим энергию ветра в электричество.

Ветряные электростанции видео:

Существует множество разновидностей ВЭС, и все их можно классифицировать по различным признакам. Основным отличительным признаком являются конструктивные особенности. По конструкции они подразделяются на роторные и крыльчатые. По способу расположения выделяют следующие виды:

• Наземные;
• Прибрежные;
• Плавающие;
• Офшорные.

А по функциональному назначению ветряные электростанции бывают стационарные и мобильные.

Наиболее популярной конструкцией для промышленного получения электрической энергии являются ветряки крыльчатого типа. Они позволяют вырабатывать больше энергии, но, при этом, роторные конструкции издают меньше шума и не так сильно зависят от направления ветра.

Применение ветрогенераторов

Ветряные мельницы для электричества могут использоваться в следующих вариантах:

• автономная работа;
• совместная работа с солнечными батареями;
• работа с резервной батареей;
• параллельно с генератором (дизельным или бензиновым).

Для освещения дачного участка достаточно силы ветра в 45 км/ч. Турбина в данном случае выработает 400 Вт электричества.

Изготовление

Учитывая то, что эффективность электростанции с горизонтальной осью имеет лучшие показатели эффективности, а бесперебойность подачи электроэнергии предполагается обеспечивать с помощью накопления энергии в аккумуляторной батарее, предпочтительнее для изготовления своими руками является именно такой вид ВЭУ, который мы и рассмотрим в рамках данной статьи.

Для того что бы сделать такую электростанцию своими руками понадобится следующий инструмент:

• сварочный аппарат электродуговой сварки;
• набор гаечных ключей;
• набор сверл по металлу;
• электродрель;
• ножовка по металлу или УШМ с отрезным диском;
• болты диаметром 6 мм с гайками для крепления лопастей к шкиву и алюминиевого листа к квадратной трубе.

Для изготовления ветряной электростанции своими руками потребуются следующие материалы:

• пластиковая труба 150 мм длиной 600 мм;
• лист алюминия размером 300х300 мм и толщиной 2,0 — 2,5 мм;
• металлическая квадратная труба 80х40 мм и длиной 1,0 м;
• труба диаметром 25 мм и длиной 300 мм;
• труба диаметром 32 мм и длиной 4000-6000 мм;
• медный провод длиной, достаточной для соединения электродвигателя, находящегося на мачте длиной 6 м, и нагрузки, которую будет питать этот источник тока;
• электродвигатель постоянного тока 500 об/мин;
• шкив для двигателя диаметром 120-150 мм;
• аккумуляторная батарея 12 вольт;
• автомобильное зарядное реле аккумулятора;
• инвертор 12/220 вольт.

Процесс изготовления своими руками производится в следующем порядке:

Далее, в процессе работы установки, возможно, придется сделать другими размеры и конфигурацию лопастей, передаточное отношение между ветряным двигателем и генератором — каждый ветрогенератор, изготовленный своими руками, индивидуален в силу использования различных компонентов и условий ветрообразования. Первоначально ветряную электростанцию рекомендуют изготавливать небольшой мощности, на которой можно отработать полученную информацию не вкладывая большое количество средств.

Сборка ветряка

Установка ветрогенератора должна выполняться в безветренную погоду. Сборку домашней ветряной электростанции начинают с соединения генератора и флюгера. Генератор закрепляют к основанию флюгера при помощи хомутов. После этого, флюгер необходимо установить в подшипники, которые обеспечат его вращение. На этом узле должен стоять ограничитель, который не даст вращаться на угол больший, чем 360 градусов.

При выборе места установки необходимо учитывать, что ветрогенератор должен находиться не ближе 20 м к жилым домам. При монтаже конструкции ветряка необходимо проложить силовой кабель. Поднятый на мачте флюгер (высота порядка 5 — 6-ти метров) закрепляют при помощи тросовых растяжек, надежность установки которых надо регулярно проверять. Нижняя часть мачты крепится болтами к металлическому основанию, которое готовится заблаговременно (желательно, чтобы это была забетонированная конструкция, т.к. при сильных ветрах возможны значительные напряжения). В качестве мачты удобно брать обычную металлическую трубу (диаметром 50 мм).
По окончании работ, подготовленные концы кабеля можно подключить к приемнику электроэнергии, как правило, для этого используют аккумуляторы. Но подключение аккумуляторов напрямую приведет к их выходу из строя (при высоких оборотах большая величина зарядного тока), поэтому в схеме подключения ветряка должен быть предусмотрен контроллер напряжения. Также необходим инвертор, преобразующий энергию.

Выбор мощности ветряной электростанции

Наверняка многим, кто читает эту статью, не захочется ограничиваться постройкой ветрогенератора для питания холодильника и освещения на даче, а сразу построить такую электростанцию, чтобы запитать ею не только аккумуляторные батареи, но и батареи отопления или бойлер для горячей воды. Но такая мощная электростанция будет чрезвычайно сложна в изготовлении, ведь усложнение конструкции с ростом мощности возрастает даже не в квадрате, а чуть ли не в кубе!

Как пример ветряной электростанции мощностью всего 2 кВт можно привести промышленный ветрогенератор W-HR2 международной компании AVIC (изображен на фото). Этот ветрогенератор номинальной мощностью 2 кВт имеет ротор диаметром 3,2 м с аэродинамически металлическими лопастями, прочную стальную башню высотой 8 м на массивном железобетонном фундаменте. Монтаж узлов производится при помощи автокрана. Очевидно, что расчет и изготовление подобного ветрогенератора сложно даже для отдельных специализированных фирм, и практически нереально силами одного человека непрофессионала для сооружения такого ветряка своими руками.

Таблица 1. Зависимость мощности ветрогенератора от количества лопастей и диаметра ветроколеса при скорости ветра 4 мс

Диаметр ветроколеса при числе лопастей, м

В табл. 1 показано зависимость мощности ветроколеса крыльчатого типа от его диаметра и количества лопастей. Или другими словами, какой длинны нужно взять лопасти определённого ветроколеса, чтобы получить нужную мощность. Данные в этой таблице основаны на практических испытаниях эксплуатируемых ветрогенераторов, у которых КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) ветроколеса равен 0,35 (профиль среднего качества), КПД генератора имеет значение 0,8 и КПД редуктора — 0,9.

Для кого-то эти данные могут на первый взгляд показаться слишком завышенными. Так, для примера, из табл. 1 видно, что для постройки ветряной электростанции мощностью 500 Вт с тремя лопастями, диаметр ветроколеса должен быть равным 11,48 м. Но не стоит пугаться этой цифры, поскольку данные приведены для слабого ветра 4 м/с. Это обычный ветер для равнинной местности вдали от моря.

При этом с ростом скорости ветра мощность ветряной электростанции увеличивается. На рис. показано такую зависимость для электростанции номинальной мощностью 240 Вт. Из графика видно, что при минимальном ветре 4 м/с (при котором электростанция начинает работать), мощность составляет всего 30 Вт. Но мощность ветроэлектростанции пропорциональна скорости ветра в кубе. То есть при увеличении скорости ветра в два раза до максимальной рабочей скорости 8 м/с, мощность ветряной электростанции увеличивается в 2 3 =8 раз или с 30 Вт до полной мощности 240 Вт. При более высокой скорости ветра работа ветровой станции должна будет ограничиваться.

В целом, основываясь на практическом опыте можно заключить, что относительно несложный самодельный ветрогенератор будет иметь мощность в пределах 200-500 Вт. Это своего рода «золотая середина». Редко индивидуальным конструкторам удаётся собрать более мощный ветрогенератор своими руками, который реально будет работать.

Практические расчеты

Можно для понимания процессов округлить начальные величины, применив трехлопастной винт. Допустим V=10 м/с, площадь S=10м² (радиус винта 1,78 м), а плотность ρ принять 1,3кг/м3. Таким образом, N=1,3*10*1000/2=6500 (Вт). Умножаем на 30% (КИЭВ): 6500*30/100=1950 (Вт). При таком раскладе генерацию почти двух киловатт электроэнергии (без учета КПД электрогенератора) можно считать весьма обнадеживающей.

С учетом потерь на электрогенераторе, кабеле, заряде аккумулятора и инвертора можно стабильно рассчитывать на приблизительно 1 кВт электроэнергии на выходе домашней ветряной электростанции, если ветроэнергетическая установка имеет приведенные выше параметры.

Устройство ветрогенератора с трехлопастным винтом

Но, если взять скорость ветра преобладающую в большинстве регионов (4м/с) то полученный результат, с учетом КИЭВ будет: (1,3*10*4*4*4/2)*30/100=124,8 (Вт), и это без учета потерь на остальных компонентах домашней ветровой электростанции.

Такой мощности хватит лишь на стабильную беспрерывную работу ноутбука и зарядку мобильных телефонов. При снижении скорости ветра до 3м/с результат на выходе и вовсе будет мизерным: (1,3*10*3*3*3/2)*30/100=52,65 (Вт).

Если еще снизить скорость ветрового потока до двух метров в секунду, то выход мощности будет: (1,3*10*2*2*2/2)*30/100=15,6 (Вт). Но, практика показывает, что при скорости ветра 2м/с и ниже, трехлопастной винт даже не раскрутится. Поэтому при низких скоростях ветра используют тихоходные винты, увеличивая количество лопастей, или применяя роторы других конструкций (Дарье, Ленца, Савониуса), у которых меньше КИЭВ, но они более «восприимчивы» к слабым дуновениям воздуха.

Ветроэнергетические роторные установки различных конструкций

Конструкции ветрогенераторов

Существует ошибочное мнение, что с увеличением у винта количества лопастей растет мощность ветрогенератора, но это в корне не так – ведь вращающиеся лопасти создают вихрь, и чем больше их в ветряке, тем большее количество энергии ветра будет расходоваться на закручивание воздуха вокруг оси винта.

В идеале самым эффективным является однолопастной винт, создающий меньше всего завихрений, при этом обладающий большой быстроходностью и требующий значительных скоростей ветра.

Однолопастной винт ветрогенератора, создающий минимальные завихрения

Поэтому типичный ветряной генератор имеет три лопасти, как наилучший компромисс между тихоходностью и потерей энергии на завихрения.В приведенных выше расчетах использовался гипотетический лопастной винт с размахом (диаметром) 1,78*2=3,56 м.

Это довольно громоздкая конструкция, очень сложная для самостоятельного изготовления и установки. Народные умельцы делают лопастные винты меньшего диаметра из подручных материалов, изготавливая лопасти для ветрогенератора своими руками, например из канализационной ПХВ трубы.

Как видно из видео, подобная ветроэнергетическая установка не в состоянии обеспечить потребности дома в электричестве целиком, но с ее помощью можно достичь значительной экономии электроэнергии. Лопасти данного ветряка не имеют идеального поперечного сечения, из-за чего снижается КИЭВ, но простота конструкции и минимум затрат на изготовление, а также наличие в домашнем хозяйстве лишнего автомобильного генератором делают изготовление подобного самодельного ветрогенератора целиком оправданным.

Для самостоятельного проектирования винтов и лопастей необходимо обладать познаниями в аэродинамике, знать такие понятия как шаг винта, угол атаки лопасти, сопротивление материалов, турбулентность и т. п.

Геометрия лопасти имеет сходство с крылом самолета, но у ветряка угол атаки для максимальной эффективности ветрогенератора должен изменяться по мерее отдаления от оси вращения. Следует детально изучить специальную литературу, а также посоветоваться с умельцами на различных форумах, прежде чем пытаться проектировать и изготовлять лопастные винты.

Поперечные разрезы лопасти винта ветрогенератора

Поэтому многие умельцы обращают внимание на другие конструкции, например, турбины с вертикальной осью, которые более тихоходные с меньшими требованиями к точности расчетов и требований безопасности. Изготовить такой роторный ветрогенератор своими руками можно в домашнем гараже из подручных материалов и большой бочки, как показано в видеоролике ниже:

Большие перспективы имеются у ветряков с более сложной конструкцией, например, ротор Онипко. На видео ниже мастер наглядным образом демонстрирует, что экспериментальная ветроэнергетическая установка является вполне работоспособной, хотя и сделана из обычного картона.

Эксперименты показывают, что данный самодельный и несовершенный ротор Онипко имеет даже лучшие характеристики, чем заводской трехлопастной винт вентилятора такого же диаметра.

Заканчивая короткий и далеко не полный обзор различных ветровых энергоустановок, следует обратить внимание на экзотические роторы, которые помимо генерации небольшого количества электроэнергии могут использоваться как художественные элементы ландшафтного дизайна загородного дома, как показано в красочном видеоролике ниже: