Расчет лопастей из пвх труб. Как сделать лопасти из пвх трубы Шаблон для изготовления лопастей ветрогенератора

Ветрогенератор (ВЭУ) – приспособление, с помощью которого можно преобразовать кинетическую энергию ветра в электричество. Подобное устройство используют в качестве альтернативного источника электроэнергии. В статье мы разберемся с конструктивными особенностями ВЭУ, а также технологией сборки лопастей ветряка из ПВХ трубы.

Что представляет собой ветрогенератор?

Ветрогенератор представляет собой турбину с закрепленным на ней ветряным колесом и флюгером. Конструкция крепится на крышах домов при помощи специальной мачты или металлического штатива. Достаточно простое устройство позволяет трансформировать естественную энергию ветра в электричество.
Чтобы сделать свою мини электростанцию с неплохим показателем КПД, нужно правильно рассчитать мощность ВЭУ. Данный параметр во многом определяется размером лопастей, от которых зависит сопротивляемость конструкции воздушным массам и, как следствие, количество вырабатываемой электроэнергии.

Как определить мощность ВЭУ?

Мощность ветряка напрямую зависит от количества лопастей в устройстве, их размеров и диаметра ветряного колеса. Данная зависимость продемонстрирована в таблице ниже, благодаря которой можно определить линейные параметры составляющих ветряка и производимой ими потребной мощности.

Технологические особенности сборки ВЭУ

Из чего сделать лопасти для ветряка? Для изготовления лопастей проще всего использовать пластиковые трубы. Они достаточно просты в обработке и способны выдерживать немалые динамические нагрузки. Но для того, чтобы ветряк в процессе эксплуатации не разлетелся на куски, желательно учесть несколько важных нюансов:

• Толщину трубы . В процессе вращения несущие детали устройства испытывают большую нагрузку из-за влияния центробежной силы. Чтобы ее уменьшить желательно взять в качестве материала канализационную или газопроводную трубу с большей толщиной стенки – не менее 4 мм;
• Длину лопастей . Чем длиннее лопасть, тем большую нагрузку она испытывает. Чтобы продлить срок службы конструкции, не делайте крылья слишком длинными. Наиболее приемлемым вариантом станет крыло с длиной от 30 до 50 см;
• Количество лопастей . От количества крыльев напрямую зависит сопротивляемость ветряка воздушным массам. Чтобы увеличить его КПД, число крыльев стоит увеличить. Оптимальным вариантом станет ВЭУ с 5 или 6 крыльями.

Разметка ПВХ трубы

В качестве примера рассмотрим процесс маркировки крыльев для ВЭУ из трубы с диаметром в 10 см и толщиной стенки – 5 мм.

Как разметить заготовку?

1. Чтобы правильно разметить цилиндрическую поверхность, оберните трубу листом бумаги;
2. Кромка листа станет ориентиром для формирования оси на трубе;
3. Ширина листа укажет на длину окружности;
4. Теперь сложите листок пополам, чтобы отметить половину от окружности заготовки;
5. Сложите листок четыре раза, чтобы отметить на цилиндре 4 линии для предполагаемых разрезов.

Порезка ПВХ трубы

Как разрезать ПВХ трубу? Для того, чтобы порезать заготовку лучше всего использовать электролобзик с пилкой по металлу. Порезка трубы на составные части делается следующим образом:
1. Сначала размеченную заготовку разрезают на две равные части;
2. Теперь половинки трубы также нужно разрезать пополам;
3. У основания каждой из лопастей делают прямоугольные надрезы длиной не более 5-6 см;
4. Чтобы не разрушить структурную целостность материала, в углах крыльев нужно просверлить небольшие отверстия;
5. После этого заготовленные части следует разрезать по диагонали;
6. Таким образом, у вас получатся лопасти конусного типа.

Особенности сборки деталей

На завершающем этапе конструирования ветрогенератора нужно соединить крылья с ветряным колесом и турбиной.

Как это сделать?

• Необходимо изготовить соединительный узел. Деталь представляет собой стальной диск с шестью ;
• Форма узла определяется конфигурацией самого генератора, выполняющий роль преобразователя кинетической энергии ветра в электрическую;
• Чтобы лопасти ветрогенератора не сломались и не деформировались под давлением воздушных масс, толщина лент и диска должна варьироваться в пределах от 2 до 6 мм.

Балансировка колеса

После сборки ветряка необходимо осуществить балансировку ветряного колеса. Чтобы результаты были максимально достоверными, юстировать устройство стоит в закрытом помещении.

Как совершают балансировку?

1. Ветряное колесо подвешивается таким образом, чтобы его вращению ничего не препятствовало;
2. В процессе балансировки нужно следить за тем, чтобы плоскость соединительного диска была вертикальна по отношению к подвесу;
3. Теперь следует повернуть колесо на угол, который равен 360/N, где N – количество лопастей в конструкции;
4. Процедуру повторяем до полного поворота диска вокруг собственной оси;
5. Если после остановки диск приходит в движение, значит, лопасти, стремящиеся вниз, тяжелее остальных.

Выводы

Конструирование лопастей для бытового ветрогенератора – непростое, однако посильное для народных умельцев занятие. С соблюдением технологических нюансов, которые были приведены в статье, вам непременно удастся собрать ветряк с хорошим КПД.

Контроллер, мачты, хвостовик, инвертор и аккумуляторную батарею.

Традиционно, ветровой механизм наделен тремя лопастями, зафиксированными на роторе. Когда ротор крутится, возникает трехфазный переменный ток, поступающий на контроллер, затем ток перерождается в стабильное напряжение и идет на аккумуляторную батарею.

Протекая через аккумуляторы, ток подпитывает их и эксплуатирует в качестве проводников электричества.

В дальнейшем, ток приходит на инвертор, достигает требуемых величин: переменный однофазный ток 220 В, 50 Гц. При скромном расходовании выработанного электричества предостаточного для пользования светом и электрическими приборами, нехватка тока компенсируется благодаря аккумуляторам.

Как рассчитать лопасти?

Вычислить диаметр ветряка для определенной мощности можно следующим образом:

1. Окружность пропеллера ветрогенератора с определенной мощностью, малыми оборотами и силой ветра, при которых происходит подача нужного напряжения, числом лопастей внести в квадрат.
2. Высчитать площадь данного квадрата.
3. Разделить площадь получившегося квадрата на мощность конструкции в ватах.
4. Перемножить результат с требуемой мощностью в ватах.
5. Под этот результат нужно подбирать площадь квадрата, варьируя размеры квадрата до тех пор, пока размер квадрата не достигнет четырех.
6. В этот квадрат вписать окружность пропеллера ветрогенератора.

После этого нетрудно будет узнать другие показатели, например, диаметр.

Расчет максимально приемлемой формы лопастей достаточно мудреный, кустарному мастеру сложно его выполнить, поэтому можно использовать готовые шаблоны, созданные узкими специалистами.

Шаблон лопасти из ПВХ трубы 160 мм в диаметре:

Шаблон лопасти из алюминия:

Можно попробовать самостоятельно определить показатели лопастей ветряного устройства.

Быстроходность ветряного колеса являет собой соотношение круговой скорости края лопасти и скорости ветра, ее можно вычислить по формуле:

На мощность ветряного двигателя оказывают влияние диаметр колеса, форма лопастей, расположение их относительно потока воздуха, скорости ветра.

Ее можно найти по формуле:

При использовании лопастей обтекаемой формы коэффициент использования ветра не выше 0,5. При слабо обтекаемых лопастях – 0,3.

Необходимые материалы и инструменты

Потребуются следующие материалы:

• дерево либо фанера;
• алюминий;
• стекловолокно в листах;
• трубы и комплектующие из ПВХ;
• материалы, имеющиеся дома в гараже либо подсобных помещениях;

Необходимо запастись следующими инструментами:

• маркер, можно использовать карандаш для черчения;
• ножницы для резки металла;
• лобзик;
• ножовка;
• бумага наждачная;

Вертикальный и горизонтальный ветрогенератор

Вертикальный ветрогенератор

Можно классифицировать по роторам:

• ортогональный;
• дарье;
• савониуса;
• геликойдный;
• многолопастной с направляющим аппаратом;

Хороши тем, что нет нужды направлять их относительно ветра, они функционируют при любом направлении ветра. Из-за этого их не нужно оснащать приборами, улавливающими направление ветра.

Эти конструкции допустимо располагать на земле, они просты. Изготовить своими руками такую конструкцию значительно проще, нежели горизонтальную.

Слабым местом вертикальных ветрогенераторов считается их малая производительность, крайне низкий КПД, из-за чего сфера их использования ограничена.

Горизонтальные ветрогенераторы имеют ряд достоинств по сравнению с вертикальными. Они делятся на одно-, двух-, трех- и многолопастные.

Однолопастные конструкции самые скоростные, они крутятся в два раза быстрее трехлопастных при одинаковой силе ветра. КПД этих ветрогенераторов существенно выше, чем вертикальных.

Существенным недостатком горизонтально-осевой конструкций считается зависимость ротора от направления ветра, из-за чего на ветрогенератор необходимо устанавливать дополнительные приборы, улавливающие направление ветра.

Выбор вида лопастей

Лопасти преимущественно могут быть двух видов:

• парусного типа;
• крыльчатого профиля;

Можно соорудить плоские лопасти по типу «крыльев» ветряной мельницы, то есть, парусного типа. Выполнить их проще всего из самого разнообразного материала: фанеры, пластика, алюминия.

Этот метод имеет свои минусы. При кручении ветряка с лопастями, выполненными по принципу паруса, не участвуют аэродинамические силы, кручение обеспечивает лишь мощность давления ветрового потока.

Производительность этого прибора минимальна, в энергию трансформируется не более 10% силы потока ветра. При незначительном ветре колесо будет пребывать в статичном положении, а тем более не станет производить энергию для употребления в быту.

Более приемлемой будет конструкция, являющая собой ветряное колесо с лопастями крыльчатого профиля. В ней наружная и внутренняя поверхности лопастей обладают различными площадями, что позволяет достигать несоответствия давления воздуха на противоположные поверхности крыла. Аэродинамическая сила значительно увеличивает коэффициент использования ветряного прибора.

Подбор материала

Лопасти для ветряного устройства можно выполнить из любого более или менее подходящего материала, например:

Из трубы ПВХ

Соорудить лопасти из этого материала, наверное, проще всего. Трубы ПВХ можно найти в каждом строительном магазине. Выбирать трубы следует те, которые разработаны для канализации с напором либо газопровода. В противном случае поток воздуха при сильном ветре может искорежить лопасти и повредить их о мачту генератора.

Лопасти ветрогенератора претерпевают серьезные нагрузки от центробежной силы, причем, чем длиннее лопасти, тем сильнее нагрузки.

Край лопасти двухлопастного колеса домашнего ветрогенератора вращается со скоростью сотни метров в секунду, такова скорость вылетающей из пистолета пули. Такая скорость может привести к разрыву труб ПВХ. Особенно опасно это тем, что разлетающиеся осколки труб могут убить либо серьезно ранить людей.

Выйти из положения можно укоротив по максимуму лопасти и увеличив их число. Многолопастное ветряное колесо легче балансировать, оно меньше шумит. Немаловажное значение имеет толщина стенок труб. К примеру, для ветряного колеса с шестью лопастями из ПВХ трубы, составляющего в диаметре два метра, их толщина не должна быть менее 4 миллиметров. Для расчета конструкции лопастей домашнему умельцу можно воспользоваться готовыми таблицами и шаблонами.

Шаблон следует смастерить из бумаги, приложить к трубе и обвести. Это следует сделать столько раз, сколько лопастей будет у ветрогенератора. При помощи лобзика трубу необходимо рассечь по меткам – лопасти практически готовы. Края труб шлифуются, углы и концы закругляются для того, чтобы ветряк выглядел симпатично и поменьше шумел.

Из стали следует смастерить диск с шестью полосами, который будет играть роль конструкции, объединяющей лопасти и фиксирующей колесо к турбине.

Габариты и форма соединительной конструкции должны соответствовать типу генератора и постоянного тока, который будет задействован в . Сталь необходимо выбрать такой толщины, чтобы она не деформировалась под ударами ветра.

Из алюминия

По сравнению с лопастями из ПВХ труб алюминиевые более выносливы и на изгиб, и на разрыв. Недостаток их заключается в большом весе, что требует принятия мер к обеспечению устойчивости всего сооружения в целом. Кроме того, следует максимально тщательно балансировать колесо.

Рассмотрим особенности исполнения лопастей из алюминия для шестилопастного ветряного колеса.

По шаблону следует выполнить лекало из фанеры. Уже по лекалу из листа алюминия высечь заготовки лопастей в количестве шести штук. Будущая лопасть прокатывается в желоб глубиной в 10 миллиметров, при этом ось прокрутки должна образовать с долевой осью заготовки угол в 10 градусов. Эти манипуляции наделят лопасти приемлемыми аэродинамическими параметрами. К внутренней стороне лопасти крепится втулка с резьбой.

Соединительный механизм ветряного колеса с лопастями из алюминия в отличие от колеса с лопастями из труб ПВХ имеет на диске не полоски, а шпильки, представляющие собой куски стального прута с резьбой, подходящей к резьбе втулок.

Из стекловолокна

Лопасти из собранной из стекловолокна специфической стеклоткани являются наиболее безупречными, учитывая их аэродинамические параметры, прочность, вес. Соорудить эти лопасти трудней всего, поскольку нужно уметь обрабатывать дерево и стеклоткань.

Мы рассмотрим выполнение лопастей из стекловолокна для колеса диаметром два метра.

Наиболее скрупулезно следует подойти к выполнению матрицы из дерева. Она вытачивается из брусьев по готовому шаблону и служит моделью лопасти. Закончив трудиться над матрицей, можно начинать мастерить лопасти, которые будут состоять из двух частей.

Матрицу для начала надо обработать воском, одну из ее сторон покрыть эпоксидной смолой, на ней расстелить стеклоткань. На нее снова нанести эпоксидную смолу, и снова слой стеклоткани. Количество слоев может быть три или четыре.

Затем нужно прямо на матрице получившуюся слойку держать около суток до полного высыхания. Вот и готова одна часть лопасти. С другой стороны матрицы выполняется та же последовательность действий.

Готовые части лопастей следует соединить при помощи эпоксидной смолы. Внутрь можно поместить деревянную пробку, зафиксировать ее клеем, это позволит закрепить лопасти к ступице колеса. В пробку следует внедрить втулку с резьбой. Соединительный узел станет ступицей так же как и в предыдущих примерах.

Балансировка ветряного колеса

Когда лопасти будут выполнены, нужно укомплектовать ветряное колесо и произвести его балансировку. Делать это следует в закрытом строении большой площади при условии полного безветрия, поскольку колебания колеса на ветру способны исказить результаты балансировки.

Балансировку колеса необходимо выполнять так:

1. Укрепить колесо на такой высоте, чтобы оно могло беспрепятственно двигаться. Плоскость соединительного механизма должна быть идеально параллельна вертикальному подвесу.
2. Добиться полной статичности колеса и отпустить. Оно не должно шевелиться. Затем прокрутить колесо на угол, равный отношению 360/число лопастей, остановить, отпустить, снова прокрутить, так наблюдать некоторое время.
3. Испытания следует проводить до полного прокручивания колеса вокруг своей оси. Когда отпущенное либо остановленное колесо продолжает качаться, его часть, тяготеющая книзу излишне тяжела. Необходимо конец одной из лопастей подточить.

Кроме того, следует выяснить, насколько гармонично лопасти лежат в плоскости вращения колеса. Колесо необходимо остановить. На расстоянии около двух миллиметров от каждого края одной из лопастей укрепить две планки, которые не будут препятствовать вращению. При прокручивании колеса лопасти не должны цепляться за планки.

Техническое обслуживание

Для длительного безаварийного функционирования ветрогенератора следует проводить такие мероприятия:

1. Через десять или четырнадцать дней от начала работы , ветряной двигатель следует обследовать, особенно крепления. Делать это лучше всего в безветренную погоду.
2. Два раза в год промазывать подшипники поворотного механизма и генератора.
3. При подозрениях на нарушение балансировки колеса , которое может выражаться в вибрации лопастей при кручении по ветру, необходимо выполнить балансировку.
4. Ежегодно осматривать щетки токоприемника.
5. По мере необходимости , покрывать красящими составами металлические части ветрогенератора.

Сделать лопасти для ветряного двигателя вполне по силам домашнему умельцу, нужно только все просчитать, продумать, и тогда дома появится реальная альтернатива электросетям. При выборе мощности самодельного устройства, нужно обязательно помнить, что его максимальная мощность не должна превышать 1000 или 1500 Ватт. Если этой мощности не хватает, стоит подумать о покупке промышленного агрегата.

Стоимость промышленных ветрогенераторов высока. Желающих иметь у себя на даче или в частном доме ветрогенератор много. Находится не мало умельцев, которые своими руками из подручных средств собирают добротные ветряки, самостоятельно изготавливают лопасти для ветрогенератора.

Человек уже давно использует энергию ветра для того, чтобы сделать свою жизнь легче. Никто точно не скажет, когда это впервые произошло, но с тех пор мало что изменилось. Возможность использовать силу стихии по-прежнему вызывает у человечества глубокую заинтересованность.

Самый первый механизм, который помог человеку обуздать и подчинить ветер своим целям, был самый обычный парус. Он в принципе и стал прародителем многих механизмов, которые использовались руками людей на протяжении их существования.

Если сконструировать эффективный генератор самому может быть сложно, то изготовление для ветрогенератора лопастей своими руками не составит особого труда.

Материалы и инструменты

Материалы:

• дерево или фанеру;
• алюминий;
• листы стекловолокна;
• трубы и материалы из ПВХ;
• в общем, все, что обычно есть в хозяйских гаражах и сараях.

Инструменты:

• чертёжный карандаш или маркер;
• линейка, а лучше правило;
• ножницы по металлу;
• лобзик или ножовка;
• наждачная бумага.

Для вертикального ветрогенератора

Ветрогенератор, который мы будем собирать своими руками, точнее его винт имеет три лопасти, поэтому первую деталь, которую будем вырезать из фанеры надо сделать в количестве шести штук - это основание крыла. Оно будет каплевидной формы. Вот как оно должно выглядеть на 10 мм фанере:

1. Посередине прямоугольного листа (90х190 мм) прочертите центральную линию;
2. На этой линии отступите 45 мм и поставьте отметку и проведите через неё перпендикуляр от одного края к другому;
3. Циркулем отметьте радиус в 45 мм и прочертите его, соединяя три крайние точки: две боковые и верхнюю;
4. Соедините нижнюю точку с краями полукруга. От нижней точки до основания полукруга, должно быть, 145 мм и наоборот до верхней точки 45 мм;
5. Теперь вырезаем.

Следующее, что нам понадобится сделать - планки длинною 500 мм, хотя подобный размер и не принципиален. Вы можете выбрать любую другую высоту лопасти ветрогенератора исходя из высоты главной вертикальной оси винта. На каждое крыло по три штуки.

У нас уже есть и основания лопастей и их рёбра, все это нужно собрать так, как изображено на картинке. Когда все деревянные детали собраны со своими сёстрами, а в основаниях просверлены отверстия для креплений, крепим на конструкцию металлические листы. Листы крепим от первой планки ко второй, а от второй к третьей. Планки №1 и 3 не соединяем. Металл может быть оцинковка или алюминий. Теперь можно собирать винт вертикального ветрогенератора и крепить его на центральный осевой стержень.

Подготовим диск с осевым стержнем. Нам понадобятся два диска диаметром 20 см. Материал в принципе роли не играет. Это может быть и фанера, из которой изготавливались основания лопастей ветряка. Или металл, которым обшивали крылья. Но металл следует использовать, если распорки винта тоже были изготовлены из металла.

В центре диска надо сделать отверстие под центральную ось. Когда оба диска собраны на стержне, к ним прикручиваются распорки, по одной на все лопасти ветрогенератора. Прежде чем окончательно закрепить крылья ветряка сверху и снизу, отрегулируйте их так, чтобы их острый конец был повернут внутрь конструкции на угол в девять градусов. Наш винт готов к установке на ротор.

Для горизонтального ветрогенератора

Прежде чем мы начнём своими руками что-то делать, нужно немного поработать мозгами и определиться с мощностью станции, на которую будет работать ветряк. Это основополагающий показатель, от которого будет зависеть количество лопастей и их длина. В таблице, которая находится ниже показано, как диаметр винта зависит от количества крыльев и требуемой мощности.

Мощность, Вт	Диаметр ветроколеса при числе лопастей, м
	2	3	4	5	6	7
10	2	1,64	1,42	1,16	1	0,72
20	2,82	2,32	2	1,64	1,42	1
30	3,44	2,82	1,44	2	1,72	1,22
40	4	3,28	2,84	2,32	2	1,42
50	4,48	3,68	3,18	2,6	1,24	1,58
60	4,9	4	3,48	2,84	2,44	1,74
70	5,3	4,34	3,76	3,08	2,64	1,88
80	5,66	4,64	4	3,28	2,82	2
90	6	4,92	4,26	3,48	3	2,12
100	6,34	5,2	4,5	3,68	3,16	2,24
300	10,94	8,98	7,76	6,34	5,46	3,88
500	14	11,48	9,94	8,16	7	5

После того как мы определились с мощностью будущей установки, идём выбирать материал.

Выбор материала

Будем считать, что трубы из ПВХ являются самым подходящим материалом из того, что может быть под руками. Но не каждая труба подойдёт. Если напор ветра будет очень сильным, он может выгнуть лопасти ветряка в обратную сторону и обломать их о мачту, на которой тот закреплён. Поэтому трубы следует выбирать толстостенные, подойдут канализационные или газовые.

Изготавливать будем универсальную лопасть. Сделать её несколько сложнее, чем обычные лопасти крыльчатого профиля. При этом её полезный коэффициент гораздо больше, чем у обычных лопастей. Это хорошо видно, если сравнить предыдущую таблицу с рабочей таблицей этой лопасти.

Внешний диаметр трубы, мм	110
Масса погонного метра трубы, кг	1,05
Диаметр винта, м	1,2
Быстроходность	3,5
Количество лопастей	3
Номинальная скорость ветра, м/с	7
Степень торможения	0,33
Жуковский/Сабинин 0/1	1
Коэффициент коррекции Су	0,9
Скорость руления, рад/сек	0,5
Стартовая скорость ветра, м/с	5
Масса лопасти, кг	0,08
Обороты, об/мин	389,94
Мощность, вт	68,06
Осевая сила на винт, н	12,32
компенсирующий прогиб, м	0,057
КИЭВ	0,2924
Компенсирующий угол конусности, градусов	6,72
Центробежная сила лопасти, н	42
Изгибающий а/д момент в корне лопасти, н*м	1,76
Гироскопический момент в корне лопасти, н*м	0,40
Гироскопическая сила в корне лопасти, н	1,02
Стартовый момент, н*м	0,082
Момент инерции винта Кг*м*м	0,0328311

Видим, что из труб небольших диаметров 110-160 мм такие лопасти имеет очень хороший КИЭВ 0,3 при быстроходности от 3,5 до 5,5. На колёсах, где винт диаметром более трёх метров, КИЭВ вырастает до 0,4 и выше. Увеличивается и быстроходность.

Расчеты

Рассчитать параметры такой лопасти для ветряка можно самостоятельно. В основе всех расчётов лежит диаметр трубы. Первое, что мы делаем, делим окружность трубы на 5. То есть окружность 110/5 получаем 22 мм. Чертим на трубе линию от одного конца до другого. Это отправной пункт, на который будут наноситься размеры будущей лопасти для ветряка. Наносим размеры:

1. Нулевая отметка, точка А. Умножаем 22 мм на 2, получаем 44 мм. Это ширина лопасти ветрогенератора от её корня к фронту.
2. Точка Б будет лежать на расстоянии 15% от 0. Здесь 22 мм умножаются на 4, что равняется 88 мм ширины лопасти для ветряка от её корня до фронта.
3. Точка В. На этой отметке 22 мм увеличиваются в 2,5 раза, что даёт нам ширину лопасти ветрогенератора в 55 мм, на расстоянии 50%.
4. Четвёртая точка Г, противоположная 0, так как является концом лопасти для ветряка, но с такой же в шириной 44 мм.

Схематично это должно выглядеть так, как показано на фото.

Человек использует ветер уже несколько тысяч лет. Скорей всего, это началось с изобретения паруса. Несколько позже ветер стали использовать для привода ветряных мельниц, а с прошлого века - для выработки электричества. Получение энергии от ветросиловых установок является чрезвычайно заманчивой, но и весьма сложной технической задачей. В настоящее время имеется несколько вариантов технических конструкций ветрогенератора своими руками, хорошо зарекомендовавших себя на практике.

Ветер - поток воздушных масс над земной поверхностью. Он возникает из-за неравномерного нагрева этой поверхности солнечными лучами. Воздух из областей повышенного давления перемещается в направлении областей низкого давления. На скорость ветра влияют характер земной поверхности, протяжённость воздушного потока над этой поверхностью и различные природные и искусственные препятствия, такие как холмы, высокие деревья, здания. Среднегодовая скорость ветра для конкретной местности характеризует энергетический ветровой потенциал района. Эту скорость определяет среднеарифметическое значение скоростей за периоды, например, за месяц, сезон и год. Россия располагает значительными ветровыми ресурсами. Особенно они велики по всему морскому побережью и на территории юга нашей страны (рис. 1) . Регионы со среднегодовой скоростью ветра 3,5-6 м/с и выше считаются вполне перспективными для строительства ветроэлектрических установок (ВЭУ).

Если выяснится, что в месте предполагаемой установки ветрогенератора нет достаточно сильных ветров, то и не будет никакого смысла в её сооружении.

Второй вопрос - насколько мощным сделать ветрогенератор. Очевидно, что все энергетические проблемы исключительно с его помощью решить не удастся. Скорость ветра изменчива не только в зависимости от сезона, но и от времени суток, поэтому энергию необходимо запасать и бережно её расходовать. А лучше всего использовать различные источники совместно, например, ветряк и солнечные батареи (рис. 2) .

Правда, многие самодельщики готовы собирать ветровую установку своими руками даже только для того, чтобы заряжать аккумуляторы своего карманного гаджета. Это будет просто хобби. Но вот если вообще нет электроэнергии и перспективы её туда провести совершенно нереальны, то постройка ветрогенератора своими руками окажется полезной.

Расчет установки ветрогенератора

Простейшие расчёты помогут определить реальные возможности установки. Существует показатель, который позволит оценить, какую часть энергии воздушного потока можно использовать с помощью ветроколеса. Его называют коэффициентом использования энергии ветра (Е). Коэффициент использования энергии ветра Е зависит от типа ветродвигателя, качества его изготовления и других параметров. Лучшие быстроходные ветродвигатели с обтекаемыми аэродинамическими лопастями имеют значение Е = 0,43-0,47. Это означает, что ветроколесо такой ВЭУ может полезно использовать 43-47% энергии воздушного потока.

Максимальное теоретически вычисленное значение Е = 0,593, но на практике получить его невозможно.

Мощность ветроколеса на валу без учёта потерь в передачах и подшипниках можно подсчитать по формуле:

р - массовая плотность воздуха, равная при нормальных условиях 0,125 кг*с2/м4,
V - скорость ветра (м/с),
Р - ометаемая ветроколесом поверхность (м2),
Е - коэффициент использования энергии ветра.

Для нормальных условий (температура - 15°С и давление - 760 мм рт.ст.) мощность можно рассчитать по упрощённым формулам в лошадиных силах и в киловаттах:

D - диаметр ветроколеса (м).

Сделать ветряк малого диаметра, стабильно работающий при малых ветрах, - сложная задача. Воздушный винт получает 75% энергии с кольцевой области ометания от 0,5 до 1,0 радиуса. В связи с этим наименьший диаметр пропеллера, выгодного с точки зрения использования ветра со скоростью 4 м/с, должен быть не менее 4,5 м. Для малых ветров предпочтительнее оказываются тихоходные многолопастные винты.

Для ветроэлектростанции применяют генераторы переменного или постоянного тока. В самодельных ВЭУ очень часто используют генератор от современного автомобиля. Несмотря на то что они вырабатывают переменный ток, любой из них не очень подходит для этой цели, так как требует высоких оборотов и подмагничивания обмотки возбуждения. А генераторы постоянного тока вообще плохо работают при медленном вращении и даже на номинальных оборотах имеют небольшую мощность (100-200 Вт).

Самодельный ветрогенератор из асинхронного двигателя

Гораздо лучшие результаты можно получить с помощью переделанного асинхронного электродвигателя, снабдив его ротор постоянными магнитами. Эти двигатели не имеют никакой обмотки в роторе, а только металлические пластины. Если к ротору прикрепить постоянные магниты, то получится трёхфазный генератор удивительно прочной и долговечной конструкции, способный отдавать токи в десятки ампер при низких скоростях вращения.

Однако при высоких оборотах из-за большого тока начинают греться обмотки статора. В таком случае провод этих обмоток лучше заменить на другой - с большим сечением.

В трёхфазном генераторе переменного тока имеются 3 обмотки, соединить которые можно по схеме «треугольник» или «звезда». Треугольное соединение позволяет получить большой ток при меньшем напряжении, чем у соединения в звезду. Звезда наоборот даёт большее напряжение при меньшем токе. Трёхфазные генераторы намного эффективнее однофазных и генераторов постоянного тока. Это доказал ещё Никола Тесла.

Любой ветроагрегат требует защиты от шквальных порывов ветра. Вместо сложной системы поворота лопастей всё чаще используют механизм разворота всего колеса под углом к воздушному потоку.

Преобразование переменного тока в постоянный (который необходим для зарядки аккумуляторов) легко произвести с помощью полупроводниковых диодов, включённых по мостовой схеме (см. рис. 3) . Если же вам потребуется напряжение стандартной электросети 220 В частотой 50 Гц, то в качестве инвертора используйте обычный компьютерный блок бесперебойного питания. Новый блок стоит дорого, но поскольку нам потребуется лишь повышающий инвертор, то можно использовать и списанный. Достаточно к нему вместо внутреннего подсоединить аккумулятор ветряка. Мощности UPS 1000 или UPS 5000 будет более, чем достаточно.

Расчет лопастей ветрогенератора

Крепление лопастей к втулке позволяет перемещением их балансировать ветровое колесо в сборе.

Примером простейшей, но вполне работоспособной ВЭУ может служить конструкция французского умельца (фото 1) . Его шестилопастное ветряное колесо, лопасти которого хомутами прикреплены к металлическим пруткам (фото 2) , соединённым электросваркой с общей втулкой (рис. 4) , насаживается на ось электрогенератора.

Рис. 4. Втулка ветрового колеса.

Аэродинамический руль устанавливает колесо строго к ветровому потоку.

Для автоматической ориентации лопастей на ветер служит аэродинамический руль, прикреплённый к поворотной трубе силового узла установки (фото 3) . Подшипники поворотного устройства обеспечивают поворот ветроколеса с генератором на опорной мачте при изменении направления ветра.

Лопасти и аэродинамический руль выпилены из фанеры толщиной 10 мм. Консоль кронштейна крепления пера руля при порывистом ветре испытывает большие нагрузки, и потому её изготовили из заготовки толщиной в 15 мм. Готовые лопасти и руль мы видим на фото 4 . Выкройки этих деталей представлены на рис. 5-8 . Хотя лопасти и имеют плоский профиль, но их кромки должны быть обработаны в соответствии с рисунками.

Фото 6 .Доработка ротора асинхронного электромотора позволяет получить эффективный генератор переменного тока для ветроустановки.

Фото 7 . Переделать ротор можно двумя способами. Первый - это наклеить магниты на механически обработанный ротор двигателя. И второй способ - из стальной ленты по деревянной оправке сделать новый ротор, на который так же наклеить магниты.

Фото 8 Катушки полюсов статора лучше сразу перемотать проводом большего сечения.

Ветровое колесо имеет 6 лопастей. Однако всего их было изготовлено 9. Три коротких лопасти необходимы для замены трёх полноразмерных лопастей на время сезона сильных ветров (фото 5) . Балансировку ветрового колеса можно произвести перемещением лопастей по пруткам от втулки или ближе к ней.

Пожалуй, самой трудоёмкой будет переделка асинхронного электродвигателя в трёхфазный генератор. Двигатель мощностью 150 Вт и выше, рассчитанный на работу от сети 220 В при частоте 50-60 Гц, после переделки сможет в качестве генератора ветроустановки отдавать в нагрузку ток до десятка ампер при напряжении не ниже 12 В.

Главной переделке в будущем генераторе подвергается ротор. После разборки электромотора тело ротора протачивают и фрезеровкой пазов разделяют на несколько сегментов. В нашем случае их шесть. На каждом сегменте размещены постоянные магниты (см. рис. 9) . Их прикрепляют по 6 шт. на каждый полюс ротора (всего их 36) прочным эпоксидным клеем (фото 6) . Количество полюсов магнитов на роторе не должно быть кратным количеству катушек на статоре. Это исключит трудный пуск ветроколеса из-за «залипання» магнитов ротора на статорных полюсах.

Есть и второй способ переделки ротора - это сделать из стальной полосы нужного диаметра цилиндр (по деревянной оправке) и на него наклеить магниты (фото 7) .

Собирать обмотки полюсов статора при работе генератора на зарядку аккумулятора лучше в треугольник, а при прямой нагрузке большим током - в звезду. Катушки статора в любом случае лучше перемотать проводом большего сечения (фото 8) . Это уменьшит потери на нагрев.

Ветроэлектрические установки, работающие параллельно с другими установками, использующими возобновляемые источники энергии (солнечные батареи, гидрогенераторы, тепловые насосы и пр.), вполне могут обеспечить энергоснабжение жилого дома или небольшого хозяйства. При наличии резерва в виде электроагрегата с бензодвигателем временное снижение альтернативной энергии может быть компенсировано в любой момент. Подобные системы приносят большую экономию энергии, получаемой от традиционных источников.

Борис ГЕОРГИЕВ, Москва

С давних пор человечество использует силу ветра в своих целях. Ветряные мельницы, парусные корабли знакомы многим, про них пишут в книгах и снимают исторические фильмы. В наше время ветряной электрогенератор не потерял свою актуальность, т.к. с его помощью можно получить бесплатное электричество на даче, которое может пригодиться, если отключат свет. Поговорим о самодельных ветряках, которые можно собрать из подручных материалов и доступных деталей с минимумом затрат. Для вас мы предоставили одну подробную инструкцию с картинками, а также видео идеи еще нескольких вариантов сборки. Итак, давайте рассмотрим, как сделать ветрогенератор своими руками в домашних условиях.

Инструкция по сборке

Существуют несколько типов ветряных установок, а именно – горизонтальный, вертикальный и турбина. У них есть принципиальные различия, свои плюсы и минусы. Однако принцип работы всех ветрогенераторов одинаков - энергия ветра преобразуется в электрическую и накапливается в аккумуляторах, а уже с них уходит на нужды человека. Самый распространенный вид - это горизонтальный.

Он знаком и узнаваем. Преимущество горизонтального ветрогенератора - более высокий КПД по сравнению с другими, так как лопасти ветряка всегда находятся под действием воздушного потока. К недостаткам можно отнести высокое требование к ветру – он должен быть сильнее 5 метров в секунду. Этот тип ветряка сделать проще всего, поэтому его часто берут за основу домашние мастера.

Если вы решили попробовать свои силы в сборке ветрогенератора своими руками, вот несколько рекомендаций.

Начинать нужно с генератора - это сердце системы, от его параметров будет зависеть конструкция винтового узла. Для этого подойдут автомобильные генераторы отечественного и импортного производства, есть сведения о использовании шаговых двигателей от принтеров или прочей оргтехники. Велосипедное мотор-колесо также можно использовать, чтобы самому сделать ветряк для получения электричества. В целом, может подойти практический любой мотор или генератор, однако его обязательно необходимо проверить на эффективность.

Определившись с преобразователем энергии, нужно собрать редукторный узел для повышения оборотов на валу генератора. Один оборот пропеллера должен равняться 4-5 оборотам на валу генераторного узла. Однако эти параметры подбираются индивидуально, исходя из мощности и особенностей вашего генератора и лопастного узла. В качестве редуктора может выступать деталь от болгарки или система ремней и роликов.

Когда собран узел редуктор-генератор, приступают к выяснению его сопротивления крутящему моменту (грамм на миллиметр). Для этого нужно сделать плечо с противовесом на валу будущей установки, и с помощью груза выяснить при каком весе плечо пойдет вниз. Приемлемым результатом считается менее 200 грамм на метр. Размер плеча в этом случае принимается за длину лопасти.

Многие думают, что чем больше лопастей, тем лучше. Это не совсем верно. Нам нужны большие обороты, а много винтов создают большее сопротивление ветру, так как изготавливаем мы их в домашних условиях, в результате чего в какой-то момент набегающий поток тормозит винт и КПД установки падает. Вы можете использовать двухлопастной винт. Такой пропеллер при нормальном ветре может раскрутиться более 1000 оборотов в минуту. Сделать лопасти самодельного ветрогенератора можно из подручных средств - от фанеры и оцинковки, до пластика от водопроводных труб (как на фото ниже). Главное условие – материал должен быть легким и прочным.

Легкий винт повысит КПД ветряка и чувствительность к воздушному потоку. Не забудьте сбалансировать воздушное колесо и убрать неровности, иначе во время работы генератора будете слушать завывание и вой, а вибрации приведут к быстрому износу деталей.

Следующий важный элемент, это хвост. Он будет держать колесо в потоке ветра, и поворачивать конструкцию в случае изменения его направления.

Делать токосъемник или нет, решать вам. Это усложнит конструкцию, однако избавит от частых скручиваний провода, что чревато обрывами кабеля. Конечно, при его отсутствии вам придется иногда самостоятельно раскручивать провод. Во время пробного запуска ветрогенератора не забудьте о технике безопасности, крутящиеся лопасти представляют большую опасность.

Настроенный и сбалансированный ветряк устанавливают на мачту, высотой не ниже 7 метров от земли, закрепленную распорными тросами. Далее не менее важный узел — накопительный аккумулятор. Чаще всего используют автомобильный кислотный аккумулятор. Подключать выход самодельного ветрогенератора непосредственно к батарее нельзя, это нужно сделать через реле зарядки или контроллер, который можно собрать самому или же приобрести готовый.

Принцип работы реле сводится к контролю за зарядом и нагрузкой. В случае полного заряда батареи, оно переключает генератор и аккумулятор на нагрузочный балласт, система стремится всегда быть заряженной, не допуская перезаряда, и не оставляет генератор без нагрузки. Ветряк без нагрузки может достаточно сильно раскрутиться и повредить выработанным потенциалом изоляцию в обмотках. К тому же высокие обороты могут стать причиной механического разрушения элементов ветряного генератора. Далее стоит преобразователь напряжения с 12 на 220 вольт 50 Гц для подключения бытовых приборов.

Сейчас в интернете полно схем и чертежей, где мастера показывают, как сделать ветрогенератор на мощных магнитах самостоятельно. Настолько ли они эффективны, как обещают – вопрос спорный. Но попробовать собрать ветряную электрогенерирующую установку для дома стоит, а потом решить, как ее улучшить. Важно получить опыт и тогда уже можно замахнуться на более серьезный аппарат. Свобода и многообразие самодельных ветряков настолько обширна, а элементная база разнообразна, что нет смысла описывать их все, основной смысл остался тем же - поток ветра раскручивает винт, редуктор повышает обороты вала, генератор выдает напряжение, далее контроллер держит уровень заряда на аккумуляторе, а с него уже идет отбор энергии для различных нужд. Вот по такому принципу можно сделать ветрогенератор своими руками в домашних условиях. Надеемся, наша подробная инструкция с фото примерами разъяснила вам, как изготовить подходящую модель ветряка для дома или дачи. Также рекомендуем ознакомиться с мастер-классами по сборке самодельного устройства в видео формате.

Наглядные видеоуроки

Чтобы легко сделать ветрогенератор для получения электричества в домашних условиях, рекомендуем ознакомиться с готовыми идеями на видео примерах:

Вот мы и предоставили все наиболее простые и доступные идеи сборки самодельного ветряка. Как вы видите, некоторые модели устройств сможет легко изготовить даже ребенок. Существует множество других вариантов самоделок: на мощных магнитах, со сложными лопастями и т.д. Эти конструкции стоит повторять только при наличии некоторого опыта в этом деле, начинать следует с простых схем. Если вы хотите сделать ветрогенератор, чтобы он работал и использовался по назначению, действуйте согласно предоставленной нами инструкции. Если у вас остались вопросы – оставляйте их в комментариях.