Россия в отношении ветроэнергетических ресурсов занимает двоякое положение. С одной стороны, благодаря огромной общей площади и обилию равнинных местностей ветра в целом много, и он большей частью ровный. С другой – наши ветры преимущественно низкопотенциальные, медленные, см. рис. С третьей, в мало обжитых местностях ветры буйные. Исходя из этого, задача завести на хозяйстве ветрогенератор вполне актуальна. Но, чтобы решить – покупать достаточно дорогое устройство, или сделать его своими руками, нужно как следует подумать, какой тип (а их очень много) для какой цели выбрать.

Основные понятия

1. КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
2. КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
3. Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
4. Максимально допустимая скорость ветра (МДС) – его скорость, при которой выработка энергии прекращается: автоматика или отключает генератор, или ставит ротор во флюгер, или складывает его и прячет, или ротор сам останавливается, или ВСУ просто разрушается.
5. Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
6. Отрицательная стартовая скорость (ОСС) – это значит, что ВСУ (или ВЭУ – ветроэнергетическая установка, или ВЭА, ветроэнергетический агрегат) для запуска при любой скорости ветра требует обязательной раскрутки от постороннего источника энергии.
7. Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
8. Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
9. Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
10. Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
11. Тихоходный ветряк – в нем линейная скорость частей ротора в потоке существенно не превосходит скорость ветра или ниже ее. Динамический напор потока непосредственно преобразуется в тягу лопасти.
12. Быстроходный ветряк – линейная скорость лопастей существенно (до 20 и более раз) выше скорости ветра, и ротор образует свою собственную циркуляцию воздуха. Цикл преобразования энергии потока в тягу сложный.

Примечания:

1. Тихоходные ВСУ, как правило, имеют КИЭВ ниже, чем быстроходные, но имеют стартовый момент, достаточный для раскрутки генератора без отключения нагрузки и нулевую ССВ, т.е. абсолютно самозапускающиеся и применимы при самых слабых ветрах.
2. Тихоходность и быстроходность – понятия относительные. Бытовой ветряк на 300 об/мин может быть тихоходным, а мощные ВСУ типа EuroWind, из которых набирают поля ветроэлектростанций, ВЭС (см. рис.) и роторы которых делают порядка 10 об/мин – быстроходные, т.к. при таком их диаметре линейная скорость лопастей и их аэродинамика на большей части размаха – вполне «самолетные», см. далее.

Какой нужен генератор?

Электрический генератор для ветряка бытового назначения должен вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне скоростей вращения и обладать способностью самозапуска без автоматики и внешних источников питания. В случае использования ВСУ с ОСС (ветряки с раскруткой), обладающих, как правило, высокими КИЭВ и КПД, он должен быть и обратимым, т.е. уметь работать и как двигатель. При мощностях до 5 кВт этому условию удовлетворяют электрические машины с постоянными магнитами на основе ниобия (супермагнитами); на стальных или ферритовых магнитах можно рассчитывать не более чем на 0,5-0,7 кВт.

Примечание: асинхронные генераторы переменного тока или коллекторные с ненамагниченным статором не годятся совершенно. При уменьшении силы ветра они «погаснут» задолго до того, как его скорость упадет до МРС, и потом сами не запустятся.

Отличное «сердце» ВСУ мощностью от 0,3 до 1-2 кВт получается из автогенератора переменного тока со встроенным выпрямителем; таких сейчас большинство. Во-первых, они держат выходное напряжение 11,6-14,7 В в довольно широком диапазоне скоростей без внешних электронных стабилизаторов. Во-вторых, кремниевые вентили открываются, когда напряжение на обмотке достигнет примерно 1,4 В, а до этого генератор «не видит» нагрузки. Для этого генератор нужно уже довольно прилично раскрутить.

В большинстве случаев автогенератор можно непосредственно, без зубчатой или ременной передачи, соединить с валом быстроходного ВД, подобрав обороты выбором количества лопастей, см. ниже. «Быстроходки» имеют малый или нулевой стартовый момент, но ротор и без отключения нагрузки успеет достаточно раскрутиться, прежде чем вентили откроются и генератор даст ток.

Выбор по ветру

Прежде чем решать, какой сделать ветрогенератор, определимся с местной аэрологией. В серо-зеленоватых (безветренных) областях ветровой карты хоть какой-то толк будет лишь от парусного ветродвигателя (и них далее поговорим). Если необходимо постоянное энергоснабжение, то придется добавить бустер (выпрямитель со стабилизатором напряжения), зарядное устройство, мощную аккумуляторную батарею, инвертор 12/24/36/48 В постоянки в 220/380 В 50 Гц переменного тока. Обойдется такое хозяйство никак не менее $20.000, и снять долговременную мощность более 3-4 кВт вряд ли получится. В общем, при непреклонном стремлении к альтернативной энергетике лучше поискать другой ее источник.

В желто-зеленых , слабоветренных местах, при потребности в электричестве до 2-3 кВт самому можно взяться за тихоходный вертикальный ветрогенератор . Их разработано несть числа, и есть конструкции, по КИЭВ и КПД почти не уступающие «лопастникам» промышленного изготовления.

Если же ВЭУ для дома предполагается купить, то лучше ориентироваться на ветряк с парусным ротором. Споров и них много, и в теории пока еще не все ясно, но работают. В РФ «парусники» выпускают в Таганроге на мощность 1-100 кВт.

В красных , ветреных, регионах выбор зависит от потребной мощности. В диапазоне 0,5-1,5 кВт оправданы самодельные «вертикалки»; 1,5-5 кВт – покупные «парусники». «Вертикалка» тоже может быть покупной, но обойдется дороже ВСУ горизонтальной схемы. И, наконец, если требуется ветряк мощностью 5 кВт и более, то выбирать нужно между горизонтальными покупными «лопастниками» или «парусниками».

Примечание: многие производители, особенно второго эшелона, предлагают комплекты деталей, из которых можно собрать ветрогенератор мощностью до 10 кВт самостоятельно. Обойдется такой набор на 20-50% дешевле готового с установкой. Но прежде покупки нужно внимательно изучить аэрологию предполагаемого места установки, а затем по спецификациям подобрать подходящие тип и модель.

О безопасности

Детали ветродвигателя бытового назначения в работе могут иметь линейную скорость, превосходящую 120 и даже 150 м/с, а кусочек любого твердого материала весом в 20 г, летящий со скоростью 100 м/с, при «удачном» попадании убивает здорового мужика наповал. Стальная, или из жесткого пластика, пластина толщиной 2 мм, движущаяся со скоростью 20 м/с, рассекает его же напополам.

Кроме того, большинство ветряков мощностью более 100 Вт довольно сильно шумят. Многие порождают колебания давления воздуха сверхнизкой (менее 16 Гц) частоты – инфразвуки. Инфразвуки неслышимы, но губительны для здоровья, а распространяются очень далеко.

Примечание: в конце 80-х в США был скандал – пришлось закрыть крупнейшую на тот момент в стране ВЭС. Индейцы из резервации в 200 км от поля ее ВСУ доказали в суде, что резко участившиеся у них после ввода ВЭС в эксплуатацию расстройства здоровья обусловлены ее инфразвуками.

В силу указанных выше причин установка ВСУ допускается на расстоянии не менее 5 их высот от ближайших жилых строений. Во дворах частных домовладений можно устанавливать ветряки промышленного изготовления, соответствующим образом сертифицированные. На крышах ставить ВСУ вообще нельзя – при их работе, даже у маломощных, возникают знакопеременные механические нагрузки, способные вызвать резонанс строительной конструкции и ее разрушение.

Примечание: высотой ВСУ считается наивысшая точка ометаемого диска (для лопастных роторов) или геомерической фигуры (для вертикальных ВСУ с ротором на древке). Если мачта ВСУ или ось ротора выступают вверх еще выше, высота считается по их топу – верхушке.

Ветер, аэродинамика, КИЭВ

Самодельный ветрогенератор подчиняется тем же законам природы, что и заводской, рассчитанный на компьютере. И самодельщику основы его работы нужно понимать очень хорошо – в его распоряжении чаще всего нет дорогих суперсовременных материалов и технологического оборудования. Аэродинамика же ВСУ ох как непроста…

Ветер и КИЭВ

Для расчета серийных заводских ВСУ используется т. наз. плоская механистическая модель ветра. В ее основе следующие предположения:

• Скорость и направление ветра постоянны в пределах эффективной поверхности ротора.
• Воздух – сплошная среда.
• Эффективная поверхность ротора равна ометаемой площади.
• Энергия воздушного потока – чисто кинетическая.

При таких условиях максимальную энергию единицы объема воздуха вычисляют по школьной формуле, полагая плотность воздуха при нормальных условиях 1,29 кг*куб. м. При скорости ветра 10 м/с один куб воздуха несет в себе 65 Дж, и с одного квадрата эффективной поверхности ротора можно, при 100% КПД всей ВСУ, снять 650 Вт. Это весьма упрощенный подход – все знают, что ветер идеально ровным не бывает. Но на это приходится идти, чтобы обеспечить повторяемость изделий – обычное в технике дело.

Плоскую модель игнорировать не следует, она дает четкий минимум доступной энергии ветра. Но воздух, во-первых, сжимаем, во-вторых, очень текуч (динамическая вязкость всего 17,2 мкПа*с). Это значит, поток может обтекать ометаемую площадь, уменьшая эффективную поверхность и КИЭВ, что чаще всего и наблюдается. Но в принципе возможна и обратная ситуация: ветер стекается к ротору и площадь эффективной поверхности тогда окажется больше ометаемой, а КИЭВ – больше 1 относительно его же для плоского ветра.

Приведем два примера. Первый – прогулочная, довольно тяжеловесная, яхта может идти не только против ветра, но и быстрее его. Ветер имеется в виду внешний; вымпельный ветер все равно должен быть быстрее, иначе как он судно потянет?

Второй – классика авиационной истории. На испытаниях МИГ-19 оказалось, что перехватчик, который был на тонну тяжелее фронтового истребителя, по скорости разгоняется быстрее. С теми же движками в том же планере.

Теоретики не знали, что и думать, и всерьез засомневались в законе сохранения энергии. В конце концов оказалось – дело в выступающем из воздухозаборника конусе обтекателя РЛС. От его носка к обечайке возникало уплотнение воздуха, как бы сгребавшее его со сторон к компрессорам двигателей. С тех пор ударные волны прочно вошли в теорию как полезные, и фантастические летные данные современных самолетов в немалой степени обусловлены их умелым использованием.

Аэродинамика

Развитие аэродинамики принято делить на две эпохи – до Н. Г. Жуковского и после. Его доклад «О присоединенных вихрях» от 15 ноября 1905 г. стал началом новой эры в авиации.

До Жуковского летали на поставленных плашмя парусах: полагалось, что частицы набегающего потока отдают весь свой импульс передней кромке крыла. Это позволяло сразу избавиться от векторной величины – момента количества движения – порождавшей зубодробительную и чаще всего неаналитическую математику, перейти к куда более удобным скалярным чисто энергетическим соотношениям, и получить в итоге расчетное поле давления на несущую плоскость, более-менее похожее на настоящее.

Такой механистический подход позволил создать аппараты, способные худо-бедно подняться в воздух и совершить перелет из одного места в другое, не обязательно грохнувшись на землю где-то по пути. Но стремление увеличить скорость, грузоподъемность и другие летные качества все больше выявляло несовершенство первоначальной аэродинамической теории.

Идея Жуковского была такова: вдоль верхней и нижней поверхностей крыла воздух проходит разный путь. Из условия непрерывности среды (пузыри вакуума сами по себе в воздухе не образуются) следует, что скорости верхнего и нижнего потоков, сходящих с задней кромки, должны отличаться. Вследствие пусть малой, но конечной вязкости воздуха там из-за разности скоростей должен образоваться вихрь.

Вихрь вращается, а закон сохранения количества движения, столь же непреложный, как и закон сохранения энергии, справедлив и для векторных величин, т.е. должен учитывать и направление движения. Поэтому тут же, на задней кромке, должен сформироваться противоположно вращающийся вихрь с таким же вращательным моментом. За счет чего? За счет энергии, вырабатываемой двигателем.

Для практики авиации это означало революцию: выбрав соответствующий профиль крыла, можно было присоединенный вихрь пустить вокруг крыла в виде циркуляции Г, увеличивающей его подъемную силу. Т.е., затратив часть, а для больших скоростей и нагрузок на крыло – большую часть, мощности мотора, можно создать вокруг аппарата воздушный поток, позволяющий добиться лучших летных качеств.

Это делало авиацию авиацией, а не частью воздухоплавания: теперь летательный аппарат мог сам создавать себе нужную для полета среду и не быть более игрушкой воздушных потоков. Нужен только двигатель помощнее, и еще и еще мощнее…

Снова КИЭВ

Но у ветряка мотора нет. Он, наоборот, должен отбирать энергию у ветра и давать ее потребителям. И здесь выходит – ноги вытащил, хвост увяз. Пустили слишком мало энергии ветра на собственную циркуляцию ротора – она будет слабой, тяга лопастей – малой, а КИЭВ и мощность – низкими. Отдадим на циркуляцию много – ротор при слабом ветре будет на холостом ходу крутиться как бешеный, но потребителям опять достается мало: чуть дали нагрузку, ротор затормозился, ветер сдул циркуляцию, и ротор стал.

Закон сохранения энергии «золотую середину» дает как раз посерединке: 50% энергии даем в нагрузку, а на остальные 50% подкручиваем поток до оптимума. Практика подтверждает предположения: если КПД хорошего тянущего пропеллера составляет 75-80%, то КИЭВ так же тщательно рассчитанного и продутого в аэродинамической трубе лопастного ротора доходит до 38-40%, т.е. до половины от того, чего можно добиться при избытке энергии.

Современность

Ныне аэродинамика, вооруженная современной математикой и компьютерами, все более уходит от неизбежно что-то да упрощающих моделей к точному описанию поведения реального тела в реальном потоке. И тут, кроме генеральной линии – мощность, мощность, и еще раз мощность! – обнаруживаются пути побочные, но многообещающие как раз при ограниченном количестве поступающей в систему энергии.

Известный авиатор-альтернативщик Пол Маккриди еще в 80-х создал самолет, с двумя моторчиками от бензопилы мощностью в 16 л.с. показавший 360 км/ч. Причем шасси его было трехопорным неубирающимся, а колеса – без обтекателей. Ни один из аппаратов Маккриди не вышел на линию и не встал на боевое дежурство, но два – один с поршневыми моторами и пропеллерами, а другой реактивный – впервые в истории облетели вокруг земного шара без посадки на одной заправке.

Парусов, породивших изначальное крыло, развитие теории тоже коснулось весьма существенно. «Живая» аэродинамика позволила яхтам при ветре в 8 узл. встать на подводные крылья (см. рис.); чтобы разогнать такую громадину до нужной скорости гребным винтом, требуется двигатель не менее 100 л.с. Гоночные катамараны при таком же ветре ходят со скоростью около 30 узл. (55 км/ч).

Есть и находки совершенно нетривиальные. Любители самого редкого и экстемального спорта – бейсджампинга – надев апециальный костюм-крыло, вингсьют, летают без мотора, маневрируя, на скорости более 200 км/ч (рис. справа), а затем плавно приземляются в заранее выбранном месте. В какой сказке люди летают сами по себе?

Разрешились и многие загадки природы; в частности – полет жука. По классической аэродинамике, он летать не способен. Точно так же, как и родоначальник «стелсов» F-117 с его крылом ромбовидного профиля тоже не способен подняться в воздух. А МИГ-29 и Су-27, которые некоторое время могут лететь хвостом вперед, и вовсе ни в какие представления не укладываются.

И почему тогда, занимаясь ветродвигателями, не забавой и не орудием уничтожения себе подобных, а источником жизненно важного ресурса, нужно плясать непременно от теории слабых потоков с ее моделью плоского ветра? Неужели не найдется возможности продвинуться дальше?

Чего ожидать от классики?

Однако от классики отказываться ни в коем случае не следует. Она дает основу, не оперевшись на которую нельзя подняться выше. Точно так же, как теория множеств не отменяет таблицу умножения, а от квантовой хромодинамики яблоки с деревьев вверх не улетят.

Итак, на что можно рассчитывать при классическом подходе? Посмотрим на рисунок. Слева – типы роторов; они изображены условно. 1 – вертикальный карусельный, 2 – вертикальный ортогональный (ветряная турбина); 2-5 – лопастные роторы с разным количеством лопастей с оптимизированными профилями.

Справа по горизонтальной оси отложена относительная скорость ротора, т.е., отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. По вертикальной вверх – КИЭВ. А вниз – опять же относительный крутящий момент. Единичным (100%) крутящим моментом считается такой, который создает насильно заторможенный в потоке ротор со 100% КИЭВ, т.е. когда вся энергия потока преобразуется во вращающее усилие.

Такой подход позволяет делать далеко идущие выводы. Скажем, количество лопастей нужно выбирать не только и не столько по желательной скорости вращения: 3- и 4-лопастники сразу много теряют по КИЭВ и вращательному моменту по сравнению с хорошо работающими примерно в том же диапазоне скорстей 2- и 6-лопастниками. А внешне похожие карусель и ортогонал обладают принципиально разными свойствами.

В целом же предпочтение следует отдавать лопастным роторам, кроме случаев, когда требуются предельная дешевизна, простота, необслуживаемый самозапуск без автоматики и невозможен подъем на мачту.

Примечание: о парусных роторах поговорим особо – они, похоже, в классику не укладываются.

Вертикалки

ВСУ с вертикальной осью вращения имеют неоспоримое для быта преимущество: их узлы, требующие обслуживания, сосредоточены внизу и не нужен подъем наверх. Там остается, и то не всегда, упорно-опорный самоустанавливающийся подшипник, но он прочен и долговечен. Поэтому, проектируя простой ветрогенератор, отбор вариантов нужно начинать с вертикалок. Основные их типы представлены на рис.

ВС

На первой позиции – самый простейший, чаще всего называемый ротором Савониуса. На самом деле его изобрели в 1924 г. в СССР Я. А. и А. А. Воронины, а финский промышленник Сигурд Савониус бессовестно присвоил себе изобретение, проигнорировав советское авторское свидетельство, и начал серийный выпуск. Но внедрение в судьбе изобретения значит очень много, поэтому мы, чтобы не ворошить прошлое и не тревожить прах усопших, назовем этот ветряк ротором Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС.

ВС для самодельщика всем хорош, кроме «паровозного» КИЭВ в 10-18%. Однако в СССР над ним работали много, и наработки есть. Ниже мы рассмотрим усовершенствованную конструкцию, не намного более сложную, но по КИЭВ дающую фору лопастникам.

Примечание: двухлопастный ВС не крутится, а дергается рывками; 4-лопастный лишь немного плавнее, но много теряет в КИЭВ. Для улучшения 4-«корытные» чаще всего разносят на два этажа – пара лопастей внизу, а другая пара, повернутая на 90 градусов по горизонтали, над ними. КИЭВ сохраняется, и боковые нагрузки на механику слабеют, но изгибные несколько возрастают, и при ветре более 25 м/с у такой ВСУ на древке, т.е. без растянутого вантами подшипника над ротором, «срывает башню».

Дарье

Следующий – ротор Дарье; КИЭВ – до 20%. Он еще проще: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. Теория ротора Дарье еще недостаточно разработана. Ясно только, что начинает он раскручиваться за счет разности аэродинамического сопротивления горба и кармана ленты, а затем становится вроде как быстроходным, образуя собственную циркуляцию.

Вращательный момент мал, а в стартовых положениях ротора параллельно и перпендикулярно ветру вообще отсутствует, поэтому самораскрутка возможна только при нечетном количестве лопастей (крыльев?) В любом случае на время раскрутки нагрузку от генератора нужно отключать.

Есть у ротора Дарье еще два нехороших качества. Во-первых, при вращении вектор тяги лопасти описывает полный оборот относительно ее аэродинамического фокуса, и не плавно, а рывками. Поэтому ротор Дарье быстро разбивает свою механику даже при ровном ветре.

Во-вторых, Дарье не то что шумит, а вопит и визжит, вплоть до того, что лента рвется. Происходит это вследствие ее вибрации. И чем больше лопастей, тем сильнее рев. Так что Дарье если и делают, то двухлопастными, из дорогих высокопрочных звукопоглощающих материалов (карбона, майлара), а для раскрутки посередине мачты-древка приспосабливают небольшой ВС.

Ортогонал

На поз. 3 – ортогональный вертикальный ротор с профилированными лопастями. Ортогональный потому, что крылья торчат вертикально. Переход от ВС к ортогоналу иллюстрирует рис. слева.

Угол установки лопастей относительно касательной к окружности, касающейся аэродинамических фокусов крыльев, может быть как положительным (на рис.), так и отрицательным, сообразно силе ветра. Иногда лопасти делают поворотными и ставят на них флюгерки, автоматически держащие «альфу», но такие конструкции часто ломаются.

Центральное тело (голубое на рис.) позволяет довести КИЭВ почти до 50% В трехлопастном ортогонале оно должно в разрезе иметь форму треугольника со слегка выпуклыми сторонами и скругленными углами, а при большем количестве лопастей достаточно простого цилиндра. Но теория для ортогонала оптимальное количество лопастей дает однозначно: их должно быть ровно 3.

Ортогонал относится к быстроходным ветрякам с ОСС, т.е. обязательно требует раскрутки при вводе в эксплуатацию и после штиля. По ортогональной схеме выпускаются серийные необслуживаемые ВСУ мощностью до 20 кВт.

Геликоид

Геликоидный ротор, или ротор Горлова (поз. 4) – разновидность ортогонала, обеспечивающая равномерное вращение; ортогонал с прямыми крыльями «рвет» лишь немного слабее двухлопастного ВС. Изгиб лопастей по геликоиде позволяет избежать потерь КИЭВ из-за их кривизны. Хотя часть потока кривая лопасть и отбрасывает, не используя, но зато и загребает часть в зону наибольшей линейной скорости, компенсируя потери. Геликоиды используют реже прочих ветряков, т.к. они вследствие сложности изготовления оказываются дороже равных по качеству собратьев.

Бочка-загребушка

На 5 поз. – ротор типа ВС, окруженный направляющим аппаратом; его схема представлена на рис. справа. В промышленном исполнении встречается редко, т.к. дорогостоящий отвод земли не компенсирует прироста мощности, а материалоемкость и сложность производства велики. Но самодельщик, боящийся работы – уже не мастер, а потребитель, и, если нужно не более 0,5-1,5 кВт, то для него «бочка-загребушка» лакомый кусок:

• Ротор такого типа абсолютно безопасен, бесшумен, не создает вибраций и может быть установлен где угодно, хоть на детской площадке.
• Согнуть «корыта» из оцинковки и сварить каркас из труб – работа ерундовая.
• Вращение – абсолютно равномерное, детали механики можно взять самые дешевые или из хлама.
• Не боится ураганов – слишком сильный ветер не может протолкнуться в «бочку»; вокруг нее возникает обтекаемый вихревой кокон (мы с этим эффектом еще столкнемся).
• А самое главное – поскольку поверхность «загребушки» в несколько раз больше таковой ротора внутри, КИЭВ может быть и сверхединичным, а вращательным момент уже при 3 м/с у «бочки» трехметрового диаметра такой, что генератору на 1 кВт с предельной нагрузкой, как говорится, лучше и не дергаться.

Видео: ветрогенератор Ленца

В 60-х в СССР Е. С. Бирюков запатентовал карусельную ВСУ с КИЭВ 46%. Немного позже В. Блинов добился от конструкции на том же принципе КИЭВ 58%, но данных о ее испытаниях нет. А натурные испытания ВСУ Бирюкова были проведены сотрудниками журнала «Изобретатель и рационализатор». Двухэтажный ротор диаметром 0,75 м и высотой 2 м при свежем ветре раскручивал на полную мощность асинхронный генератор 1,2 кВт и выдерживал без поломки 30 м/с. Чертежи ВСУ Бирюкова приведены на рис.

1. ротор из кровельной оцинковки;
2. самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;
3. ванты – 5 мм стальной трос;
4. ось-древко – стальная труба с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;
5. рычаги аэродинамического регулятора оборотов;
6. лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или листовой пластик;
7. тяги регулятора оборотов;
8. груз регулятора оборотов, его вес определяет частоту вращения;
9. ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;
10. подпятник – упорно-опорный подшипник;
11. ведомый шкив – штатный шкив генератора;
12. генератор.

Бирюков на свою ВСУ получил сразу несколько авторских свидетельств. Во-первых, обратите внимание на разрез ротора. При разгоне он работает подобно ВС, создавая большой стартовый момент. По мере раскрутки во внешних карманах лопастей создается вихревая подушка. С точки зрения ветра, лопасти становятся профилированными, и ротор превращается в быстроходный ортогонал, причем виртуальный профиль меняется соответственно силе ветра.

Во-вторых, профилированный канал между лопастями в рабочем диапазоне скоростей работает как центральное тело. Если же ветер усиливается, то в нем также создается вихревая подушка, выходящая за пределы ротора. Возникает такой же вихревой кокон, как вокруг ВСУ с направляющим аппаратом. Энергия на его создание берется от ветра, и тому на поломку ветряка ее уже не хватает.

В-третьих, регулятор оборотов предназначен прежде всего для турбины. Он держит ее обороты оптимальными с точки зрения КИЭВ. А оптимум частоты вращения генератора обеспечивается выбором передаточного отношения механики.

Примечание: после публикаций в ИР за 1965 г. ВСУ Бирюкова канула в небытие. Ответа от инстанций автор так и не дождался. Судьба многих советских изобретений. Говорят, какой-то японец стал миллиардером, регулярно читая советские популярно-технические журналы и патентуя у себя все, заслуживающее внимания.

Лопастники

Как у сказано, по классике горизонтальный ветрогенератор с лопастным ротором – наилучший. Но, во-первых, ему нужен стабильный хотя бы средней силы ветер. Во-вторых, конструкция для самодельщика таит в себе немало подводных камней, из-за чего нередко плод долгих упорных трудов в лучшем случае освещает туалет, прихожую или крыльцо, а то и оказывается способен только раскрутить самого себя.

По схемам на рис. рассмотрим подробнее; позиции:

• Фиг. А:

1. лопасти ротора;
2. генератор;
3. станина генератора;
4. защитный флюгер (ураганная лопата);
5. токосъемник;
6. шасси;
7. поворотный узел;
8. рабочий флюгер;
9. мачта;
10. хомут под ванты.

• Фиг. Б, вид сверху:

1. защитный флюгер;
2. рабочий флюгер;
3. регулятор натяжения пружины защитного флюгера.

• Фиг. Г, токосъемник:

1. коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;
2. подпружиненные меднографитовые щетки.

Примечание: ураганная защита для горизонтального лопастника диаметром более 1 м совершенно необходима, т.к. создать вокруг себя вихревой кокон он не способен. При меньших размерах можно добиться выносливости ротора до 30 м/с с лопастями из пропилена.

Итак, где нас ждут «спотыки»?

Лопасти

Рассчитывать добиться мощности на валу генератора более 150-200 Вт на лопастях любого размаха, вырезанных из толстостенной пластиковой трубы, как часто советуют – надежды беспросветного дилетанта. Лопасть из трубы (если только она не настолько толстая, что используется просто как заготовка) будет иметь сегментный профиль, т.е. его верхняя, или обе поверхности будут дугами окружности.

Сегментные профили пригодны для несжимаемой среды, скажем, для подводных крыльев или лопастей гребного винта. Для газов же нужна лопасть переменного профиля и шага, для примера см. рис.; размах – 2 м. Это будет сложное и трудоемкое изделие, требующее кропотливого расчета во всеоружии теории, продувок в трубе и натурных испытаний.

Генератор

При насадке ротора прямо на его вал штатный подшипник скоро разобьется – одинаковой нагрузки на все лопасти в ветряках не бывает. Нужен промежуточный вал со специальным опорным подшипником и механическая передача от него на генератор. Для больших ветряков опорный подшипник берут самоустанавливающийся двухрядный; в лучших моделях – трехъярусный, Фиг. Д на рис. выше. Такой позволяет валу ротора не только слегка изгибаться, но и немного смещаться из стороны в сторону или вверх-вниз.

Примечание: на разработку опорного подшипника для ВСУ типа EuroWind ушло около 30 лет.

Аварийный флюгер

Принцип его работы показывает Фиг. В. Ветер, усиливаясь, давит на лопату, пружина растягивается, ротор перекашивается, обороты его падают и в конце концов он становится параллельно потоку. Вроде бы все хорошо, но – гладко было на бумаге…

Попробуйте в ветреный день удержать за ручку параллельно ветру крышку от выварки или большой кастрюли. Только осторожно – вертлявая железяка может садануть по физиономbии так, что расквасит нос, рассечет губу, а то и выбьет глаз.

Плоский ветер бывает только в теоретических выкладках и, с достаточной для практики точностью, в аэродинамических трубах. Реально же ураган ветряки с ураганной лопатой корежит больше, чем вовсе беззащитные. Лучше все-таки менять исковерканные лопасти, чем делать заново все. В промышленных установках – другое дело. Там шаг лопастей, по каждой в отдельности, отслеживает и регулирует автоматика под управлением бортового компьютера. И делаются они из сверхпрочных композитов, а не из водопроводных труб.

Токосъемник

Это – регулярно обслуживаемый узел. Любой энергетик знает, что коллектор со щетками нужно чистить, смазывать, регулировать. А мачта – из водопроводной трубы. Не залезешь, раз в месяц-два придется весь ветряк валить на землю и потом опять поднимать. Сколько он протянет от такой «профилактики»?

Видео: лопастной ветрогенератор + солнечная панель для электроснабжения дачи

Мини и микро

Но с уменьшением размеров лопастника трудности падают по квадрату диаметра колеса. Изготовление горизонтальной лопастной ВСУ своими силами на мощность до 100 Вт уже возможно. Оптимальным будет 6-лопастный. При большем количестве лопастей диаметр ротора, рассчитанного на ту же мощность, будет меньше, но их окажется трудно прочно закрепить на ступице. Роторы о менее чем 6 лопастях можно не иметь в виду: 2-лопастнику на 100 Вт нужен ротор диаметром 6,34 м, а 4-лопастнику той же мощности – 4,5 м. Для 6-лопастного зависимость мощность – диаметр выражается следующим образом:

• 10 Вт – 1,16 м.
• 20 Вт – 1,64 м.
• 30 Вт – 2 м.
• 40 Вт – 2,32 м.
• 50 Вт – 2,6 м.
• 60 Вт – 2,84 м.
• 70 Вт – 3,08 м.
• 80 Вт – 3,28 м.
• 90 Вт – 3,48 м.
• 100 Вт – 3,68 м.
• 300 Вт – 6,34 м.

Оптимальным будет рассчитывать на мощность 10-20 Вт. Во-первых, лопасть из пластика размахом более 0,8 м без дополнительных мер защиты не выдержит ветер более 20 м/с. Во-вторых, при размахе лопасти до тех же 0,8 м линейная скорость ее концов не превысит скорость ветра более чем втрое, и требования к профилировке с круткой снижаются на порядки; здесь уже вполне удовлетворительно будет работать «корытце» с сегментным профилем из трубы, поз. Б на рис. А 10-20 Вт обеспечат питание планшетки, подзарядку смартфона или засветят лампочку-экономку.

Далее, выбираем генератор. Отлично подойдет китайский моторчик – ступица колеса для электровелосипедов, поз. 1 на рис. Его мощность как мотора – 200-300 Вт, но в режиме генератора он даст примерно до 100 Вт. Но подойдет ли он нам по оборотам?

Показатель быстроходности z для 6 лопастей равен 3. Формула для расчета скорости вращения под нагрузкой – N = v/l*z*60, где N – частота вращения, 1/мин, v – скорость ветра, а l – длина окружности ротора. При размахе лопасти 0,8 м и ветре 5 м/с получаем 72 об/мин; при 20 м/с – 288 об/мин. Примерно с такой же скоростью вращается и велосипедное колесо, так что свои 10-20 Вт от генератора, способного дать 100, мы уж снимем. Можно ротор сажать прямо на его вал.

Но тут возникает следующая проблема: мы, потратив немало труда и денег, хотя бы на моторчик, получили… игрушку! Что такое 10-20, ну, 50 Вт? А лопастный ветряк, способный запитать хотя бы телевизор, дома не сделаешь. Нельзя ли купить готовый мини-ветрогенератор, и не обойдется ли он дешевле? Еще как можно, и еще как дешевле, см. поз. 4 и 5. Кроме того, он будет еще и мобильным. Поставил на пенек – и пользуйся.

Второй вариант – если где-то валяется шаговый двигатель от старого 5- или 8-дюймового дисковода, или от привода бумаги или каретки негодного струйного или матричного принтера. Он может работать как генератор, и приделать к нему карусельный ротор из консервных банок (поз. 6) проще, чем собирать конструкцию наподобие показанной на поз. 3.

В целом по «лопастникам» вывод однозначен: самодельные – скорее для того, чтобы помастерить всласть, но не для реальной долговременной энергоотдачи.

Видео: простейший ветрогенератор для освещения дачи

Парусники

Парусный ветрогенератор известен давно, но мягкие полотнища его лопастей (см. рис.) начали делать с появлением высокопрочных износостойких синтетических тканей и пленок. Многолопастные ветряки с жесткими парусами широко разошлись по миру как привод маломощных автоматических водокачек, но их техданные ниже даже чем у каруселей.

Однако мягкий парус как крыло ветряка, похоже, оказался не так-то прост. Дело не в ветроустойчивости (производители не ограничивают максимально допустимую скорость ветра): яхсменам-парусникам и так известно, что ветру разорвать полотнище бермудского паруса практически невозможно. Скорее шкот вырвет, или мачту сломает, или вся посудина сделает «поворот оверкиль». Дело в энергетике.

К сожалению, точных данных испытаний не удается найти. По отзывам пользователей удалось составить «синтетические» зависимости для установки ВЭУ-4.380/220.50 таганрогского производства с диаметром ветроколеса 5 м, массой ветроголовки 160 кг и частотой вращения до 40 1/мин; они представлены на рис.

Разумеется, ручательств за 100% достоверность быть не может, но и так видно, что плоско-механистической моделью тут и не пахнет. Никак не может 5-метровое колесо на плоском ветре в 3 м/с дать около 1 кВт, при 7 м/с выйти на плато по мощности и далее держать ее до жестокого шторма. Производители, кстати, заявляют, что номинальные 4 кВт можно получить и при 3 м/с, но при установке их силами по результатам исследований местной аэрологии.

Количественной теории также не обнаруживается; пояснения разработчиков маловразумительны. Однако, поскольку таганрогские ВЭУ народ покупает, и они работают, остается предположить, что заявленные коническая циркуляция и пропульсивный эффект – не фикция. Во всяком случае, возможны.

Тогда, выходит, ПЕРЕД ротором, по закону сохранения импульса, должен возникнуть тоже конический вихрь, но расширяющийся и медленный. И такая воронка будет сгонять ветер к ротору, его эффективная поверхность получится больше ометаемой, а КИЭВ – сверхединичным.

Пролить свет на этот вопрос могли бы натурные измерения поля давления перед ротором, хотя бы бытовым анероидом. Если оно окажется выше, чем с боков в стороне, то, действительно, парусные ВСУ работают, как жук летает.

Самодельный генератор

Из сказанного выше ясно, что самодельщикам лучше браться или за вертикалки, или за парусники. Но те и другие очень медленные, а передача на быстроходный генератор – лишняя работа, лишние затраты и потери. Можно ли сделать эффективный тихоходный электрогенератор самому?

Да, можно, на магнитах из ниобиевого сплава, т. наз. супермагнитах. Процесс изготовления основных деталей показан на рис. Катушки – каждая из 55 витков медного 1 мм провода в термостойкой высокопрочной эмалевой изоляции, ПЭММ, ПЭТВ и т.п. Высота обмоток – 9 мм.

Обратите внимание на пазы под шпонки в половинах ротора. Они должны быть расположены так, чтобы магниты (они приклеиваются к магнитопроводу эпоксидкой или акрилом) после сборки сошлись разноименными полюсами. «Блины» (магнитопроводы) должны быть изготовлены из магнитомягкого ферромагнетика; подойдет обычная конструкционная сталь. Толщина «блинов» — не менее 6 мм.

Вообще-то лучше купить магниты с осевым отверстием и притянуть их винтами; супермагниты притягиваются со страшной силой. По этой же причине на вал между «блинами» надевается цилиндрическая проставка высотой 12 мм.

Обмотки, составляющие секции статора, соединяются по схемам, также приведенным на рис. Спаянные концы не должны быть натянуты, но должны образовывать петли, иначе эпоксидка, которой будет залит статор, застывая, может порвать провода.

Заливают статор в изложнице до толщины 10 мм. Центрировать и балансировать не нужно, статор не вращается. Зазор между ротором и статором – по 1 мм с каждой стороны. Статор в корпусе генератора нужно надежно зафиксировать не только от смещения по оси, но и от проворачивания; сильное магнитное поле при токе в нагрузке будет тянуть его за собой.

Видео: генератор для ветряка своими руками

Вывод

И что же мы имеем напоследок? Интерес к «лопастникам» объясняется скорее их эффектным внешним видом, чем действительными эксплуатационными качествами в самодельном исполнении и на малых мощностях. Самодельная карусельная ВСУ даст «дежурную» мощность для зарядки автоаккумулятора или энергоснабжения небольшого дома.

А вот с парусными ВСУ стоит поэкспериментировать мастерам с творческой жилкой, особенно в мини-исполнении, с колесом 1-2 м диаметром. Если предположения разработчиков верны, то с такого можно будет снять, посредством описанного выше китайского движка-генератора, все его 200-300 Вт.

Андрей сказал(а):

Спасибо за вашу бесплатную консультацию…А цены «от фирм»не реально дороги,и я думаю,что мастеровые люди из глубинки смогут сделать генераторы подобные вашему.А аккамуляторы Li-po можно выписать из Китая,инверторы в Челябинске делают очень хорошие (с плавным синусом).А паруса,лопасти или роторы — это очередной повод для полёта мысли наших рукастых Русских мужиков.

Иван сказал(а):

вопрос:
Для ветряков с вертикальной осью(позиция 1) и варианта «Ленца» возможно добавить дополнительную деталь — крыльчатку,выставляющуюся по ветру, и закрывающую от него же бесполезную сторону(идущую в сторону ветра). То есть ветер будет не лопасть тормозить, а этот «экран». Постановка по ветру «хвостом», находящимся за самим ветряком ниже и выше лопостей(гребней). Читал статью и родилась идея.

Нажимая кнопку «Добавить комментарий», я соглашаюсь с сайта.

Для сборки мощного самодельного генератора электроэнергии нам потребуется старый без восьмёрок на заднем колесе. Чем больше максимальное передаточное отношение, тем лучше. Из-за особенностей посадки предпочтительнее женские велосипеды, но их сложнее найти. 28-дюмовое колесо и передняя звёздочка на 52 зуба будут неплохим вариантом, но мой первый самодельный педальный генератор электричества был с 26-дюймовым колесом и звёздочкой на 46 зубов и он работал без проблем. Будет задействована только самая высокая передача, так что можно избавиться от переключателя передач. Снимите с все остальные ненужные детали — тормоза, переднее колесо, и т. д. можно сохранить, чтобы было за что держаться и было где закрепить выключатель, и вольтметр. Так как мы избавились от переднего колеса, то для установки велосипеда потребуется сделать подставку из металла, дерева или чего-то другого, чтобы заднее колесо не касалось земли.

Если вы используете генератор переменного тока K1 (используется на таких автомобилях, как Форд Fiesta, Escort, Granada, Воксхолл, Опель), то он часто идёт в комплекте с двухразмерным шкивом. Генераторов Lucas нужно избегать, так как они не так эффективны как генераторы Bosch и Motorola. Обратите внимание на автомобили с большими двигателями, в которых генераторы переменного тока рассчитаны на работу на низких оборотах. Генераторы Ford/Bosch N1 можно найти на автомобилях Sierra и Volvo. Они качественные, но немного больше и тяжелее за K1. Убедитесь, что вы купили автономный генератор, не требующий внешнего блока управления, так как некоторые японские генераторы поставляются без него. Лучше купить генератор с двумя большими клеммами и одной маленькой. Две большие клеммы подсоединятся вместе и служат плюсом, маленькая подсоединяется к индикаторной лампочке, а 5-миллиметровая клемма заземления соединяется с корпусом и служит минусом. После покупки неплохо будет провести базовый тест генератора. Для того, чтобы проверить работает ли генератор, можно использовать маленькую лампочку, которая у нас далее будет выступать в роли иникатора заряда. Если генератор переменного тока прошёл тест, то это ещё не значит, что он способен генерировать электричество. Но таким способом можно выявить самые распространённые недостатки: проблемы с предохранителем, блоком диодов, изношенные щётки. Эти неисправности можно устранить, позаимствовав запчасти у других сломанных генераторов с целыми диодными и управляющими блоками и т. д. Не выбрасывайте ржавые или грязные генераторы переменного тока. Если они прошли тесты, то они скорей всего они работоспособны.

Почистите генератор, предварительно сняв охлаждающий вентилятор (он шумный и не нужен). Закрепите генератор на кронштейне сзади сидения, так чтобы его шпиндель находился на 10 - 12 см кнаружи от обода, как показано на картинке ниже.

С помощью ленты или кабеля измерьте требуемую окружность ремня. Она равна приблизительно 82 дюймам. В автомагазине купите ремень A82 «V». Они выпускаются с шагом один дюйм, стоят около 500 рублей, также используются в сельскохозяйственной технике. На 26-дюймовых колёсах можно использовать ремни A78 и на 27-дюймовых — ремни A80. Ещё лучше купить ремень зубчатого типа, например, Goodyear Extraflex.

Такие ремни легче изгибаются вокруг небольших шкивов, что по сравнению со сплошным ремнём значительно снижает механические потери. Регулировка натяжения генератора переменного тока, установленного на автомобиле, осуществляется с помощью специальной пластины с прорезью. Вместо неё будем использовать пружинный натяжитель, предназначенный для сглаживания неровностей колеса. Так как требуется очень низкий вращающий момент, то не нужно сильно затягивать ремень. Сильно затянутый ремень увеличивает потери на трение. Если у вас шкив от K1, то после стабилизации его движения подсчитайте количество оборотов генератора за один поворот колеса — больше 45 хорошо, а 60 вообще идеально. Если вы купили разборный шкив K1, разберите его и между двумя тарелками положите прокладку, чтобы ремень прошёл дальше внутрь. Это позволит увеличить скорость.

После завершения механических работ при условии использования генератора в публичных местах, нужно обеспечить защиту всем движущимся частям. Маленьких детей привлекают блестящие движущиеся предметы — колесо и обод, а человек сидящий за генератором не видит, что происходит сзади! Даже несмотря на то, что не требуются передачи, не спешите избавляться от переключателя. Он натягивает цепь и в случае попадания пальца между цепью и звёздочкой можно отделаться только лёгким ушибом, тогда как без переключателя дело может дойти до ампутации.

Версия мощного педального генератора, описанная выше — «вертикальный велосипед на этажерке» — самый простой и очевидный способ создания самодельного генератора, но также несложно сделать версию на основе кресла. Дополнительно потребуется только дешёвое пластмассовое стуло, какая-нибудь подставка для ног, часть старого каркаса от палатки, две трубы большого диаметра (вставляются друг в друга) или регулятор высоты от вращающегося кресла. Если вы разрезаете офисное кресло, то берите только старые механические кресла без воздушных пружин, которые могут представлять опасность при разрезании и сверлении! Генераторы проще перевозить, если сделать их разборными посередине. Также можно избавится от натягивающей ремень пружины, прикрепив генератор так, чтобы ремень натягивался под своим собственным весом.

В сравнении с генератором на базе велотренажёра у генератора на основе шоссейного велосипеда есть недостаток, заключающийся в слабом эффекте маховике. Эту проблема решается с помощью дополнительного веса, который крепиться к ободу болтами диаметром 4 мм. Придайте грузу U-образный вид (выпуклостью наружу). Проследите, чтобы у груза не было никакой возможности оторваться. Не перестарайтесь с грузом! Я видел однажды как развалился нагруженный свинцом обод!

В продолжении статьи мы рассмотрим .

Я покажу как собрать простой, но достаточно мощный, генератор на 220 вольт.

Потребуется:

- коллекторный мотор, можно другой на 12 вольт
- насадка на ось мотора - патрон от дрели
- бесперебойник UPS или инвертор с 12 на 220
- диод на 10 ампер: Д214, Д242, Д215, Д232, КД203 и т. д.
- провода
- велосипед
- и желательно аккумулятор на 12 вольт

Сборка:

- закрепляем велосипед так, что бы заднее колесо крутилось свободно, вывешиваем его
- прикручиваем патрон на ось мотора
- крепим мотор так, что бы патрон плотно прижимался к колесу, можно подтянуть его пружиной
- подключаем мотор к аккумулятору: минусовой провод мотора к минусу аккумулятора, плюсовой провод мотора к аноду диода, катод диода к плюсу аккумулятора
- аккумулятор соединяем с бесперебойником или с инвертором
Всё! К бесперебойнику можно подключать потребители на 220 вольт и пользоваться электричеством! Как только аккумулятор разрядится, достаточно будет покрутить педали и примерно через час аккумулятор зарядится.

Где взять детали?

- мотор можно купить в автомобильном магазине: мотор вентилятора охлаждения. Стоит не дорого. А если хочешь почти даром, тогда его можно скрутить на пункте приёма металла, из старого авто.
- бесперебойник от персонального ПК, можно старый с негожим внутренним аккумулятором. Или инвертор 12 - 220, продаётся в автомобильных магазинах.
- диод на 10 ампер, например: Д305, Д214, Д242, Д243, Д245, Д215, Д232,
Д246, Д203, Д233, КД210, КД203 и т. д. Продаётся в магазинах радио запчастей. Или можно его выкрутить из старой техники.

Мой опыт:

Несколько месяцев я пользовался этим генератором и он показал довольно не плохие результаты! Зарядный ток аккумулятора был примерно 10 ампер и зависел от того как крутить педали. Если крутить не спеша, получалось 5 ампер, если крутить максимально быстро, то 20 ампер. Средняя мощность генератора - 120 ватт. В основном пользовался потребителями малой мощности:

3 Вт - зарядка телефона
- 5 Вт - радио приёмник
- 7 Вт - зарядка и пользование планшетом
- 10 Вт - зарядное фотоаппарата, фонарика и видеокамеры
- 12 Вт - энергосберегающая лампочка
- 30 Вт - музыкальный центр
- 40 Вт - ноутбук
- 70 Вт - телевизор (включал редко)

Мне хватало заряда почти на день, после чего я в течении часа крутил педали и вновь можно было пользоваться электричеством.

Если кто знает другие методы добычи электричества в домашних условиях делитесь в комментариях.

Энергия электрического тока, входя внутрь асинхронного двигателя, легко переходит в энергию движения на выходе из него. А что делать, если требуется обратное превращение? В таком случае можно соорудить самодельный генератор из асинхронного двигателя. Только функционировать будет он в другом режиме: за счет совершения механической работы начнет вырабатываться электричество. Идеальное решение – перевоплощение в ветрогенератор – источник бесплатной энергии.

Экспериментально доказано, что магнитное поле создается переменным электрическим полем. На этом и основан принцип действия асинхронного двигателя, конструкция которого включает в себя:

• Корпус – это то, что мы видим снаружи;
• Статор – неподвижная часть электродвигателя;
• Ротор – элемент, приводящийся в движение.

У статора главный элемент – обмотка, на которую подается переменное напряжение (принцип действия не на постоянных магнитах, а на магнитном поле, повреждающемся переменным электрическим). В роли ротора выступает цилиндр с пазами, в которые уложена намотка. Но поступающий на нее ток имеет противоположное направление. В результате образуется два переменных электрических поля. Каждое из них создает по магнитному полю, которые начинают взаимодействовать между собой. Но устройство статора таково, что он не может двигаться. Поэтому результатом взаимодействия двух магнитных полей становится вращение ротора.

Конструкция и принцип действия электрогенератора

Опытами подтверждается и то, что магнитное поле создает переменное электрическое поле. Ниже показана схема, которая доступно иллюстрирует принцип действия генератора.

Если металлическую рамку поместить и повращать в магнитном поле, то пронизывающий ее магнитный поток начнет меняться. Это приведет к образованию индукционного тока внутри рамки. Если соединить концы с потребителем тока, к примеру, с электрической лампой, то можно наблюдать ее свечение. Это говорит о том, что механическая энергия, затрачиваемая на вращение рамки внутри магнитного поля, превратилась в электрическую энергию, которая помогла загореться лампе.

Конструктивно электрогенератор состоит их тех же частей, что и электродвигатель: из корпуса, статора и ротора. Разница заключается лишь в принципе действия. Не ротор приводится в движение от магнитного поля, создаваемого электрическим в статорной намотке. А появляется электрический ток в обмотке статора за счет изменения магнитного потока, пронизывающего ее, благодаря принудительному вращению ротора.

От электродвигателя к электрогенератору

Жизнь человека сегодня немыслима без электричества. Поэтому всюду строятся электростанции, преобразующие энергию воды, ветра и атомных ядер в электрическую энергию. Она стала универсальной, потому что ее можно преобразовать в энергию движения, тепла и света. Это стало причиной массового распространения электродвигателей. Электрогенераторы менее популярны, потому что электричеством государство снабжает централизованно. Но все же иногда случается, что электроэнергия отсутствует, и получить ее неоткуда. В таком случае вам поможет генератор из асинхронного двигателя.

Мы уже говорили выше, что конструктивно электрогенератор и двигатель похожи друг на друга. Отсюда возникает вопрос: нельзя ли это чудо техники использовать в качестве источника как механической, так и электрической энергии? Оказывается, можно. И мы расскажем, как своими руками переделать мотор в источник тока.

Смысл переделки

Если понадобился электрогенератор, зачем его делать из двигателя, если можно купить новое оборудование? Однако качественная электротехника – удовольствие не из дешевых. И если у вас есть не использующийся в данный момент мотор, почему бы ему не сослужить добрую службу? Путем простых манипуляций и с минимальными затратами вы получите отличный источник тока, который сможет питать приборы, обладающие активной нагрузкой. К таким относятся компьютерная, электронная и радиотехника, обыкновенные лампы, обогреватели и сварочные преобразователи.

Но экономия – не единственный плюс. Преимущества электрического генератора тока, сооруженного из асинхронного электродвигателя:

• Конструкция проще, чем у синхронного аналога;
• Максимальная защита внутренностей от влаги и пыли;
• Высокая устойчивость к перегрузкам и короткому замыканию;
• Почти полное отсутствие нелинейных искажений;
• Клирфактор (величина, выражающая неравномерность вращения ротора) не более 2%;
• Обмотки во время работы статичны, поэтому долго не изнашиваются, увеличивая эксплуатационный срок;
• Выработанное электричество сразу обладает напряжением 220В или 380В в зависимости от того, какой двигатель вы решили переделать: однофазный или трехфазный. Это значит, что к генератору можно напрямую подключать потребителей тока, без инверторов.

Даже если электрогенератор не сможет полностью обеспечить ваши нужды, его можно использовать совместно с централизованным электроснабжением. В этом случае речь снова идет об экономии: платить придется меньше. Выгода будет выражаться в разности, полученной путем вычитания выработанного электричества из суммы потребленной электроэнергии.

Что нужно для переделки?

Чтобы своими руками смастерить генератор из асинхронного двигателя, нужно сначала понять, что мешает преобразованию электрической энергии из механической. Напомним, что для образования индукционного тока необходимо наличие изменяющегося со временем магнитного поля. При работе оборудования в режиме мотора оно создается и в статоре, и в роторе за счет питания от сети. Если же перевести технику в режим генератора, окажется, что магнитного поля нет совсем. Откуда же ему взяться?

После работы оборудования в режиме двигателя ротор сохраняет остаточную намагниченность. Именно она от принудительного вращения вызывает индукционный ток в статоре. А для того чтобы магнитное поле сохранялось, потребуется установка конденсаторов, которые обладает током емкостным. Именно он будет поддерживать намагниченность за счет самовозбуждения.

С вопросом, откуда взялось исходное магнитное поле, мы разобрались. Но как приводить в движение ротор? Конечно, если вы раскрутите его своими руками, можно будет питать небольшую лампочку. Но вряд ли результат удовлетворит вас. Идеальное решение – превращение мотора в ветрогенератор, или ветряк.

Так называют устройство, преобразующее кинетическую энергию ветра в механическую, а затем – в электрическую. Ветрогенераторы снабжены лопастями, которые при встрече с ветром приводятся в движение. Вращаться они могут как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

От теории к практике

Соорудим ветрогенератор из мотора своими руками. Для простого понимания к инструкции прилагаются схемы и видео. Вам понадобятся:

• Устройство для передачи энергии ветра к ротору;
• Конденсаторы на каждую обмотку статора.

Сформулировать правило, по которому бы вы могли с первого раза подобрать устройство для улавливания ветра, сложно. Тут нужно руководствоваться тем, что при работе техники в генераторном режиме частота вращения ротора должна быть выше на 10%, чем при работе в качестве двигателя. Учитывать нужно частоту не номинальную, а холостого хода. Пример: номинальная частота 1000 оборотов, а в холостом режиме – 1400. Тогда для выработки тока понадобится частота, равная примерно 1540 оборотам в минуту.

Подбор конденсаторов по емкости производится по формуле:

C – искомая емкость. Q – скорость вращения ротора в оборотах в минуту. П – число «пи», равное 3,14. f – фазовая частота (постоянная величина для России, равная 50 Герцам). U – напряжение в сети (220, если одна фаза, и 380, если три).

Пример расчета : трехфазный ротор вращается со скоростью 2500 оборотов в минуту. Тогда C = 2500/(2*3,14*50*380*380)=56 мкФ.

Внимание! Не подбирайте емкость больше расчетной величины. Иначе будет высоким активное сопротивление, что приведет к перегреву генератора. Это может произойти и тогда, когда устройство будет запускаться без нагрузки. В таком случае будет полезно уменьшить емкость конденсатора. Чтобы это было просто сделать своими руками, ставьте емкость не цельную, а сборную. Например, 60 мкФ можно составить из 6 штук по 10 мкФ, соединенных параллельно друг другу.

Как соединять?

Рассмотрим, как сделать генератор из асинхронного двигателя, на примере трехфазного мотора:

1. Соедините вал с устройством, приводящим во вращение ротор за счет энергии ветра;
2. Подключите конденсаторы по схеме треугольник, вершины которого соедините с концами звезды или вершинами треугольника статора (зависит от типа соединения намоток);
3. Если на выходе требуется напряжение 220 Вольт, соедините статорные намотки в треугольник (конец первой обмотки – с началом второй, конец второй – с началом третьей, конец третьей – с началом первой);
4. Если вам нужно запитать приборы от 380 Вольт, то для соединения статорных обмоток подойдет схема «звезда». Для этого соедините начало всех намоток вместе, а концы подключите к соответствующим емкостям.

Пошаговая инструкция о том, как сделать своими руками однофазный ветрогенератор малой мощности:

1. Вытащите из старой стиральной машины электродвигатель;
2. Определите рабочую намотку и подключите параллельно ей конденсатор;
3. Обеспечьте вращение ротора за счет энергии ветра.

Получится ветряк, как на видео, и он выдаст 220 Вольт.

Для электроприборов, питающихся от постоянного тока, дополнительно потребуется установка выпрямителя. А если вы заинтересованы в контроле параметров источника питания, установите на выходе амперметр и вольтметр.

Совет! Ветрогенераторы в связи с отсутствием постоянного ветра могут иногда прекращать работу или работать не в полную силу. Поэтому удобно организовать собственную электростанцию. Для этого ветряк подключают во время ветряной погоды к аккумулятору. Накопленную электроэнергию можно будет использовать во время штиля.

В этом проекте мы рассмотрим, как можно собрать простой бензиновый генератор своими руками из недорогих комплектующих. Автор сделал все на базе бензинового двигателя от газонокосилки, а также постоянном двигателе, который используется в качестве генератора электричества. Такой генератор нужен для того, чтобы заряжать аккумуляторы, когда солнечные панели или воздушные винты не выдают нужного количества энергии.

Что касается реальных технических данных самоделки , то устройство имеет на выходе 12В/16А.

Однако истинной целью автора является создание установки, благодаря которой будет образовываться биогаз. Вероятно, планируется питать этот или подобный генератор таким газом и получать бесплатную электроэнергию. Также подобный генератор можно запустить и на древесном газу, если создать установку для его добычи.

Материалы и инструменты для самоделки:
- бензиновый двигатель (подойдет от газонокосилки);
- двигатель постоянного тока на 90В (можно встретить в беговых дорожках и так далее);
- шкивы и ремень;
- U-образные болты с гайками;
- кусок пластика или другой материал для создания крепления под двигатель (генератор);
- шарнир (нужен для того, чтобы ремень можно было натянуть);
- дрель, режущий инструмент и другое.

Процесс изготовления генератора:

Шаг 1. Подготовка двигателя
Если двигатель был приобретен в использованном состоянии, то его нужно будет настроить, а возможно и отремонтировать. При покупке важно замерить степень сжатия, если это возможно. Если она окажется плохой, то двигатель будет слабо работать и потреблять много топлива. Также нужно будет тщательно настроить карбюратор.

С газонокосилки нужно снять лезвие, защитное крыло и другие элементы, которые не важны и будут мешать. Как правило, снимается здесь все довольно просто, понадобятся гаечные ключи и отвертки.

Шаг 2. Устанавливаем электрический генератор (двигатель постоянного тока)
Для того чтобы закрепить генератор, автору понадобился толстый кусок жесткого пластика. Он был вырезан по размеру и прикручен болтами в виде буквы «U». Для таких целей также отлично подойдет металл или древесина, но с пластиком легче всего работать.

Далее понадобится немного энтузиазма, чтобы собрать шарнир, на котором будет держаться двигатель. С помощью этого шарнира двигатель можно будет поднимать или опускать, тем самым настраивая натяжение ремня. Для таких целей подходит дверная петля. Для надежности лучше всего использовать одновременно две петли, и выбирать нужно покрепче.

Для удобного натяжения ремня, автор делает ручку, которую подсоединяет к двигателю (генератору). На месте крепления ручки есть пластина с рядом отверстий, которые и позволят фиксировать ручку под заданным углом. Помимо всего прочего эта ручка работает как сцепление, это нужно для более простого запуска бензинового двигателя.

Если вы будете использовать пластик или тонкий металл, не следует слишком сильно затягивать винты, так как материал может выгнуться, так произошло у автора.

Шаг 3. Тестируем генератор
В первую очередь, чтобы запустить генератора, надо опустить ручку натяжения ремня, тем самым ослабив его. Теперь нужно завести бензиновый двигатель. Когда он прогреется, можно поднимать ручку назад, теперь ремень натянется, и электромотор начнет вырабатывать ток.

Здесь важно выбрать оптимальные обороты бензинового двигателя. Во-первых, от оборотов зависит то, какое напряжение вырабатывает генератор. А во-вторых, от этого зависит расход топлива.

В качестве тестирования генератора автор взял блок из лампочек на 12В в количестве 20 штук, каждая лампа потребляет 2 А. Сем больше будет включено ламп, тем больше нагрузка будет идти на генератор. Если включить все лампы, нагрузка составит 40 А, однако это слишком много и даже не нужно для такого генератора.

Изначально было подключено 4 лампы, нагрузка составила 8 А, и генератор ее без труда выдержал, лампы горели ярко. Такого напряжения вполне хватит, чтобы заряжать аккумулятор. Позже автор выкрутил еще 2 лампы, то есть нагрузка составила 10А. Теоретически такой генератор может выдавать и более 10А, но опыт показал, что при большей нагрузки двигатель начинает барахлить. Возможно, это потому, что он старый и требует ремонта. В принципе, ему можно поднять степень сжатия и залить синтетическое масло для повышения производительности.

Шаг 4. Зарядка аккумулятора
Важно отметить, что при зарядке от такого генератора в цепи должен находиться диод. Он будет препятствовать направлению тока к двигателю, и как следствие потерям. Автор такой диод не использовал, поскольку у него имеется специальный контроллер для заряда батарей от подобных источников, в этом контроллере уже есть защитный диод. Помимо этого контроллер препятствует перезарядке аккумулятора и как следует их порче. Кстати, контроллер автор тоже собрал своими руками.