Самодельный вертикальный ветряк

Как я уже писал ранее, в 2008 году я обзавелся своей первой солнечной батареей. Она исправно снабжает меня электричеством и по сей день. Однако зимой, как и следовало ожидать — её эффективность падает в 20-22 раза. Т. е. летняя мощность в 120 Вт превращается зимой в 6 Вт (в пасмурную погоду). А у меня одна светодиодная лампа потребляет 6Вт, а ещё ноутбук 90Вт... Вот тут-то я вспомнил об идее ветряка, которую обдумывал раньше. Явно было пора идею превращать в жизнь.

Итак, в 2009 году я серьезно погрузился в интернет. Сначала поиски были направлены на парусный ветряк. У меня накопилось довольно много материала по ним — фотографии, видео, чертежи деталей. Кроме того, я довольно здорово поднял свой уровень знаний по аэродинамике, теории потоков, теории парусов и вообще всей этой воздушной физике. Сухой остаток этой поисковой работы был следующий: парусный ветряк — довольно затратное по деньгам, времени и сложности изготовления дело. Маленький парусным ветряк не бывает, нормальный диаметр лопастей начинается от 5м. Да, эти ветряки эффективны, но использовать их для зарядки аккумулятора — всё равно что забивать микроскопом гвозди. Нормальное применение парусных ветряков — обогрев дома или теплицы. Честно, я был не готов к такому масштабному проекту. Во всяком случае — пока. Я понял что хочу что-то более простое, пусть и менее мощное. Но что?

Тема строительства ветряка оказалась близка многим нашим соседям. Многие тоже включились в поиск оптимальной технологии. Ближе к осени 2009г. Никита дал мне подсказку посмотреть на Youtube-видео про вертикальный ветряк, сделанный по технологии «Савониус» - из двух половинок пластиковой бочки. Да, я быстро нашёл нужное видео. И по мне это оказалось — то что нужно! Вот он — тихоходный, недорогой, вертикально-осевой ветряк, подобие которых в Америке строят самодельщики чуть ли не на каждой ферме. И так, с видом ветряка я определился, и стал дальше накапливать информацию по «Савониусам».

В целом, вертикально-осевой (да и в общем-то любой) ветряк состоит из: собственно ротора ветряка (как бы лопасти) — то что вращается под действием ветра, генератора — то, что преобразует механическую энергию кручения ротора в электрическую, и электронной частью, которая включает в себя всякие выпрямители, преобразователи и контроллеры заряда. Да, и конечно нельзя забывать про вышку, или то, что её заменяет — в общем конструкцию, на которой ветряк вращается.

В конце-концов у меня наконец стал вырисовываться проект. И почти под конец осени я был готов к первым практическим шагам. Вот какие требования я предъявлял ветряку: ветряк должен начать вырабатывать электроэнергию уже при ветре 4 м/c. Поскольку я собирался заряжать аккумуляторы, то генератор ветряка должен был вырабатывать постоянный ток, номиналом 12В. Ветряк должен быть тихоходным. А так же дешев и прост в изготовлении.

Кстати, сразу хочу прояснить вопрос — а почему именно самодельный ветряк, а не покупной. Первым делом я конечно просканировал все имеющиеся предложения по ветрякам. В основном — это горизонтально-осевые ветряки, поднятые на мачте, с лопастями - «вертушками». Их мощность впечатляла, но на номинал они выходили лишь с 12 м/c. Стоимость 500Вт ветряка составляла 1000$. Тихоходные ветряки — будь-то парусные, «савониусы» или «дарье» - в основном самоделки.

Для тех, кто не хочет читать всю статью сразу напишу о результатах. На сегодняшний день (осень 2011г) я таки построил ветряк, и есть опыт круглогодичного его использования. Мощность при ветре 7-8 м/c ~ 50Вт. Дальше мощность только растет, но — к сожалению у нас такие ветра в редкость. Стоимость всей конструкции (включая электронную) — около 15000 руб. Ветряк действительно работает бесшумно. «Ловит» малейший ветер, но электроэнергию начинает выдавать при скорости — 60 оборотов в минуту (RPM). Честно, не имея в наличии точный анемометр (прибор для измерения скорости ветра), сложно провести точную параллель между получаемой электроэнергией и скоростью ветра, но это — примерно 5-6 м/c. Стоило ли заниматься всем этим? Я получил работающий ветряк, здорово поднял физику в этой теме, работа была интересной и творческой. В целом — я не жалею ни потраченного времени ни потраченных денег.

Подытожу моё заключение мотивацией выбора конструкции ротора и генератора ветряка.

Основные типы роторов ветряков такие: с лопастями как у самолета (вертушки, «Классика»), горизонтально-осевые; с лопастями из листового материала, согнутые особым образом («Савониус»), ветрикально-осевые; с лопастями как у самолета но вертикально-осевые («Дарье»), с лопастями — парусами, натянутыми на спицы, горизонтально-осевые.

Конструкция горизонтально-осевых предполагает размещение генератора в непосредственной близости от ротора (т. е. наверху вышки). Встаёт вопрос о необходимости поворота ветряка по ветру, и, как следствие, необходимость механизма передачи электроэнергии через кольца-токосъемники (напрямую провода вниз опускать нельзя — перекрутятся). Обычно на таких, грамотно сделанных ветряках делают штормовую защиту — приспособу, которая уводит ветряк от слишком сильного ветра, или как-то складывает его, во избежание поломки всей конструкции.

В вертикально-осевых этих проблем нет — т. к. ловит ветер он с любой стороны. Генератор при желании можно делать внизу вышки, передавая энергию кручения с помощью вала. Роторы «Дарье» - интересная штука, но требует довольно точного исполнения лопастей. Поэтому я выбрал самый простой тип ротора - «Савониус».

Генератор — сердце ветряка. По началу я хотел купить готовый генератор. Но после тщательного выяснения вопроса, стало ясно, что тихоходных генераторов в свободной продаже нет. Автомобильный не подходит, поскольку начинает вырабатывать ток при 1000 об/мин, что ещё решается установкой дополнительного компонента — мультипликатора (который тоже стоит денег, шумит и отбирает свою часть КПД), а вот что не решается — это то, что в нем стоит катушка возбуждения, которая собственно и превращает одну из его частей в электромагнит. Этой проблемы нет в генераторах на постоянных магнитах, причём чем мощнее эти магниты (самые современные — неодимовые), тем мощнее генератор (но тем он и дороже). Проблема была в наличии в продажи подобных генераторов, но об этом ниже.

Я буду писать об этапах изготовления довольно кратко. Во-первых — всё есть в интернете. Не вижу смысла писать об одном и том же. Если вспомню ссылки на источники — дам. Стоимость того или иного узла дана приблизительна — просто уже не помню, а смету не вёл, точнее вёл, но в самом начале. Моя задача — рассказать о том, что это вообще возможно сделать, рассказать об этой технологии, плюсы и минусы.

Изготовление ротора

Итак — я понял, что хочу сделать вертикально-осевой ротор типа «Савониус». Однако, копнув поглубже я понял — что ветряки подобного плана имеют самый низких КПД (до 15-25%). Это обычно два полуцилиндра, разнесенные друг относительно друга на некоторое расстояние, которое образует «канал». Проблема «Савониуса» (кстати, его тоже изобрел  русский, но патент оформил швед Савониус) в том, что ветер, проворачивая ротор за один полуцилиндр, тут же начинает давить на обратную сторону второго, конечно с меньшей силой, т. к. он этот полуцилиндр обтекает, но всё же... Хотелось узнать, можно ли «выжать» из подобной конструкции максимум. Поиски профиля лопастей привели меня к ротору, изобретенному нашим советским инженером К.А.Угринским в середине прошлого столетия (где-то я видел 1946г). Его отличительная особенность в том, что в нём используется энергия отраженного от лопастей потока. Приведу цитаты из книги Б.Б.Кажинский «Свободнопоточные гидроэлектростанции малой мощности», Госэнергоиздат 1950г (стр.30-32):

«Другое устройство лопастей, предложенное К. А. Угринским, представлено на фиг. 11. Здесь канал образуется двумя лопастями, форма поперечного профиля которых напоминает собой ковш с ручкой. Рассмотрим, в чем заключаются отличительные особенности работы этого нового ротора в свободном течении. Проходящая через канал вода дважды отдает свою энергию, как это было и у прежде описанных роторов.

Однако в то время, когда у этих роторов при вращений на место круто изогнутой стенки первой лопасти быстро становится своим внутренним изгибом такая же круто изогнутая часть второй лопасти, в новом роторе происходит нечто иное. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Допустим, что входящая в канал струя сначала ударяется о слабо изогнутую стенку первой части лопасти. На ее место быстро становится круто изогнутая стенка (чашеобразно изогнутая часть профиля) второй лопасти. Она быстро сменяется слабо изогнутой частью той же второй лопасти, вслед за которой набегает круто изогнутая часть первой лопасти, и т. д.

При первом же взгляде на профили лопастей нового ротора видно, что какое положение ни заняли бы лопасти этого ротора относительно горизонтального направления течения, никакого «мертвого» положения нет. Всегда какая-то часть лопасти направлена навстречу к потоку и способствует продолжению вращения ротора, а никак не его остановке. Благодаря этому многоярусное устройство для такого ротора необязательно.

В качестве основного размера для этой схемы ротора автором этих строк принят радиус диска R(фиг. 12). Нокак и в предыдущих случаях, сохранено важнейшее условие, чтобы средняя часть канала   между   лопастями   равнялась   2/3 ширины устья канала.»

Ориентировочное КПД — 41-46%. Уже можно работать. На самом деле изобретателей подобных роторов у нас много - Воронин Я.А., Кажинский Б.Е., Иванов В.А., Блинов Б.С., Угринский К.А., Бирюков Б.С., Новиков Ю.М. Информацию о последнем я узнал совсем недавно — надо бы в будущем испытать и его.

Прежде чем окончательно утвердиться в своём выборе я решил сделать небольшие модельки роторов и пивных банок, чтобы хотя бы на глаз посмотреть — какой крутится быстрее при одинаковом ветре. Как крутится Савониус (справа) и ротор Угринского (слева) — можно увидеть на этом видео внизу. После таких испытаний у меня не оставались сомнения — Угринский лучший.

Как я сделал сам ротор? В качестве материала для лопастей я выбрал самый тонкий (0,5 мм) лист дюраля. Мне было очевидно, что чем легче будет конструкция ротора — тем легче он будет вращаться малым ветром. Тем более что это тоже подтвердилось на маленьких модельках. Лист оцинковки — слишком тяжел для таких вещей. По торцам ротора должны быть сплошные круги. Я выбрал фанеру 10мм. Это самый тяжелый элемент — один круг весит 3,5 кг. На кругах были нарисован профиль крыла, который я потом углубил маленькой фрезой на 3мм. Это была муторная работа, однако смысл её был в том, чтобы вставить в получившуюся канавку лист лопасти. Конструкция ротора состояла из двух его частей, где лопасти были повернуты на 90 градусов относительно друг-друга. Листы дюраля крепились к фанере с помощью стальных уголков (алюминиевых не нашлось) на болтики. Каждая половина ротора стягивалась двумя шпильками с гайками d6 мм.. По оси насквозь ротор пронизывает осевая шпилька d16. Она крепится к каждому фанерному кругу двумя гайками с двух сторон. Собственно момент кручения и передается этой центральной осью.

Фанерные круги два раза пропитаны олифой. Все гайки с гровер-шайбами. Диаметр ротора — 75 см, высота — 160 см. Общий вес — около 16 кг. Стоимость — около 3500 руб.

Фото ротора - здесь.

Время изготовления не засекал, вообще вся работа по ветряку шла в свободное от другой работы время. Ротор я доделал уже зимой. Мы его вытащили на улицу и убедились что ветер легко его проворачивает.

Кстати, что бы хоть как-то оценивать скорость ветра я сделал простой анемометр, как показано здесь: http://es.kiteplans.org/planos/windmesser/windmesser.html

Изготовление генератора

Итак, генератор на постоянных магнитах... А нету их в продаже нифига! Во всяком случае в открытых источниках. Есть иностранные, в частности Китайские — но... то что мне хотелось стоило с доставкой от 400$. В общем я уже начал всерьез подумывать о применении высокооборотного генератора (они в продаже есть) и мультипликатора (дело в том, что рабочая скорость оборотов ветряка — 150-200 RPM, а таких генераторов — 800-1000 RPM). Но как-то душа к этому не лежала. Дополнительный механизм — мультипликатор — будет шуметь, да и стоить будет не мало.

Но однажды я всё-таки нашел сайты, где люди делились своим опытом изготовления таких генераторов в домашних условиях. Начали, конечно, американцы, но и наши за ними не отставали.

Немного о том, как это работает. Генератор состоит из двух частей — неподвижной (статора) и подвижной (ротора), которая совершает относительно статора вращательные движения. На статоре располагаются катушки из медной проволоки, эти катушки определенным образом соединяются. На роторе располагаются постоянные магниты. Ротор генератора вращается относительно статора — получается вращающееся магнитное поле, которое и наводит в катушках электрических ток. Ротор генератора собственно вращает ветряк.

Технически это реализуется следующим образом. Катушки наматываются вручную (хотя можно и заказать). Статор представляет из себя блин из эпоксидной смолы, к котором по кругу располагаются катушки. Снизу и сверху статора на минимальном расстоянии вращаются два железных диска, на который по кругу (опять же залитых эпоксидкой) располагаются магниты. Нижний диск ставится на какой-нибудь подшипник, верхний имеет вал для сцепки с валом ротора ветряка.

Итак, как сделать генератор — я понял. Оставался самый сложный вопрос — как рассчитать все его параметры — т. е. как соотнести размеры магнитов с размером катушки, и её числом витков, какое количество магнитов и катушек нужно, какие выходные характеристики генератора при этом получатся и множество технических деталей. Оказалось — и это всё уже кто-то прошел! Я нашел отличные Excell-евские файлы с расчетами механических и электрических параметров генератора в зависимости от нескольких входных условий. Правда при этом мне пришлось проштудировать почти 70 страниц форума «Радио-лоцман». Собственно — вот эта тема: http://www.rlocman.ru/forum/showthread.php?t=3948 Я хочу выразить признательность всем, кто участвовал в создании этих материалов на форуме, и в частности человеку с ником «Ветерок». Окончательный вариант своего генератора я практически скопировал у него с его сайта: http://tng.flybb.ru

В приложении к этой статье есть Excell-евский файл с расчетами моего генератора.

Для начала я определился с толщиной проволоки и с размерами магнитов, а так же с диаметром железного диска ротора (я выбрал для этой целей тормозной диск от ВАЗа). Материал магнитов - Магниты NdFeB (неодимовые) — половина стоимость генератора, я заказывал в Питерской фирме “Компонетн Спб” (www.pmspb.ru). Форму цилиндров я выбрал попроще — цилиндры, толщина 10мм, диаметр 30мм, магнитная мощность N33 (считаются довольно слабые, взял, потому что были такие остатки на складе), 32 штуки (по 16 на ротор). Стоимость одного магнита — 110 руб + 250 руб почтовая пересылка, итого 3770 руб.

Пока магниты шли почтой, я начал мотать катушки. Число катушек в 3/4 раза меньше, чем число магнитов на одном роторе, т. е. должно быть 12 катушек. Почему — объясняет эта анимация. Число витков (и соотв. нужные размеры катушки) я взял из расчетов. Мотал самодельным станочком, сделанным за 5 минут. Качество катушек далеко от заводского, но для экспериментальной модели — достаточное.

После того как катушки были намотаны, я купил в магазине автозапчастей для ВАЗа два тормозных диска (передний) от восьмерки (по 1000 руб) и от неё же  ступицу заднего колеса в сборе (800 руб).

Далее я начал делать статор. Для этого из фанеры разной толщины я сделал форму для заливки эпоксидки — по толщине будущего статора. Аккуратно разместив по кругу в этой форме катушки. Поскольку это 3-х фазный генератор, то в каждой фазе у него получаются по 4 катушки, спаянные последовательно, а концы фаз я решил соединить по форме «звезда» - т. е. один конец каждой фазы спаивается в одну точку, а три остальные три конца — являются тремя выходами. Катушки с разным номером фаз идут по кругу по очереди: 1,2,3,1,2,3,...

После этого, осторожно вынув спаянные катушки я положил на дно формы стеклосетку, затем налил на дно немного эпоксидки, затем вернул обратно катушки. В центр катушки я вставил по кусочку пластилина, чтобы потом его оттуда достать — дырка в катушке будет служить для охлаждения катушек. После этого все залил эпоксидной смолой (купленной в хозяйственном магазине). Сверху опять положил круг из стеклоткани, и закрыл крышкой, которая завинчивалась гайкой и струбцинами.

Наутро получился вполне себе симпатичный блин.

Когда пришли магниты я начал делать ротор генератора. Для начала наклеил магниты на два тормозных диска, строго по секторам. Магниты должны чередоваться — плюс — минус — плюс... Первый магнит я обозначил как «плюс» (верх), второй проверял относительно него — если отталкивается, то тоже плюс, если притягивается — то минус. И т. д. Один раз магниты сощелкнулись на моём пальце. Было больно :( Магниты дополнительно приклеивал суперклеем. После этого, сделав из скотча бортики, закрыв заглушкой центр тормозного диска и армировав стеклотканью я залил каждый диск эпоксидкой — чтобы магниты не улетели в неизвестность при больших оборотах, если таковые будут.

Сборка всего генератора происходила так. На фанеру-подставку  прикрутил болтами основание ступицы. В отверстиях ступицы закрепил длинные болты для фиксации тормозных дисков. Вокруг ступицы на вымеренном расстоянии установил длинные болты для крепления статорного диска. Далее установил первый тормозной диск магнитами наверх, зафиксировав его гайками, затем статорный диск, который регулируется по высоте гайками, и второй статорный диск, который также удерживается снизу (и сверху фиксируется) гайками.

Получился отличный инопланетный корабль :) Зазор между дисками статора и диском ротора выставлял минимальным – это около 1-1,5 мм.

А вот все фото про изготовление генератора.

Изготовление «электроники»

На выходе генератора я получаю постоянный трехфазный ток. Его нужно преобразовать в постоянный однофазный. Мы собрали т.н. мост Ларионова на двух готовых диодных сборках и сглаживающем конденсаторе. Номиналы – честно, не помню, но рассчитывали на большой ток. Конденсатор, по-моему, на 2200 мкФ. Схема подключения такая:

Слева на диодные сборки приходят три провода от трех фаз, справа два провода + и -.  В параллель выходу подключен конденсатор-фильтр и вольтметр, а последовательно выводу «+» через шунт подключен амперметр. С помощью этих двух приборов был сделан приблизительный замер мощности генератора. Uxx – напряжение холостого хода (без подключения нагрузки). В качестве назрузки подключал имеющиеся на тот момент у меня сопротивления. В конце проверил на старом мотоциклетном аккумуляторе, на котором было 10,5 В. Генератор крутил рукой с помощью временно сделанной рукоятки, кол-во оборотов контролировал секундной стрелкой часов (допустим 1 оборот в сек, 2 оборота…) Там где не смог провернуть генератор из-за сильного магнитного сопротивления – стоит прочерк.

Зимой 2011 года сосед-электронщик собрал мне схему контроллера ветряка. Эту схему я так же нашел в Интернете. Она вполне рабочая (в приложении Wind_Solar_Controller.pdf). Суть её в том, что при превышении напряжения на аккумуляторе некого регулируемого значения, энергия с ветряка переключается на вторичную нагрузку. Это может быть лампа накаливания, или (обычно) – тэн. Таким образом достигается две цели – нет перезаряда аккумулятора и ветряк всегда держится под нагрузкой. Если нагрузку с ветряка снять, то он завращается при сильном ветре о-очень быстро, а так его скорость будет тормозиться нагрузкой. При падении напряжение на аккумуляторе до регулируемого нижнего порога – энергия с ветряка вновь переключается на аккумулятор.

Слева - выпрямитель, справа - контроллер.

Правда реализовать эту схему удачно нам не удалось. Неправильно работали лампочки сигнализации. И я контроллер не стал подключать. Когда до него вновь дошли руки, другой мой друг-электронщик (Алексей Словик) сделал подобную схему на микроконтроллере. Функции переключения на/с вторичной нагрузкой была реализована программно, программа жестко прошита в микроконтроллер. Исчезла функция регулировки верхних/нижних значений, но зато значительно упростилась схема. Самое главное что прибор работает. Схема в приложении (Контроллер защиты аккумулятора для ветряка.pdf).

Сборка ветряка. Вышка

Уже глубоко в октябре 2010 года, я собрал вышку для крепления ветряка. Было непонятно, как поведет себя ветряк в шторм, поэтому вышка получилась довольно мощной. Верхняя точка вышки – 4м. Вышку сделал из доски 50x100. Ноги вышки вкопаны на 50см в землю. Вышка имеет растяжки металлическим тросом, который закрепляется в металлические уголки, вбитые в землю.

В вышке сделаны две поперечины, в которые вклеены подшипники. В эти подшипники и входит центральная ось ротора ветряка – верхней и нижней точкой. К внутренней части подшипника ось крепится двумя гайками. Под нижней поперечиной есть еще поперечины, на которые устанавливается генератор. Сначала генератор соединялся с осью ротора напрямую, но позже я организовал ременную передачу через шкивы разного диаметра (на ветряке он больше в два раза, чем на генераторе).

Фото ветряка в сборе и электроника - здесь.

Итог

О результатах я писал во вступлении, поэтому всё, что мне остается это пожелания на будущее.

Что хотелось бы сделать в идеале? Упаковать генератор в красивый кожух, где верхняя ось генератора тоже бы имела крепление (сейчас она болтается в воздухе). Кожух я соорудил из пластикового ведра после того, как ледяной дождь забил напрочь генератор так, что он замерз. Пришлось откручивать всё и тащить его в дом (а весит он немало).

Еще хочется сделать более высокую вышку, или даже мачту. Собственно для ветряка нужно всего два крепления – верхнее и нижнее. Пока думаю над 10м-трубой с приваренной к ней швеллерами. И площадкой для генератора.

И всё-таки хочется попробовать буржуйские генераторы за 400-500$... Хотя это ж целых две самодельных батареи по 180 Вт!