Российская Федерация в отношении ветроэнергетических ресурсов занимает неоднозначное положение. С одной стороны, благодаря большой всей площади и обилию равнинных местностей ветра в общем много, и он большей частью ровный. Со второй – наши ветры в основном низкопотенциальные, небыстрые, см. рис. С третьей, в мало обжитых местах ветры буйные. Если из этого исходить, задача завести на хозяйстве ветрогенератор вполне важна. Но, чтобы решить – приобретать весьма дорогое приспособление, или выполнить его собственными руками, необходимо как необходимо подумать, какой вид (а их слишком много) для какой цели подобрать.
Ветроэнергетические ресурсы России
Ключевые понятия
- КИЭВ – показатель применения энергии ветра. На случай использования для расчета механистической модели плоского ветра (см. дальше) он равён КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
- КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрического генератора, или до количества накачанной в бачок воды.
- Самая маленькая рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
- Максимально допустимая скорость ветра (МДС) – его скорость, при которой выработка энергии заканчивается: автоматика или выключает генератор, или ставит ротор во флюгер, или складывает его и прячет, или ротор сам останавливается, или ВСУ просто разрушается.
- Стартовая скорость ветра (ССВ) – при подобной его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в режим функционирования, после этого можно включать генератор.
- Негативная стартовая скорость (ОСС) – это означает, что ВСУ (или ВЭУ – ветроэнергетическая установка, или ВЭА, ветроэнергетический аппарат) для запуска при любой скорости ветра требует обязательной раскрутки от стороннего энергетического источника.
- Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в воздушном потоке, создавать вращающий момент на валу.
- Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или иного потребителя энергии.
- Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра превращается во вращательный момент на валу отбора мощности при помощи вращения ротора в воздушном потоке.
- Диапазон скоростей работы ротора – разница между МДС и МРС во время работы на фактическую нагрузку.
- Тихоходный ветряк – в нем линейная скорость частей ротора в потоке значительно не превосходит скорость ветра или ниже ее. Динамический напор потока конкретно превращается в тягу лопасти.
- Быстроходный ветряк – линейная скорость лопастей значительно (до 20 и более раз) выше скорости ветра, и ротор образовывает собственную воздушную циркуляцию. Цикл изменения энергии потока в тягу трудный.
Примечания:
- Тихоходные ВСУ, в основном, имеют КИЭВ меньше, чем быстроходные, но имеют стартовый момент, достаточный для раскрутки генератора без выключения нагрузки и нулевую ССВ, т.е. полностью самозапускающиеся и применимы при самых слабых ветрах.
- Тихоходность и быстроходность – понятия относительные. Бытовой ветряк на 300 оборотов в минуту может быть тихоходным, а мощные ВСУ типа EuroWind, из которых набирают поля ветряных электростанций, ВЭС (см. рис.) и роторы которых делают порядка 10 оборотов в минуту – быстроходные, т.к. при подобном их диаметре линейная скорость лопастей и их аэродинамика на большей части размаха – вполне «самолетные», см. дальше.
Какой необходим генератор?
Электрогенератор для ветряка домашнего применения должен производить электрическую энергию в большом диапазоне частот вращения и владеть способностью самозапуска без автоматики и внешних источников питания. На случай применения ВСУ с ОСС (ветроустановки с раскруткой), обладающих, в основном, высокими КИЭВ и КПД, он обязан быть и обратимым, т.е. уметь работать и как мотор. При мощностях до 5 кВт данному условию удовлетворяют машины на электрике с регулярными магнитами на основе ниобия (супермагнитами); на стальных или ферритовых магнитах можно рассчитывать не больше чем на 0,5-0,7 кВт.
Примечание: асинхронные резервные электростанции электрического тока или коллекторные с ненамагниченным статором не годятся совсем. При уменьшении силы ветра они «погаснут» прежде, как его скорость упадет до МРС, и затем сами не запустятся.
Замечательное «сердце» ВСУ мощностью от 0,3 до 1-2 кВт выходит из автогенератора электрического тока с вмонтированным выпрямителем; подобных в настоящий момент большое количество. Самое первое, они держат анодное напряжение 11,6-14,7 В в довольно большом диапазоне скоростей без внешних ступенчатых стабилизаторов. Второе, кремниевые вентили открываются, когда напряжение на обмотке достигнет приблизительно 1,4 В, а до этого генератор «не видит» нагрузки. Для этого генератор необходимо уже довольно достойно раскрутить.
Во многих случаях автогенератор можно конкретно, без зубчатой или ременой передачи, объединить с валом быстроходного ВД, выбрав обороты подбором количества лопастей, см. ниже. «Быстроходки» имеют небольшой или нулевой стартовый момент, но ротор и без выключения нагрузки успеет достаточно раскрутиться, перед тем как вентили откроются и генератор даст ток.
Подбор по ветру
Перед тем как решать, какой сделать ветрогенератор, определимся с здешней аэрологией. В серо-зеленоватых (безветренных) областях ветровой карты хоть какой-то смысл будет только от парусного ветродвигателя (и них дальше побеседуем). Если нужно постоянное энергоснабжение, тогда нужно будет добавить бустер (выпрямитель со стабилизатором электрического напряжения), устройство зарядки, мощную батарею аккумулятора, преобразователь напряжения 12/24/36/48 В постоянки в 220/380 В 50 Гц электрического тока. Обойдется такое хозяйство совсем не менее $20.000, и снять долгосрочную мощность более 3-4 кВт не выйдет. В общем, при непреклонном стремлении к альтернативной энергетике лучше поискать другой ее источник.
В жёлто-зеленых, слабоветренных местах, при необходимости в электричестве до 2-3 кВт самому можно взяться за тихоходный вертикальный ветрогенератор. Их разработано несть числа, и есть конструкции, по КИЭВ и КПД практически не уступающие «лопастникам» промышленного изготовления.
Если же ВЭУ для дома планируется приобрести, то хорошо ориентироваться на ветряк с парусным ротором. Споров и них много, и в теории пока еще не все понятно, но работают. В Российской Федерации «парусники» выпускают в Таганроге на мощность 1-100 кВт.
В красных, ветреных, регионах подбор 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 будет стоить очень дорого ВСУ горизонтальной схемы. И, напоследок, если требуется ветряк мощностью 5 кВт и более, то подбирать необходимо между горизонтальными покупными «лопастниками» или «парусниками».
Примечание: большинство производителей, в особенности второго эшелона, рекомендуют комплекты деталей, из которых можно собрать ветрогенератор мощностью до 10 кВт собственноручно. Обойдется такой комплект на 20-50% доступнее готового с установкой. Однако прежде покупки необходимо тщательно изучить аэрологию будущего места установки, а потом по спецификациям выбрать подходящие вид и модель.
Про безопасность
Детали ветродвигателя домашнего применения в работе могут иметь линейную скорость, превосходящую 120 и даже 150 м/с, а кусочек любого твёрдого материала весом в 20 г, летящий со скоростью 100 м/с, при «удачном» попадании убивает здорового мужика наповал. Стальная, или из жёсткого пластика, пластина толщиной 2 мм, двигающаяся со скоростью 20 м/с, рассекает его же напополам.
Более того, большое количество ветряков мощностью более 100 Вт очень сильно шумят. Многие порождают колебания воздушного давления сверхнизкой (менее 16 Гц) частоты – инфразвуки. Инфразвуки неслышимы, но губительны для здоровья, а распространяются достаточно далеко.
Примечание: в конце 80-х в Америке был дебош – понадобилось закрыть очень большую в то время в государстве ВЭС. Индейцы из резервации в 200 км от поля ее ВСУ доказали в суде, что резко участившиеся у них после ввода ВЭС в эксплуатирование расстройства здоровья обусловливаются ее инфразвуками.
В силу вышеуказанных причин установка ВСУ разрешается на расстоянии не меньше 5 их высот от ближайших жилых построек. Во дворах приватных домовладений можно ставить ветроустановки промышленного изготовления, подобающим образом сертифицированные. На крышах устанавливать ВСУ полностью невозможно – при их работе, даже у маломощных, появляются знакопеременные нагрузки механического свойства, которые способны вызвать отклик строительной конструкции и ее разрушение.
Примечание: высотой ВСУ считается самая высокая 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 больше, высота считается по их топу – верхушке.
Ветер, аэродинамика, КИЭВ
Рукодельный ветрогенератор подчиняется тем же законам природы, что и заводской, высчитанный на компьютере. И самодельщику основы его работы следует иметь в виду достаточно хорошо – в его распоряжении очень часто нет дорогих суперсовременных материалов и тех. оборудования. Аэродинамика же ВСУ ох как непроста…
Ветер и КИЭВ
Для расчета серийных фабричных ВСУ применяется т. наз. плоская механистическая модель ветра. В ее основании следующие предположения:
- Скорость и направление ветра постоянны в границах эффектной поверхности ротора.
- Воздух – непрерывная среда.
- Продуктивная поверхность ротора равна ометаемой площади.
- Энергия потока воздуха – чисто кинетическая.
При подобных условиях самую большую 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 в себе несет 65 Дж, и с одного квадрата эффектной поверхности ротора можно, при 100% КПД всей ВСУ, снять 650 Вт. Это очень самый простой подход – каждый знает, что ветер очень ровным не бывает. Но на это приходится идти, чтобы обеспечить повторяемость изделий – простое в технике дело.
Плоскую модель пренебрегать не нужно, она даёт четкий минимум доступной энергии ветра. Но воздух, самое первое, сжимаем, второе, очень текуч (динамическая вязкость всего 17,2 мкПа*с). Это означает, поток может обтекать ометаемую площадь, снижая эффектную поверхность и КИЭВ, что очень часто и встречается. Однако в принципе вероятна и другая ситуация: ветер стекается к ротору и площадь эффектной поверхности тогда окажется больше ометаемой, а КИЭВ – больше 1 касательно его же для плоского ветра.
Приведем два примера. Первый – прогулочная, довольно тяжелая, яхта может идти не только против ветра, но и быстрее его. Ветер имеется в виду наружный; вымпельный ветер все равно обязан 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 действительно засомневались в законе сохранения энергии. В конце концов оказалось – дело в выступающем из заборника воздуха конусе обтекателя РЛС. От его носка к обечайке появилось уплотнение воздуха, как бы сгребавшее его со сторон к компрессорам двигателей. С той поры ударные волны крепко вошли в теорию как практичные, и фантастические летные данные современных самолетов в немалой степени обусловливаются их умелым применением.
Аэродинамика
Формирование аэродинамики как правило делят на две эпохи – до Н. Г. Жуковского и после. Его доклад «О присоединенных вихрях» от 15 ноября 1905 г. стал самим началом новой эры в авиации.
До Жуковского летали на поставленных плашмя парусах: повелось, что частицы набегающего потока отдают весь собственный импульс передней кромке крыла. Это позволяло сразу освободится от векторной величины – момента количества движения – порождавшей зубодробительную и очень часто неаналитическую математику, перейти к куда намного комфортнее скалярным чисто энергетическим соотношениям, и получить в итоге расчетное поле давления на несущую поверхность, более менее аналогичное на реальное.
Такой механистический подход позволил создать аппараты, которые способны худо-бедно подняться в воздух и сделать перелет из одного места в иное, не обязательно грохнувшись на землю где нибудь по пути. Но желание расширить скорость, подъемность груза и прочие летные качества все больше выявляло несовершенство начальной аэродинамической теории.
Идея Жуковского была такая: вдоль нижней и верхней поверхностей крыла воздух проходит различный путь. Из условия непрерывности среды (пузырьки вакуума сами по себе в воздухе не появляются) следует, что скорости нижнего и верхнего потоков, сходящих с задней кромки, должны разниться. Вследствие пускай небольшой, но конечной вязкости воздуха там из-за разности скоростей должен образоваться вихрь.
Вихрь крутится, а закон сохранения количества движения, так же непреложный, как и закон сохранения энергии, справедлив и для векторных величин, т.е. должен предусматривать и направление движения. Благодаря этому здесь же, на задней кромке, должен сформироваться противоположно крутящийся вихрь с подобным же вращательным моментом. Благодаря чему? За счёт энергии, вырабатываемой двигателем.
Для практики авиации это означало революцию: подобрав подходящий профиль крыла, можно было присоединенный вихрь пустить вокруг крыла в виде циркуляции Г, увеличивающей его подъемную силу. Т.е., потратив часть, а для высоких скоростей и нагрузок на крыло – большую половину, мощности мотора, можно сделать вокруг аппарата поток воздуха, дающий возможность достигнуть лучших летных качеств.
Это делало авиацию авиацией, а не частью воздухоплавания: сейчас летательный прибор мог сам делать для себя необходимую для полета среду и не быть более игрушкой потоков воздуха. Необходим только мотор мощнее, и так же и еще мощнее…
Опять КИЭВ
Но у ветряка мотора нет. Он, наоборот, должен отбирать энергию у ветра и давать ее потребителям. И тут выходит – ноги вытащил, хвост увяз. Пустили очень мало энергии ветра на свою циркуляцию ротора – она будет слабой, тяга лопастей – небольшой, а КИЭВ и мощность – не высокими. Отдадим на циркуляцию много – ротор при не сильном ветре будет на холостом ходу вращаться как яростный, но потребителям снова достается мало: чуть дали нагрузку, ротор затормозился, ветер сдул циркуляцию, и ротор стал.
Закон сохранения энергии «оптимальную середину» даёт как раз посерединке: 50% энергии даём в нагрузку, а на другие 50% подкручиваем поток до оптимума. Практика доказывает предположения: если КПД хорошего тянущего пропеллера составляет 75-80%, то КИЭВ также тщательно рассчитанного и продутого в аэродинамической трубе лопастного ротора доходит до 38-40%, т.е. до половины от того, чего можно достигнуть при избытке энергии.
Актуальность
Сейчас аэродинамика, вооруженная современнейшей математикой и компьютерами, все более уходит от непременно что-то да упрощающих моделей к точному описанию поведения настоящего тела в настоящем потоке. И здесь, помимо генеральной линии – мощность, мощность, и еще раз мощность! – обнаруживаются пути побочные, но многообещающие как раз при ограниченном количестве поступающей в систему энергии.
Именитый авиатор-альтернативщик Пол Маккриди еще в 80-х создал самолет, с 2-мя моторчиками от бензиновой пилы мощностью в 16 л.с. показавший 360 километров в час. 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 – первый раз в истории облетели вокруг нашей планеты без посадки на одной заправке.
Парусная яхта на подводных крыльях
Парусов, породивших изначальное крыло, формирование теории тоже коснулось очень значительно. «Живая» аэродинамика позволила яхтам во время ветра в 8 узл. встать на подводные крылья (см. рис.); чтобы разогнать такую громадину до необходимой скорости гребным винтом, требуется мотор не меньше 100 л.с. Гоночные катамараны при подобном же ветре ходят со скоростью около 30 узл. (55 километров в час).
Есть и находки совсем нетривиальные. Любители самого редкого и экстемального спорта – бейсджампинга – надев апециальный костюм-крыло, вингсьют, летают без мотора, маневрируя, на скорости более 200 километров в час (рис. с правой стороны), а потом плавно приземляются в заблаговременно подобранном месте. В какой сказке люди летают сами по себе?
Разрешились и многие загадки природы; в особенности – полет жука. По традиционной аэродинамике, он летать не способен. Точно также, как и родоначальник «стелсов» F-117 с его крылом ромбовидного профиля тоже не способен подняться в воздух. А МИГ-29 и Су-27, которые какое то время могут лететь хвостом вперед, и совсем ни в какие представления не ложатся.
И почему тогда, занимаясь ветродвигателями, не забавой и не орудием уничтожения себе аналогичных, а источником крайне важного ресурса, необходимо танцевать обязательно от теории слабых потоков с ее моделью плоского ветра? Неужели не найдется возможности продвинуться дальше?
Чего ждать от классики?
Однако от классики отказываться только не следует. Она даёт основу, не оперевшись на которую нельзя подняться выше. Точно также, как доктрина множеств не отменяет таблицу перемножения, а от квантовой хромодинамики яблоки с деревьев вверх не улетят.
Итак, на что можно рассчитывать при традиционном подходе? Взглянем на рисунок. Слева – типы роторов; они нарисованы образно говоря. 1 – вертикальный карусельный, 2 – вертикальный ортогональный (ветряная турбина); 2-5 – лопастные роторы с разным количеством лопастей с оптимизированными профилями.
Сопоставление эффективности ВСУ различных типов
С правой стороны по горизонтальной оси отложена условная скорость ротора, т.е., отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. По вертикальной вверх – КИЭВ. А вниз – снова же условный вращающий момент. Единичным (100%) крутящим фактором является такой, который выполняет силой заторможенный в потоке ротор со 100% КИЭВ, т.е. когда вся энергия потока превращается во вращающее усилие.
Подобный подход дает возможность делать далеко идущие выводы. Скажем, кол-во лопастей необходимо подбирать не только и не столько по желательной частоты вращения: 3- и 4-лопастники сразу много теряют по КИЭВ и вращательному моменту если сравнивать с прекрасно работающими приблизительно в том же диапазоне скорстей 2- и 6-лопастниками. А снаружи идентичные карусель и ортогонал владеют благодаря своему принципу разнообразными качествами.
В общем необходимо отдавать предпочтение лопастным роторам, помимо случаев, когда нужны максимальная дешевизна, простота, необслуживаемый самозапуск без автоматики и невозможен подъем на мачту.
Примечание: о парусных роторах побеседуем особо – они, наверное, в классику не ложатся.
Вертикалки
ВСУ с вертикальной осью вращения имеют очевидное для быта преимущество: их узлы, просящие обслуживания, сосредоточены внизу и не требуется подъем наверх. Там остается, и то не всегда, упорно-опорный самоустанавливающийся подшипник, однако он прочный и долговечный. Благодаря этому, проектируя примитивной ветрогенератор, отбор вариантов необходимо начинать с вертикалок. Ключевые их типы продемонстрированы на рис.
Вертикальные ветряные генераторы
ВС
На первой позиции – самый самый простой, очень часто именуемый ротором Савониуса. В действительности его изобрели в 1924 г. в советском союзе Я. А. и А. А. Воронины, а финский промышленник Сигурд Савониус бессовестно присвоил себе открытие, проигнорировав советское авторское свидетельство, и начал серийный выпуск. Но внедрение в доле изобретения значит слишком много, благодаря этому мы, чтобы не шевелить минувшее и не беспокоить прах усопших, назовем этот ветряк ротором Ворониных-Савониуса, либо для краткости, ВС.
ВС для самодельщика всем прекрасен, помимо «паровозного» КИЭВ в 10-18%. Но в СССР над ним работали много, и наработки есть. Ниже мы будем рассматривать улучшенную конструкцию, не наиболее непростую, однако по КИЭВ дающую фору лопастникам.
Примечание: двухлопастный ВС не вращается, а дергается рывками; 4-лопастный лишь немножко плавнее, но много теряет в КИЭВ. С целью улучшения 4-«корытные» очень часто разносят на 2 этажа – пара лопастей внизу, а остальная пара, повернутая на 90 градусов в горизонтальном положении, над ними. КИЭВ сберегается, и боковые нагрузки на механику слабеют, но изгибные несколько становятся больше, и во время ветра более 25 м/с у подобной ВСУ на древке, т.е. без растянутого вантами подшипника над ротором, «срывает башню».
Дарье
Следующий – ротор Дарье; КИЭВ – до 20%. Он еще легче: лопасти – из примитивной упругой ленты безо всякого профиля. Доктрина ротора Дарье еще недостаточно разработана. Ясно лишь, что начинает он раскрутиться за счёт разности аэродинамического сопротивления горба и кармана ленты, а потом становится вроде как быстроходным, организуя свою циркуляцию.
Вращательный момент мал, а в стартовых положениях ротора параллельно и перпендикулярно ветру вообще не присутствует, благодаря этому самораскрутка вероятна лишь при нечетном количестве лопастей (крыльев?) Во всяком случае на определенный период времени раскрутки нагрузку от генератора необходимо отключать.
Есть у ротора Дарье еще два нехороших качества. Самое первое, во время вращения вектор тяги лопасти описывает полный оборот относительно ее аэродинамического фокуса, и не плавно, а рывками. Благодаря этому ротор Дарье быстро разбивает собственную механику даже при ровном ветре.
Второе, Дарье не то что шумит, а кричит и визжит, аж до того, что лента рвется. Происходит это вследствие ее вибрации. И чем больше лопастей, тем крепче рев. Так что Дарье если и делают, то двухлопастными, из дорогих очень прочных шумоизолирующих материалов (карбона, майлара), а для раскрутки в середине мачты-древка приспосабливают не очень большой ВС.
Ортогонал
На поз. 3 – ортогональный вертикальный ротор с профилированными лопастями. Ортогональный вследствие того что крылья торчат вертикально. Переход от ВС к ортогоналу иллюстрирует рис. слева.
Карусельный и ортогональный роторы
Угол установки лопастей относительно касательной к окружности, касающейся аэродинамических фокусов крыльев, бывает как позитивным (на рис.), так и негативным, сообразно силе ветра. Порой лопасти делают поворотными и устанавливают на них флюгерки, автоматично держащие «альфу», но подобного рода конструкции нередко могут поломаться.
Центральное тело (голубое на рис.) позволяет довести КИЭВ практически до 50% В трехлопастном ортогонале оно должно в разрезе иметь треугольную форму с немного выпуклыми сторонами и скругленными углами, а при большем количестве лопастей достаточно обычного цилиндра. Но доктрина для ортогонала идеальное кол-во лопастей даёт определенно: их должно быть ровно 3.
Ортогонал относится к быстроходным ветрякам с ОСС, т.е. в первую очередь требует раскрутки при вводе в эксплуатирование 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 одинаковое вращение; плита из пенополистирола с прямыми крыльями «рвет» лишь немножко слабее двухлопастного ВС. Изгиб лопастей по геликоиде дает возможность избежать потерь КИЭВ из-за их кривизны. Хотя часть потока кривая лопасть и отбрасывает, не применяя, зато и загребает часть в территорию самой большой линейной скорости, возмещая потери. Геликоиды применяют реже прочих ветряков, т.к. они вследствие проблемы изготовления оказываются дороже равных по качествам собратьев.
Бочка-загребушка
На 5 поз. – ротор типа ВС, окруженный направляющим аппаратом; его схема предоставлена на рис. с правой стороны. В промышленном выполнении встречается нечасто, т.к. очень дорогой отвод земли не возмещает прироста мощности, а материалоемкость и трудность производства велики. Но самодельщик, боящийся работы – уже не профессионал, а покупатель, и, если необходимо не больше 0,5-1,5 кВт, то для него «бочка-загребушка» лакомый кусочек:
Вертикальный ротор с направляющим аппаратом
- Ротор данного типа полностью менее опасен, не издает звука, не выполняет вибрации и можно установить где угодно, хоть на площадке для детей.
- Согнуть «корыта» из оцинкованные стали и сварить каркас из труб – работа ерундовая.
- Вращение – полностью одинаковое, детали механики можно взять очень доступные или из хлама.
- Не боится ураганов – через чур шквальный ветер не может протолкнуться в «бочку»; вокруг нее появляется обтекаемый вихревой кокон (мы с данным эффектом еще столкнемся).
- А самое основное – потому как поверхность «загребушки» в два раза больше такой ротора в середине, 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 говорят, лучше и не дергаться.
Видео: ветрогенератор Ленца
ВСУ Бирюкова
В 60-х в советском союзе Е. С. Бирюков запатентовал карусельную ВСУ с КИЭВ 46%. Немножко позже В. Блинов добился от конструкции на том же принципе КИЭВ 58%, но данных о ее испытаниях нет. А натурные проверки ВСУ Бирюкова были проведены служащими журнала «Изобретатель и рационализатор». В два этажа ротор диаметром 0,75 м и высотой 2 м при свежем ветре раскручивал на всю мощность асинхронный генератор 1,2 кВт и выдерживал без неполадки 30 м/с. Чертежи ВСУ Бирюкова показаны на рис.
Позиции:
- ротор из кровельной оцинкованные стали;
- самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;
- ванты – 5 мм стальной канат стальной;
- ось-древко – труба из стали с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;
- рычаги аэродинамического регулятора оборотов;
- лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или пластик листовой;
- тяги регулятора оборотов;
- груз регулятора оборотов, его вес определяет скорость вращения;
- ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;
- подпятник – упорно-опорный подшипник;
- ведомый шкив – штатный шкив генератора;
- генератор.
Бирюков на собственную ВСУ получил одновременно несколько авторских свидетельств. Самое первое, необходимо обратить свое внимание на разрез ротора. При разгоне он функционирует сродни ВС, создавая большой стартовый момент. По мере раскрутки во внешних карманах лопастей создается вихревая подушка. С точки зрения ветра, лопасти становятся профилированными, и ротор преобразуется в быстроходный ортогонал, причем виртуальный профиль меняется исходя из этого силе ветра.
Второе, профилированный канал между лопастями в рабочем диапазоне скоростей работает как центральное тело. Если же ветер увеличивается, то в нем также создается вихревая подушка, выходящая за пределы ротора. Появляется такой же вихревой кокон, как вокруг ВСУ с направляющим аппаратом. Энергия на его создание берется от ветра, и тому на неисправность ветряка ее уже не хватает.
Третье, регулятор оборотов предназначается в первую очередь для турбины. Он держит ее обороты хорошими с точки зрения КИЭВ. А оптимум скорости вращения генератора обеспечивается подбором передаточного отношения механики.
Примечание: после статей в ИР за 1965 г. ВСУ Бирюкова канула в небытие. Ответа от инстанций автор так и не дождался. Участь многих советских изобретений. Говорят, какой-то житель японии стал миллиардером, постоянно читая советские популярно-технические журналы и патентуя у себя все, заслуживающее внимания.
Лопастники
Как у сказано, по классике горизонтальный ветрогенератор с лопастным ротором – лучший. Но, самое первое, ему необходим стабильный хотя бы средней силы ветер. Второе, конструкция для самодельщика таит в себе много опасностей, благодаря чему часто плод долгих усердных трудов как максимум освещает санузел, прихожую или крыльцо, а то и оказывается может исключительно раскрутить самого себя.
По схемам на рис. рассмотрим подробно; позиции:
- лопасти ротора;
- генератор;
- станина генератора;
- защитный флюгер (ураганная лопата);
- токосъемник;
- шасси;
- поворотный узел;
- рабочий флюгер;
- мачта;
- хомут под ванты.
- защитный флюгер;
- рабочий флюгер;
- регулятор натяжения пружины защитного флюгера.
- коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;
- подпружиненные меднографитовые щетки.
Примечание: ураганная защита для горизонтального лопастника диаметром больше 1 м обязательно нужна, т.к. создать вокруг себя вихревой кокон он не способен. При меньших размерах можно достигнуть выносливости ротора до тридцати метров/с с лопастями из пропилена.
Итак, где нас ждут «спотыки»?
Лопасти
Профилировка и крутка лопасти ВСУ
Рассчитывать достигнуть мощности на валу генератора более 150-200 Вт на лопастях любого размаха, вырезанных из толстостенной пластиковой трубы, как часто рекомендуют – надежды беспросветного любителя. Лопасть из трубы (если только она не очень толстая, что применяется просто как заготовка) станет иметь сегментный профиль, т.е. его верхняя, или две поверхности будут дугами окружности.
Сегментные профиля годятся для несжимаемой среды, скажем, для подводных крыльев или лопастей гребного винта. Для газов же необходима лопасть переменного профиля и шага, например см. рис.; масштаб – 2 м. Это будет трудное и сложное изделие, требующее тщательного ухода расчета во всеоружии теории, продувок в трубе и натурных испытаний.
Генератор
При насадке ротора прямо на его вал штатный подшипник в скором времени разобьется – одинаковой нагрузки на все лопасти в ветряках не бывает. Необходим переходный вал с особым 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 роторному валу не только слегка выгибаться, но и немножко 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 демонстрирует Фиг. В. Ветер, усиливаясь, давит на лопату, пружина тянется, ротор перекашивается, обороты его падают и в конце концов он становится параллельно потоку. Как бы все прекрасно, но – гладко было на бумажном носителе…
Пробуйте 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 исключительно в теоретических выкладках и, с достаточной для практики точностью, в аэродинамических трубах. По настоящему же ураган ветроустановки с ураганной лопатой корежит больше, чем совсем беззащитные. Лучше все же менять исковерканные лопасти, чем делать снова все. В промышленных установках – иное дело. Там шаг лопастей, по каждой по отдельности, отслеживает и изменяет автоматика под управлением бортового компьютера. И выполняются они из сверхпрочных композитов, а не из труб водопровода.
Токосъемник
Это – постоянно обслуживаемый узел. Любой энергетик знает, что коллектор со щёткой необходимо очищать, мазать, настраивать. А мачта – из трубы водопровода. Не залезешь, раз в месяц-два придется весь ветряк валить на землю и затем снова подымать. Сколько он протянет от подобной «предупреждения»?
Видео: лопастной ветрогенератор + фотоэлектрическая батарея для электрического снабжения дачи
Мини и микро
Однако с уменьшением размеров лопастника трудности падают по квадрату диаметра колеса. Изготовление горизонтальной лопастной ВСУ самостоятельно на мощность до 100 Вт уже возможно. Хорошим будет 6-лопастный. При большем количестве лопастей диаметр ротора, рассчитанного на ту же мощность, окажется меньшей, однако их окажется тяжело прочно зафиксировать на ступице. Роторы о менее чем 6 лопастях можно не в виду иметь: 2-лопастнику на 100 Вт необходим ротор диаметром 6,34 м, а 4-лопастнику такой же мощности – 4,5 м. Для 6-лопастного зависимость мощность – диаметр выражается так:
- 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.
Хорошим будет рассчитывать на мощность 10-20 Вт. Самое первое, лопасть из пластика размахом более 0,8 м без добавочных мер защиты не удержит ветер более двадцати метров/с. Второе, при размахе лопасти до тех же 0,8 м линейная скорость ее кончиков не превысит скорость ветра более чем в три раза, и требования к профилировке с круткой уменьшаются на порядки; тут уже вполне удовлетворительно будет работать «корытце» с сегментным профилем из трубы, поз. Б на рис. А 10-20 Вт обеспечивают питание планшетки, подзарядку смартфона или засветят лампочку-экономку.
Мини- и микроветрогенераторы
Дальше, подбираем генератор. Прекрасно подойдет китайский моторчик – ступица колеса для электровелосипедов, поз. 1 на рис. Его мощность как мотора – 200-300 Вт, однако в режиме генератора он даст приблизительно до 100 Вт. Но подойдёт ли он нам по оборотам?
Показатель быстроходности z для 6 лопастей равён 3. Формула для расчета частоты вращения под нагрузкой – N = v/l*z*60, где N – скорость вращения, 1/мин, v – скорость ветра, а l – длина окружности ротора. При размахе лопасти 0,8 м и ветре 5 м/с приобретаем 72 оборотов в минуту; при 20 м/с – 288 оборотов в минуту. Приблизительно с подобной же скоростью крутится и велосипедное колесо, так что собственные 10-20 Вт от генератора, способного дать 100, мы уж снимем. Можно ротор садить прямо на его вал.
Но здесь появляется следующая проблема: мы, потратив много труда и наличных средств, 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 приобрести готовый мини-ветрогенератор, и не обойдется ли он доступнее? Еще как можно, и еще как доступнее, см. поз. 4 и 5. Также, он будет так же и мобильным. Поставил на пенек – и пользуйся.
Другой вариант – если где нибудь лежит шаговый мотор от старого 5- или 8-дюймового дисковода, или от привода бумаги или каретки негодного струйного или матричного принтера. Он будет работать как генератор, и приделать к нему карусельный ротор из консервных банок (поз. 6) легче, чем собирать конструкцию наподобие показанной на поз. 3.
В общем по «лопастникам» вывод очевиден: самодельные – скорее для того, чтобы помастерить вдоволь, однако не для настоящей долгосрочной энергоотдачи.
Видео: самый простой ветрогенератор для дачного освещения
Парусники
Парусные ветряные генераторы
Парусный ветрогенератор известен давно, но мягкие полотна его лопастей (см. рис.) стали делать с возникновением очень прочных устойчивых к износу тканей на основе синтетики и пленок. Многолопастные ветроустановки с жёсткими парусами широко разошлись по всему миру как привод маломощных автоматизированных водокачек, однако их техданные ниже даже чем у каруселей.
Однако мягкий парус как крыло ветряка, наверное, оказался не так-то прост. Дело не в ветроустойчивости (производственники не ограничивают максимально допустимую скорость ветра): яхсменам-парусникам и так известно, что ветру порвать полотно бермудского паруса как правило невозможно. Скорее шкот вырвет, или мачту сломает, или вся посудина выполнит «поворот оверкиль». Дело в энергетике.
К несчастью, правильных данных испытаний не получается найти. По впечатлениям клиентов удалось составить «искусственные» зависимости для установки ВЭУ-4.380/220.50 таганрогского производства с диаметром ветроколеса 5 м, массой ветроголовки 160 кг и скоростью вращения до 40 1/мин; они продемонстрированы на рис.
Характеристики ВЭУ-4.380/220.50
Конечно, ручательств за 100% правдивость не может быть, но и так видно, что плоско-механистической моделью здесь и не пахнет. Совсем 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 дальше держать ее до ожесточённого шторма. Производственники, к слову, говорят, что номинальные 4 кВт можно получить и при 3 м/с, но во время установки их силами по результатам исследований здешней аэрологии.
Количественной теории также не находится; пояснения разработчиков маловразумительны. Однако, потому как таганрогские ВЭУ народ приобретает, и они работают, остается высказать предположение, что заявленные конусообразная циркуляция и пропульсивный эффект – не фикция. В любом случае, возможны.
Тогда, выходит, ПЕРЕД ротором, согласно законодательству сохранения импульса, должен появиться тоже конусообразный вихрь, но расширяющийся и медлительный. И данная воронка будет сгонять ветер к ротору, его продуктивная поверхность выйдет больше ометаемой, а КИЭВ – сверхединичным.
Пролить свет на данный вопрос могли бы натурные измерения поля давления перед ротором, хотя бы бытовым анероидом. Если оно окажется больше, чем с боков в стороне, то, на самом деле, парусные ВСУ работают, как жук летает.
Рукодельный генератор
Из вышесказанного ясно, что самодельщикам лучше приниматься или за вертикалки, или за парусники. Но те и прочие очень небыстрые, а передача на быстроходный генератор – ненужная работа, лишние расходы и потери. Можно ли сделать эффектный тихоходный электрический генератор самому?
Да, можно, на магнитах из ниобиевого сплава, т. наз. супермагнитах. Производственный процесс важных деталей показан на рис. Катушки – каждая из 55 витков медного 1 мм провода в термостойкой очень прочной эмалевой изоляции, ПЭММ, ПЭТВ и т.п. Высота обмоток – 9 мм.
Детали самодельного генератора на супермагнитах
Необходимо обратить свое внимание на пазы под шпонки в половинах ротора. Они обязаны быть размещены таким образом, чтобы магниты (они приклеиваются к магнитопроводу эпоксидкой или акрилом) после сборки сошлись разноименными полюсами. «Блины» (магнитопроводы) должны быть сделаны из магнитомягкого ферромагнетика; подойдёт простая конструкционная сталь. Толщина «блинов» — не меньше 6 мм.
Вообще-то лучше приобрести магниты с осевым отверстием и притянуть их винтами; супермагниты притягиваются со страшной силой. Из-за этой причины на вал между «блинами» одевается цилиндрическая проставка высотой 12 мм.
Обмотки, составляющие части статора, соединяются по схемам, также приведенным на рис. Спаянные кончики 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 уравновешивать не надо, статор не крутится. Просвет между ротором и статором – по 1 мм со всех сторон. Статор в корпусе генератора необходимо надежно закрепить не только от смещения по оси, но и от проворачивания; крепкое магнитное поле при токе в нагрузке будет тащить его за собой.
Видео: генератор для ветряка собственными руками
Вывод
И что же мы имеем в заключение? Интерес к «лопастникам» поясняется скорее их внешним прекрасным видом, чем действительными рабочими качествами в самодельном выполнении и на малых мощностях. Рукодельная карусельная ВСУ даст «дежурную» мощность для зарядки автоаккумулятора или энергетического снабжения дома небольших размеров.
А вот с парусными ВСУ стоит эксперементировать мастерам с творческой жилкой, тем более в мини-исполнении, с колесом 1-2 м диаметром. Если предположения разработчиков верны, то с подобным можно будет снять, при помощи сказанного выше китайского движка-генератора, все его 200-300 Вт.
Сделать же каркас (рангоут) для парусного ротора очень просто. Более того, парусные ВСУ не опасны, а звуков от них, инфра- и слышимых, не находится. И высоко понимать ротор не надо, хватит одного диаметра колеса.
Видео: производственная технология ветрогенераторов
ветрогенератор, дача, принцип, самодельный
