Самодельный ветрогенератор для дома и дачи принципы работы, схемы, какой и как сделать

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

  1. КИЭВ – показатель применения энергии ветра. На случай использования для расчета механистической модели плоского ветра (см. дальше) он равён КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
  2. КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрического генератора, или до количества накачанной в бачок воды.
  3. Самая маленькая 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 заканчивается: автоматика или выключает 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 подобной его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в режим функционирования, после этого можно включать генератор.
  6. 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.
  7. Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в воздушном потоке, создавать вращающий момент на валу.
  8. Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или иного потребителя энергии.
  9. Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра превращается во вращательный момент на валу отбора мощности при помощи вращения ротора в воздушном потоке.
  10. Диапазон скоростей работы ротора – разница между МДС и МРС во время работы на фактическую нагрузку.
  11. 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.
  12. 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:

  1. 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.
  2. 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?

Бейсджампер в видгсьюте

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.