Оптимальные лопасти для ветрогенератора: вид, форма, материалы и инструкция по изготовлению своими руками

Правовая сторона вопроса

Самодельный ветрогенератор для дома не попадает под запреты, его изготовление и применение не влечет за собой административного либо уголовного наказания. Если мощность ветряного генератора не превышает 5 кВт, он относится к бытовым устройствам, и не требует никаких согласований с местной энергетической компанией. Тем более, не требуется уплачивать какие-либо налоги, если вы не получаете прибыль при продаже электроэнергии. Кроме того, самодельный генерирующий ветряк даже с такой производительностью, требует сложных инженерных решений: смастерить его на тек просто. Поэтому мощность самоделки редко превышает 2 кВт. Собственно, этой мощности обычно достаточно для энергоснабжения частного дома (конечно, если у вас нет бойлера и мощного кондиционера).

В данном случае, речь идет о федеральном законодательстве. Поэтому перед принятием решения об изготовлении ветряка своими руками, не лишним будет проверить наличие (отсутствие) субъектовых и муниципальных нормативных правовых актов, которые могут накладывать некоторые ограничения и запреты. Например, если ваш дом расположен на особо-охраняемой природной территории, использование ветровой энергии (а это природный ресурс) может потребовать дополнительных согласований.

Проблемы с законом могут возникнуть при наличии беспокойных соседей. Ветряки для дома относятся к индивидуальным постройкам, поэтому на них также распространяются некоторые ограничения:

  • Высота мачты (даже если ветрогенератор без лопастей) не может превышать установленных в вашем регионе норм. Кроме того, могут действовать ограничения, связанные с расположением вашего участка. Например, над вами может проходить посадочная глиссада к ближайшему аэродрому. Или в непосредственной близости от вашего участка проходит линия электропередач. При падении, конструкция может повредить столбы или провода. Общие ограничения при нормальной ветровой нагрузке составляют 15 метров в высоту (некоторые самодельные ветряки взмывают на 30 метров). Если мачта и корпус устройства имеют большую площадь сечения, к вам могут предъявить претензии соседи, на чей участок падает тень. Понятно, что такие жалобы обычно возникают «из вредности», но правовая основа имеется.
  • Шум от лопастей. Основной источник проблем с соседями. При работе классической горизонтальной конструкции, ветряк издает инфразвук. Это не просто неприятный шум, при достижении определенного уровня, волновые колебания воздуха оказывают неблагоприятное воздействие не организм человека и домашних животных. Самодельный генератор для ветряка, как правило, не является «шедевром» инженерной мысли, и сам по себе может издавать сильный шум. Крайне желательно официально протестировать ваше устройство в органах надзора (например, в СЭС), и получить письменное заключение о том, что установленные шумовые нормы не превышены.
  • Электромагнитное излучение. Любой электроприбор излучает эфирные помехи. Возьмем, к примеру ветряк из автомобильного генератора. Для снижения уровня помех автомобильного приемника, в машине устанавливаются конденсаторные фильтры. При разработке проекта обязательно учитывайте этот момент.

    Важно! Любое генерирующее устройство должно быть заземлено. Помимо обеспечения безопасности, это поможет снизить уровень помех.

    Претензии могут быть предъявлены не только от соседей, у которых возникнут проблемы с приемом теле радио сигналов. Если неподалеку расположены промышленные или военные приемные центры, не лишним будет проверить уровень помех в подразделении контроля радиоэлектронных помех (РЭБ).

  • Экология. Звучит парадоксально: казалось бы, вы используете экологически чистый агрегат, какие могут быть проблемы? Пропеллер, расположенный на высоте 15 метров и выше, может стать препятствием на пути миграции пернатых. Вращающиеся лопасти незаметны для птиц, и они легко попадают под удар.

    Совет: Чем больше у вас образуется документов, подтверждающих безопасность ветрогенератора для окружающих, тем проще будет впоследствии отражать «атаки» беспокойных соседей и назойливых проверяющих.

Принцип работы ветрогенератора

Принцип действия ветрогенератора прост: ветер приводит в движение лопасти, вращающие ротор турбины, который преобразует энергию ветра в механическую. Ветровые турбины бывают:

  • с роторами горизонтальной оси;
  • с роторами вертикальной оси.

Преимущество последних в том, что они работают независимо от направления ветра и его силы. Мощность, генерируемая самодельным ветрогенератором, составляет от 100 до 6000 Вт. Минимальная скорость, при которой турбина может начать вырабатывать электроэнергию — 2,5-3 м/с, но для достижения номинальной мощности необходима скорости ветра от 10 м/с.

Ротор обычно вращается со скоростью 15–20 об/мин, тогда как типичный асинхронный генератор вырабатывает электричество со скоростью более 1500 об/мин. Для самодельного ветряка подойдёт автомобильный генератор на 12 вольт.

Принцип работы ветрогенератора

Типовые примеры самодельных ветрогенераторов

Устройство ветрогенератора одинаковое, вне зависимости от выбранной схемы.

  • Пропеллер, который может быть установлен как непосредственно на вал генератора, так и с помощью ременной (цепной, шестеренной передачи).
  • Собственно генератор. Это может быть готовое устройство (например, с автомобиля), либо обычный электродвигатель, который при вращении вырабатывает электроток.
  • Инвертор, регулятор напряжения, стабилизатор — в зависимости от выбранного напряжения.
  • Буферный элемент — аккумуляторные батареи, обеспечивающие непрерывность генерации, вне зависимости от наличия ветра.
  • Установочная конструкция: мачта, кронштейн для монтажа на крыше.

Пропеллер

Можно изготовить из любого материала: хоть из пластиковых бутылок. Правда гибкие лопасти существенно ограничивают мощность.

Достаточно вырезать в них полости, для забора ветра.

Неплохой вариант — ветряк бытового из кулера. Вы получаете готовую конструкцию с профессионально выполненными лопастями и сбалансированным электродвигателем.

Аналогичная конструкция изготавливается из охладителя компьютерных блоков питания. Правда мощность такого генератора мизерная — разве что зажечь лампу на светодиодах, или зарядить мобильный телефон.

Тем не менее, система вполне работоспособна.

Неплохие лопасти получаются из алюминиевых листов. Материал доступен, его несложно отформовать, пропеллер получается достаточно легким.

Если вы создаете роторный пропеллер для вертикального генератора, можно воспользоваться жестяными банкам, разрезанными вдоль. Для мощных систем применяются половинки стальных бочек (вплоть до объема 200 литров).

Разумеется, придется с особой тщательностью подойти к вопросу надежности. Мощный каркас, вал на подшипниках.

Генератор

Как говорилось выше, можно использовать готовый автомобильный, или электродвигатель от промышленных электроустановок (бытовой техники). В качестве примера: ветрогенератор из шуруповерта. Используется вся конструкция: двигатель, редуктор, патрон для крепления лопастей.

Компактный генератор получается из шагового двигателя принтера. Опять же, мощности хватает лишь на питание светодиодного светильника или зарядного устройства смартфона. На природе — незаменимая вещь.

Если вы с паяльником «на ты», и неплохо разбираетесь в радиотехнике — генератор можно собрать самостоятельно. Популярная схема: ветрогенератор на неодимовых магнитах. Преимущества конструкции — можно самостоятельно рассчитать мощность под ветровую нагрузку в вашей местности. Почему неодимовые магниты? Компактность при высокой мощности.

Можно переделать ротор имеющегося генератора.

Либо создать собственную конструкцию, с изготовлением обмоток.

Эффективность такого ветряка на порядок выше, чем при использовании схемы с электродвигателем. Еще одно неоспоримое преимущество — компактность. Неодимовый генератор плоский, и его можно разместить непосредственно в центральной муфте пропеллера.

Мачта

Изготовление этого элемента не требует познаний в электронике, но от его прочности зависит жизнеспособность всего ветрогенератора.

Например, мачта высотой 10–15 метров требует грамотно рассчитанных растяжек и противовесов. Иначе сильный порыв ветра может завалить конструкцию.

Если мощность генератора не превышает 1 кВт, вес конструкции не такой большой, и вопросы прочности мачты отходят на второй план.

Расчет мультипликатора

Генераторная установка имеет наклонную токоскоростную характеристику: с ростом оборотов ротора увеличивается максимальная отдаваемая им мощность. Следовательно, чтобы обеспечить наибольшую эффективность тихоходного ветрогенератора, нам понадобится мультипликатор с большим коэффициентом повышения.

Для самодельной конструкции наиболее оптимальное решение — это ременной мультипликатор: он прост в изготовлении и требует минимума станочных работ. Коэффициент повышения оборотов у него будет равен отношению диаметра ведущего шкива, связанного с осью винта, к диаметру ведомого шкива генератора. При необходимости передаточное число будет легко скорректировать заменой одного из шкивов.

При проектировании мультипликатора нужно учитывать как средние обороты лопастного узла, так и токоскоростную характеристику генератора. Если мы используем серийный автомобильный генератор, то ее без труда можно найти в Интернете, с самодельными же конструкциями, скорее всего, придется идти методом проб и ошибок.

Для примера возьмем распространенный тракторный генератор, о котором уже писали выше.

Взяв расчетную мощность нашей ветроустановки в 90 ватт, найдем точку на графике, соответствующую выходу генератора на эту мощность. При номинальном напряжении 14 В нам потребуется токоотдача не менее 6,5 А — согласно графику, это произойдет при оборотах чуть выше 1000 об/мин. Пусть винт нашей конструкции вращается ветром со скоростью 60 об/мин (ветер средней силы). Значит, нам потребуется как минимум двадцатикратное соотношение диаметров шкивов — для 70-миллиметрового шкива генератора шкив ветряка должен будет иметь диаметр почти полтора метра, что неприемлемо. Это недвусмысленно намекает, насколько мала эффективность ветрогенераторов такого типа — без сложного многоступенчатого редуктора, который сам по себе приведет к большим потерям мощности, вывести автомобильный генератор на рабочий режим практически невозможно.

Читайте так же:  Все подробности про изготовление вихревых теплогенераторов своими руками

Для сравнения, посмотрим на характеристики генераторов, используемых в ветрогенераторах промышленного изготовления. Например, генератор на постоянных магнитах ГВУ1000, по конструкции аналогичный описанной выше самоделке из автомобильного тормозного диска, всего при 200 оборотах в минуту выдает мощность в 1 киловатт. С другой стороны, обратной стороной является его значительные вес (34 кг) и цена (почти 70 тысяч рублей).

Выбор вида

Вариантов или видов лопастей для горизонтальных ветряков существует немного. Причина этого кроется в самой конструкции крыльчатки — создавать сложные формы или конфигурации там попросту негде. Тем не менее, разработки наиболее удачного варианта ведутся постоянно, на сегодня можно выделить несколько видов:

  • твердолопастные крыльчатки
  • парусные

Твердые лопасти изготавливаются из различных материалов сразу в определенной форме, парусные имеют совершенно другую конструкцию. Основой является рамка, на которую натягивается плотное полотно таким образом, чтобы одна из сторон была не прикреплена к рамке. Получается лопасть треугольной формы с одной стороной (от центра к одной из вершин), не закрепленной к основе.

Поток ветра создает давление на парус и придает ему оптимальную форму для схода с плоскости, в результате чего колесо начинает вращаться. Вариант имеет преимущество в массе и весе колеса, но нуждается в постоянном наблюдении за состоянием ткани и крыльчатки в целом.

Для самостоятельного изготовления обычно используют подручные материалы. Учитывая сложный профиль лопастей, хорошим вариантом становится использование листового металла или пластиковых труб.

Виды лопастей

В зависимости от типа ветрового генератора, вид лопастей используемых в каждом конкретном случае, может меняться, но основные конструкции соответствуют следующим типам.

  1. Крыльчатого вида – используются в установка с горизонтальной и вертикальной осью вращения и могут изготавливаться из жестких материалов.

  1. Парусного вида, могут быть крыльчатой формы и изготавливаться с применением мягких материалов:

  1. Плоские – в виде лопастей мельницы, объединяют в себе оба выше приведенных вида, и могут быть изготовлены из легкого и прочного материала (фанера, пластик и т.д.).

Как рассчитать правильно

На КПД ветрового генератора оказывает значительное влияние аэродинамические характеристики устанавливаемых на него лопастей, поэтому перед их изготовлением, производятся специальные расчеты. В результате проведения таких расчетов, изделия проверяются на соответствие полученных результатов требуемым параметрам и прочим требованиям, предъявляемым к ним.

Ветер оказывает воздействие на лопасти генератора и эта сила, или иными словами – напор, действует по направлению воздушного потока. В свою очередь, перпендикулярно к силе напора действует подъемная сила, именно которая и работает в ветровых генераторах с горизонтальной осью вращения (показано на ниже приведенной схеме).

При расчете геометрических размеров лопасти определяется ширина ее хорды и угол ее установки, на схеме β, на всей протяженности элемента устройства.

При проведении расчетов используется метод конечных элементов, суть которого заключается в том, что лопасть рассматривается как совокупность отдельных элементов, входящих в ее состав.

Сила напора ветровых потоков направлена против движения лопасти (на схеме названа «истинным ветром») и на диаграмме разложена на вектора — «скорость ветра» и «окружная скорость». Окружная скорость обеспечивает движение лопастей в плоскости вращения, при этом подъемная сила оказывает воздействие именно в этом направлении.

Сила напора и подъемная сила, определяют производительность ветрового генератора (формула приведена в разделе «Основные характеристики») и зависят от коэффициента подъемной силы, а также коэффициента лобового сопротивления. Кроме этого, данные коэффициенты, находятся в прямой зависимости от геометрического профиля лопасти и угла между линией ее хорды и направлением воздушного потока.

Линия хорды– самая длинная линия при рассмотрении ее сечения, от носка лопасти до ее задней кромки.

  Угол между линией хорды и направлением воздушного потока (набегающий поток) называется углом атаки (угол α).

Коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления определены экспериментальным путем и занесены в специальные журналы (атласы). График зависимости подъемной силы от угла атаки (формы лопасти), выглядит следующим образом:

Наилучшие аэродинамические показатели имеют подобные элементы, обладающие углом α (углом атаки) равным значению – 5.

Еще одним важным параметром, при расположении элементов, является угол их установки (угол β), который определяется по формуле:

где:

R – радиус наружного круга вращения;

r – радиус вращения, без учета комля и и прикомлевой части;

Z – быстроходность кончика данного элемента устройства.

Ширина лопасти (размер «b») это также важный параметр, требующий соответствующего расчета. Наиболее важной частью является наружная, что обусловлено кольцом ветра и площадью охвата, с которым эта часть устройства работает.

Расчет выполняется по формуле:

где:

R – наружный радиус вращения;

r – внутренний радиус вращения, без учета комля и и прикомлевой части;

Z – быстроходность кончика.

i – количество лопастей.

Из данной формулы видно, что:

  • Ширина обратно пропорциональна внутреннему радиусу ее вращения, и что, в свою очередь говорит о том, что наиболее оптимальной формой, является форма треугольника;
  • Ветровой генератор с малым количеством лопастей должен иметь более широкие лопасти;
  • Увеличение быстроходности снижает их ширину.

Быстроходность с показателем «5», является наиболее оптимальной, что позволяет снизить потери установки при максимальном количестве лопастей. На приведенном ниже рисунке, указано, как количество однотипных элементов, установленных на ветровом генераторе, влияет на его быстроходность:

Высокая быстроходность позволяет увеличить КПД ветровых генераторов, при этом негативными факторами, при эксплуатации подобных устройств, будут:

  • Повышенный уровень производимого шума;
  • Вибрация, при использовании одной или двух лопастей;
  • Повышенная эрозия кромок;
  • Трудности старта при малых потоках ветра.

Для снижения уровня шума кончики лопастей делают заостренной формы, а для облегчения старта, основания изготавливаются несколько шире, чем размер «b».

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *