Ветрогенератор своими руками: как сделать самодельное устройство на 220 В (Вольт) для частного дома самому, и чертеж, условия и простая инструкция изготовления

Теоретическая часть проекта: на что обратить внимание при выборе конструкции

Среднегодовое значение ветра для любой местности России или другой страны можно узнать на карте ветров. Эти данные имеются в широком доступе.

Если рассмотреть всю территорию, то мест для благоприятного пользования ветряной энергией со скоростью от 5 м/сек и выше у нас не так уж много, как в Европе.

Я объясняю эту ситуацию тем, что теплый воздух Гольфстрима, поднимаясь от нагретой воды, сразу устремляется в холодные районы. Чем выше перепад температур, тем больше его скорость.

Пройдя несколько тысяч километров над Европой, его сила слабеет. Наибольший перепад температур весной и осенью вызывает бури и ураганы.Нам важно понимать, как определить скорость ветра правильно в своей местности.

Возьмем величину 5 м/сек за основу, и рассчитаем мощность ветрового потока для наиболее распространенного горизонтально расположенного осевого генератора.

Учтем, что его лопасти охватывают площадь круга S (м кв.) с диаметром D (м). Через нее проходит ветер со скоростью V (м/сек).

Ветровая энергия Рв рассчитывается по формуле:

Рв=V³∙ρ∙S

ρ — это плотность воздушной массы (кг/м куб.)

Если взять усредненные значения, например, площадь 3 м кв и плотностьвоздуха 1,25 кг/м3, то ветер, дующий со скоростью 5 м/сек, способен создать мощность чуть меньше, чем 2 киловатта.

Теперь наша задача — определить, какая ее часть сможет преобразоваться в полезную электрическую энергию. Грубо ее можно оценить по процентному соотношению в 30÷40%. Конструкция и технологические характеристики ветряного колеса просто не позволят эффективно взять больше.

Более точное определение находят формулой, учитывающей:

• коэффициент ε, определяющий долю использования ветряной энергии конструкцией ветряка. Максимальная величина, создаваемая быстроходными конструкциями, составляет 40-50%;
• КПД редуктора —∙максимум порядка 90%;
• КПД генератора ≈85%.

Величины всех этих коэффициентов у разных моделей генераторов ветряков сильно отличаются между собой. Я привел значения для промышленных изделий. У самодельщиков они будут значительно ниже.

Если подставить все эти цифры, то даже для заводской конструкции ветрогенератора, сделанной по точным чертежам и на промышленных станках, мы сможем при скорости 5 м/сек и описываемой площадью лопастями винта 3 метра квадратных получить меньше 700 ватт электрической энергии.

Какую ее часть сможет взять самодельный ветряк, остается только догадываться.

Мировые производители ветрогенераторов указывают, что для того, чтобы вырабатывать 3 кВт электроэнергии, а это оптимальная величина для частного дома, необходимо:

• снимать с ветряного колеса порядка 5,1 кВТ;
• иметь диаметр ротора 4,5 метра;
• располагать ветряк на высоте от 12 метров;
• использовать ветер со скоростью 10 м/сек.

Колесо должно начинать вращать генератор уже на 2 м/сек. Только в этом случае можно говорить об окупаемости всей конструкции и эффективном использовании мощности ветра.

Если же скорость снизится, хотя бы до 7 м/сек, то энергия ветрогенератора упадет на 50%. А теперь еще раз внимательно посмотрите на карту ветров России…

Однако не все так плохо. Теоретические расчеты можно проверить на практике. Для нашего случая продажа предлагает многочисленные конструкции измерительных приборов — анемометры.

Стоят они не дорого, имеют дополнительные функции измерения температуры, указания текущего времени. Их можно заказать в Китае.

Такой анемометр позволяет реально оценить силу ветра на вашей местности, чтобы проанализировать варианты эксплуатации будущей ветроэлектростанции (ВЭС). А их минимум 2:

1. частичное удовлетворение потребностей в электроэнергии;
2. полный переход на альтернативную энергетику.

Аккумуляторы для ветрогенератора: еще одна проблема для владельца дома

Одна из затратных задач ветряной или солнечной электростанции — вопрос хранения электрической энергии, которую решают только аккумуляторы. Их придется покупать и обновлять, а стоимость — довольно высокая.

Для их выбора необходимо знать рабочие характеристики: напряжение и емкость. Обычно применяются составные батареи из АКБ на 12 V, а количество ампер-часов в каждом конкретном случае стоит определить опытным путем, исходя из мощности потребителей, времени их работы.

Выбирать аккумуляторы для ветрогенератора придется из довольно широкого ассортимента. Ограничусь не полным обзором, а только четырьмяпопулярными типами кислотных АКБ:

1. обычные стартерный автомобильные;
2. AGM типа;
3. гелевые;
4. панцирные.

Продавцы не рекомендуют приобретать для ветростанций стартерные аккумуляторы потому, что они созданы для работы в критических условиях эксплуатации автомобиля:

• при хранении на морозе должны выдерживать огромные токи стартера, которые создаются при раскрутке холодного двигателя;
• во время езды подвергаются вибрациям и тряске;
• подзарядка происходит в буферном режиме от генератора
  при движении авто с различными оборотами двигателя.

При этом:

• обслуживаемые АКБ, требующие периодического уровня электролита и доливки дистиллированной воды, созданы для выдерживания 100 циклов разряд/заряд;
• не обслуживаемые — имеют более сложную конструкцию и количество циклов 200.

Однако АКБ ветрогенератора при эксплуатации внутри дома:

• обычно помещаются в подвальном помещении, где температура, круглогодично поддерживаемая на уровне 5÷ 10 градусов, является оптимальной;
• не подвергаются тряскам и вибрациям, стационарно
  установлены в неподвижном состоянии;
• не получают экстремальные нагрузки при стартерном запуске, а при включении бытовых приборов через инвертор работают в щадящем режиме;
• заряжаются от генератора небольшими токами, которые благоприятно действуют на режим десульфатации пластин.

Все это является самыми выгодными условиями для их эксплуатации. Поэтому этот вариант предлагаю взять на заметку тем, кому не лень периодически контролировать напряжение на банках и следить за уровнемэлектролита в них.

AGM аккумуляторы более сложные по устройству. У них такие же пластины, но кислотой пропитаны стеклянные маты, работающие одновременно диэлектрическим слоем. Их цикл разряда/заряда — 250÷400. Перезаряд опасен.

Голевые АКБ тоже создаются необслуживаемой конструкцией с герметичным корпусом и загущенным до состояния геля электролитом. Они очень не любят перезаряд, но более стойки к глубокому разряду. Число расчетных циклов —350.

Панцирные аккумуляторы относятся к самым современным разработкам. Их электродные пластины защищены полимерами от воздействия кислоты. Диапазон циклов эксплуатации: 900÷1500.

Все эти четыре типа АКБ значительно отличаются по цене и условиям эксплуатации. Если взять во внимание рекомендации продавцов, то придется выложить довольно приличную сумму денег.

Однако я вам рекомендую предварительно послушать полезные советы, которые дает в своем видеоролике «Как выбрать аккумуляторы для ВЭС и солнечной станции» все тот же владелец «Солнечные батареи».

У него на этот счет свое, противоположное мнение. Как вы отнесетесь к нему — ваше личное дело. Однако, знать информацию из противоположных источников и выбрать из нее наиболее подходящий вариант: оптимальное решение для думающего человека.

Выбор генератора

Наиболее логичным вариантом генераторной установки для самодельного ветряка кажется автомобильный генератор. Такое решение позволяет легко скомпоновать установку, так как генератор уже имеет и крепежные точки, и шкив для ременного мультипликатора. Купить и сам генератор, и запчасти к нему нетрудно.

Но, как уже было сказано выше, КПД генераторов с обмоткой возбуждения достаточно низок, что весьма чувствительно для и без того маломощного ветряного генератора. Второй минус в том, что при разряженном аккумуляторе автомобильный генератор не сможет возбудиться.

В ряде самодельных конструкций можно встретить тракторные генераторы Г-700 и Г-1000. Их КПД ничуть не больше, полезным отличием являются лишь намагниченность ротора, позволяющая возбудить генератор даже без аккумуляторной батареи, и низкая цена.

1. Одну из щеток двигателя соедините с корпусом — это будет отрицательный полюс генератора. Сюда же надежно подключите металлический корпус реле-регулятора и клемму «-» аккумулятора.
2. Клемму 67 реле соедините с одним из выводов статорной обмотки, второй временно с корпусом.
3. Клемму 15 соедините через выключатель с положительным полюсом аккумулятора (при этом на обмотку подастся ток возбуждения). Придайте ротору вращение в том же направлении, что будет обеспечивать винт ветроустановки, и подключите между свободной щеткой и корпусом вольтметр. Если на щетке обнаружится отрицательный потенциал, поменяйте местами соединения статора с реле-регулятором и массой.

Основной особенностью подключения генератора постоянного тока к аккумуляторной батарее является необходимость в разделении их полупроводниковым диодом, не дающим аккумулятору разряжаться на обмотку ротора при остановке генератора. В современных автомобильных генераторах эту функцию выполняет трехфазный диодный мост, и мы также можем его использовать, параллельно соединив его фазы для уменьшения падения напряжения на нем.

Наибольшую же мощность можно снять с генератора, ротор которого состоит из неодимовых магнитов. Распространены конструкции на основе автомобильной ступицы с тормозным диском, по краю которого закрепляются мощные магниты. На минимальном расстоянии от них располагается статор с однофазной или трехфазной обмоткой.

Такой генератор хорош многим: он возбуждается уже при низких оборотах даже при севшем аккумуляторе, не требует обслуживания щеточного узла. Но при этом его выходное напряжение невозможно отрегулировать, так как оно зависит только от частоты вращения.

Домашняя электростанция с генератором на неодимовых магнитах потребует подключения его к дополнительному инвертору для обеспечения зарядки аккумуляторной батареи в большом диапазоне скоростей ветра. Также это устройство часто называется контроллером заряда батарей.

Существует несколько различных вариантов реализации контроллера в зависимости от конкретного решения конструкции генератора. Так как у подобных самоделок большой разброс параметров, приведенную схему стоит рассматривать как иллюстрацию общего принципа устройства контроллера, а не как обязательное решение.

Как видно, эта схема рассчитана на использование в качестве генератора коллекторного электродвигателя. Если же вы использовали самодельный генератор переменного тока, добавьте диодный мост на его выход.

Напряжение с генератора через контрольный узел, состоящий из вольтметра и амперметра, подается на вход двух импульсных стабилизаторов. Зарядку аккумулятора осуществляет блок 2, в то время как задача блока 1 — защита от ухода генератора в разнос при сильном ветре и малом потреблнеии тока нагрузкой: при превышении напряжением порога, задаваемого движком потенциометра R3, блок 1 начинает подавать напряжение на подключенный к его выходу мощный нагрузочный резистор, о чем сообщает загорающийся светодиод LED2.

Нагрузка, не требующая точной стабилизации напряжения (например, низковольтные лампы накаливания), подключаются в обход стабилизатора к выводу диода D2.

Как установить ветрогенератор: надежная схема мачты для крепления на высоте

Вес рабочего колеса для нормального получения электрической энергии получается довольно приличным. На простой стойке его не установить.

Потребуется создавать прочный бетонный фундамент под металлическую мачту и анкерные болты оттяжек. Иначе вся собранная с большим трудом конструкция может рухнуть в любой неподходящий момент времени.

Стойка для ветрогенератора, поднятого на высоту, может быть выполнена:

1. в виде сборной мачты, собранной из секций с раскосами;
2. или конусной трубчатой опорой.

Обе схемы потребуют усиления от опрокидывания за счет создания нескольких ярусов оттяжек из тросов, которые необходимы для удержания мачты при шквальных порывах ветра. Их придется надежно крепить к стопорам и анкерам.

Из личного неудачного опыта: во время пользования аналоговым телевидением у меня работала антенна «Паутинка» с диаметром обруча 2м. Она располагалась на высоте 8 метров, была закреплена на деревянном шесте с двумя уровнями оттяжек. Шквальные порывы ветра ее раскачали так, что стойка развалилась.

Современное цифровое телевидение, к счастью, требует использования антенн значительно меньших размеров. Их не только просто делать своими руками, но и крепить не так уж сложно.

Как сделать мачту для ветряка

Сразу обратите внимание на создание прочной, безаварийной конструкции. Иначе просто повторите печальный опыт работников «ЯнтарьЭнерго», у которых во время шторма произошла авария: многотонная мачта рухнула, а осколки от лопастей разлетелись по всей округе.

Устройство мачты потребует расчета количества материалов, необходимых для создания сооружения из стального уголка различного сечения. Форма и габариты выбираются по местным условиям.

Ее делают из трех или четырех вертикальных стоек. Каждая из них снизу монтируется на упор. Вверху мачты создается площадка для установки ветряка.

Поскольку длина уголков ограничена, то мачту собирают из нескольких секций. Жесткость общему креплению придают боковые ребра, крепящиеся через раскосы.

Обязательным элементом фундамента являются закладные металлические элементы. Они будут использоваться для крепежа деталей. Придется позаботиться о сварке и соединительных болтах.

Не стоит пренебрегать дополнительными оттяжками.

Как сделать опору из труб

Телескопическую конструкцию из стальных труб соответствующего профиля собрать проще, но ее следует более тщательно рассчитать на прочность. Изгибающий момент, создаваемый тяжелой верхушкой при штормовом ветре не должен превысить критического значения.

При этом возникнут сложности с профилактическим обслуживанием, осмотром и ремонтом собранной воздушной электростанции. Если по мачте можно подняться на высоту как по лестнице, то по трубе это сделать проблематично. Да и работать наверху очень опасно.

Поэтому сразу необходимо продумать вариант безопасного опускания оборудования на землю и доступного способа его подъема. Это позволяет выполнить одна из двух схем с:

1. Поворотной осью на основной опоре.
2. Упорным рычагом на нижней части опорной стойки.

В первом случае создается прочный фундамент для установки основной опоры. На ее оси вращения крепится сваренная трубная конструкция с ветряком и полиспастной системой на стальных тросах.

Снизу трубы расположен противовес, облегчающий работу по подъему и опусканию с помощью ручной лебедки.

На картинке не показаны страховочные тросы поясов оттяжек. Они просто свисают со своих креплений вниз на землю при подъеме и опускании мачты, а к стационарным забетонированным кольям крепятся для постоянной работы.

Схема установки и опускания ветряка по второму варианту приведена ниже.

Мачту и расположенный под прямым углом к ней упорный рычаг с противовесом, усиленный ребром жесткости, поворачивают в вертикальном направлении лебедкой с полиспастной системой.

Ось вращения созданной конструкции находится в вершине прямого угла и закреплена в направляющих, вмонтированных в фундамент. Троса оттяжек при подъеме или опускании мачты снимают со стационарных креплений на земле. Они могут использоваться в качестве страховочных фал.

Разбор ошибок конструирования

Сборка ветрогенератора в бытовых условиях собственными руками – дело, конечно же, не безошибочное. Даже в конструкциях промышленных ветряков инженерами допускаются ошибки. Но на ошибках учатся, о чём подтверждают вполне состоявшиеся бытовые конструкции.

Итак, среди ошибок при устройстве бытовых ветряных генераторов часто фигурирует такая деталь, как отсутствие в конструкции генератора модуля торможения. Стандартное исполнение таких приборов (автомобильных или тракторных) такой детали не предусматривает. Значит, генератор необходимо дорабатывать.

Однако не каждому «конструктору» хочется заниматься этим тонким делом. Многие игнорируют эту деталь, надеясь на «авось». Как результат – при сильном ветре винт раскручивается до неимоверно высоких скоростей. Подшипники генератора не выдерживают, разбивают посадочные места алюминиевых крышек. Происходит клин ротора.

К этой же теме относится недоработка, связанная с отсутствием ограничителя поворота флюгера. Нередко этот компонент попросту забывают установить и вспоминают только тогда, когда потоки ветра начинают раскручивать «петушка» вокруг своей оси, как юлу в передаче «Что? Где? Когда?». Результат плачевный.

Минимум ущерба  – перекручивание и обрыв электрического кабеля, а в тяжёлых случаях – разнос всей конструкции.

Другая примечательная ошибка сборки – неправильный расчёт точки центра тяжести на основании флюгера. В этом случае устройство какое-то время может функционировать нормально. Но со временем образуется перекос на подшипниковом узле, свобода вращения ограничивается, эффективность конструкции по отдаче энергии резко снижается.

О том, как правильно рассчитать ветрогенератор, узнаете из предложенной нами статьи.

Нередко током, полученным от генератора, пытаются напрямую питать аккумуляторную батарею. Совсем скоро начинают удивляться – почему аккумулятор не держит заряд или обнаруживают пробой 2-3 банок.

Это банальная и естественная ошибка, так как в любом случае заряд АКБ должен проходить в условиях определённых токов и напряжений. Здесь нужен контроль этого процесса.

Домашним мастерам, заинтересованным темой сборки ветрогенератора, предлагаем ознакомиться еще с одним оригинальным вариантом. В предложенной статье описано изготовление генерирующей установки из бросовых деталей стиралки.

Фото-пример сборки ветряка по шагам

Рассмотрим пример сооружения ветряка на 24 В, собранного на базе автомобильного генератора. Самоделка начинает стабильно работать при силе ветра 5 м/с. В средне-ветреную погоду с порывами от 15 м/с установка поставляет от 8 до 11 А, в дни с сильными ветрами КПД увеличивается. Мощность не более 300 Вт.

Фактически вся работа выполнена, остается соединить разрозненные компоненты полезной в быту установки:

Сооруженная своими руками установка развивает 24 В, применять ее можно для зарядки аккумуляторов мобильной техники и для поставки энергии в линии освещения с энергосберегающими светильниками.

Этапы изготовления

Соберите мотор-генератор. Устройство готово к дальнейшему монтажу. Для проверки устройства зажмите его вал в патроне дрели или шуруповёрта и разгоните до 1000 оборотов в минуту.

Напряжение на концах обмотки от 110 вольт можно считать подходящим.

Лучший контакт дадут позолоченные клеммы, извлечённые из любой старой техники.