Ветрогенератор своими силами
Рис. 1. Двухлопастный ветроэлектрический агрегат:
1 – ветряная мельница; 2 – редуктор; 3 – генератор; 4 – опора; 5 – хвост; 6 – столб; 7 – растяжки; 8 – рычаг.
Правильно изготовленный ветреный агрегат при добром обслуживании работает 5-7 лет без особых затрат. Он вырабатывает электрическую энергию, достаточную для освещения двух-трех небольших комнат, питание радиоприемников, зарядки аккумуляторных батарей, его используют для подъема воды из глубины до 15 м, приведение в движение жерновов и т.п.
Основным элементом ветроэнергетичной или ветроводянной установки есть ветряная мельница І (рис. 1). Маломощные агрегаты, которые работают на генератор, как правило, монтируют на столбе или трубе с растяжками. Изготовляя ветроэлектрический агрегат, необходимо правильно подобрать генератор (списанный автотракторный), выпрямитель и регулятор тока, определить размеры ветряной мельницы, качественно изготовить его лопасти, выбрать регулятор частоты вращения. Для лучшего использования энергии ветра удобно, чтобы ветроагрегат
Выбирая лампы для освещения, надо учитывать, что низковольтные осветительные лампочки автомобильного типа имеют добрую светоотдачу. Так, одной лампочки мощностью 15-20 Вт достаточно для освещения помещения площадью 6-8 м2.
При выборе необходимой мощности ветроагрегата надо учитывать силу ветра. В частности, на Украине среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с. Мощность и частота вращения ветродвигателя должны быть рассчитаны на скорость ветра, при которой ветроагрегат дает максимальную мощность на протяжении года. В районах со среднегодовой скоростью ветра 3-5 м/с она равняется 8 м/с. На такую скорость принято рассчитывать мощность и максимальную частоту вращения ветродвигателя. Это означает, что мощность и частота обращения ветродвигателя при скорости ветра свыше 8 м/с должны быть практически постоянными.
Простейший ветроэлектрический агрегат изображен на рис. 2, его монтажную схему – на рис. 3.
Рис. 2. Ветроэлектрический агрегат с генератором; 1 – накладка; 2 – ветряная мельница; 3 – тормозной шкив; 4 – генератор постоянного тока; 5 – хомут с четырьмя рощицами; 6 – кожух; 7 – штанга хвоста; 8 – оперение хвоста; 9 – тяга тормоза; 10-кронштейн; 11-хомут; 12 – гибкий провод; 13 – штепсельная вилка; 14 – штепсельная розетка; 15 – опорная труба; 16 – опора головки; 17 – болт; 18 – распорная втулка; 19 – кольцо; 20 – втулка; 21 – болт; 22 – тормозной рычаг; 23 – упорная втулка; 24 – резиновая трубка.
Рис. 3. Монтажная схема электрооборудования ветроагрегата:
1 – генератор; 2 – пусковая кнопка; 3 – лампа; 4 – выключатель; 5 – батарея; 6 – зажим; 7 – предохранитель; 8 – реле обратного тока; 9 – амперметр; 10 – сигнальная лампа; 11 – текстолитовая панель; 12 – винт массы.
Для усиления втулки ветряной мельницы и предотвращение ее смятия, перед ней закрепленная накладка, а сзади – тормозной шкив, прикрученный к лопасти двумя болтами. Ветряная мельница насаженна на вал генератора и зафиксирована гайкой и законтрогаено шайбой. Генератор закреплен к опоре хомутом. Опору изготовлено из двухдюймовой трубы длиной 200 мм, к которой приварено седло из полосовой стали размером 100х4 мм. Опора генератора одета на трубу, на которой она свободно вращается. Благодаря этому агрегат может с помощью хвоста, который состоит из штанги и оперение, устанавливаться на ветер. На конце опорной трубы находится прокладка из латуни толщиной 1-1,5 мм, на которой крутится опора. Эта прокладка вместе с кольцом, втулкой и трубой образовывает опорный подшипник.
Агрегат останавливают с помощью тормоза, который состоит из тормозного шкива и скобы, выгнутой по внешнему радиусу шкива и приклепанной к рычагу, который охватывает опору генератора. В перемычке рычага есть два отверстия, в которые пропускают обратную пружину и крючок тяги ручной системы остановки. Для остановки ветряной мельницы тягу необходимо натянуть вниз.
Опорную трубу прикрепляют к столбу мачты с помощью двух хомутов.
Ток от генератора подается в щиток гибким кабелем или проводом.
Спецификация деталей ветроэлектрического агрегата
Пропеллер; 2. Тормозной шкив; 3.Накладка; 4.Хомут; 5.Опора головки; 6.Опорная труба; 7. Штанга хвоста; 8. Тяга тормоза;
9. Кронштейн; 10. Болт; 11. Кожух; 12. Оперение; 13. Болт; 14. Кольцо; 15. Втулка;
16. Распорная втулка; 17. Упорная педаль; 18. Тормозная педаль; 19. Хомут с четырьмя гайками.
Выбор генератора
Генераторы ветроагрегатов малой мощности работают при сменной частоте вращения, т.е. в тех же условиях, которые и генераторы автомобилей, тракторов, комбайнов, автобусов. Эти генераторы, почти не изменяя электрических схем и конструкций, используют для самодельных ветроэлектрических агрегатов.
Мощность, необходимую для привода генератора при расчетной частоте вращения, определяют за формулой:
Р = (1,7-2). Рген.н
где: Рген.н. – номинальная или расчетная мощность генератора; коэффициент 1,7-2 – величина постоянная.
Например, имеем генератор сменного тока Г-253 мощностью 0,475 квт. Чтобы определить мощность, необходимую для привода данного генератора, подставляем данные в формулу:
Р = (1,7-2) 0,475. Р=950 Вт.
Ветроагрегат может работать стойко только тогда, когда мощность ветряной мельницы будет на 20-30% выше мощности, необходимой для привода генератора. Отсюда диаметр ветряной мельницы ветроагрегата
D = /5-5,7/ х vРген.н., м,
где коэффициент 5-5,7 – величина постоянная. Итак, для данного генератора диаметр ветряной мельницы должен представлять: D = (5-5,7) х v0,475, м = 5 х 0,22~1,1 м.
Скорость вращения ветряной мельницы при максимальном коэффициенте использования энергии ветра находят так:
n= 60 х ZнV: пD
Принимают скорость ветра V = 8 м/с, быстроходность Zн = 7. Тогда
n = 1070: D об/мин.
Отсюда максимальная скорость обращения нашего ветряной мельницы не должна превышать:
n = 1070: 1,1 =972 об/мин
Выбор места для установления ветроагрегата
На скорость ветрового потока значительно влияют разные преграды, рельеф местности. Надо иметь в виду, что не каждый холм пригодный для установки ветроагрегата. Так, на вершине холма с крутыми склонами вследствие завихрения воздуха ветряная мельница не будет полностью находиться в зоне действия ветрового потока и частота его вращения будет ниже, чем внизу на равнине. Через это для монтажа ветроагрегата необходимо выбирать ровные места или повышенные с пологими склонами.
Не рекомендуется устанавливать агрегат вблизи оврагов, с обрывистыми склонами, поскольку воздушный поток, проходя поперек, нарушает работу ветряной мельницы.
Площадка для агрегата должны быть открытой со всех сторон и поднята над окружающей местностью. Если такого места нет, надо установить агрегат по направлению действия ветра («розы ветров»).
Эти данные можно получить в ближайшей метеорологической станции.
Техника безопасности
Ветроагрегаты должны быть крепкими и безопасными. Минимальная высота башни под ветродвигатель должна быть такой, чтобы нижний конец ветряной мельницы был на 1,5-2 м выше ближайшего препятствия. Изменять размеры деталей ветроустановки, которые приведены в статьи, можно только в сторону их увеличения. Агрегаты с ветряной мельницей диаметром больше 1,5 м разрешается эксплуатировать лишь при наличии механизма, который предотвращает повышение частоты вращения ветряной мельницы и мощности, которую он развивает.
Ветряная мельница своими силами
Чуть ли не главнейшей из составляющих ветряной мельницы – лопасти. Вот почему детально остановимся именно на их изготовлении. От формы и качества лопастей зависит мощность ветроагрегата. Для маломощных – используют двухлопастную ветряную мельницу. Лопасти в нем винтовой формы. При этом образовывается выгодный угол атаки (угол, под которым ветер набегает на каждый элемент лопасти) и сменный по всей длине лопасти угол заклиневания (угол, который образовывает лопасть с плоскостью вращения ветряной мельницы).
Винтообразные лопасти ветряной мельницы изготовляют с помощью шаблонов, параметры которых рассчитывают. Для расчетов принимают диаметр ветряной мельницы Д = 1 м, быстроходность – 7 (отношение круговой скорости конца лопасти к скорости ветра) и коэффициент использования энергии ветра К = 0,35.
Рис.1 Построение разрезов необходимых пяти шаблонов.
Разрезы шаблонов для изготовления лопастей ветряной мельницы приведены на рис. 1, а координаты для построения шаблонов лопастей диаметром 1 м – в табл. 1 и 2 (схему размещения координаты изображены на рис. 2).
Рис. 2 Схема размещения координат для построения профилей разрезов лопастей.
1. Размеры лопастей
1. Разрезы лопастей см. рис. 1
2. Углы заклиневания лопастей
3. Расстояние разрезов лопастей от центра ветроколеса
4. Ширина лопасти в данном разрезе
5. Толщина лопасти в данном разрезе
2. Значения разрезов лопастей, мм см.рис.2
Если необходимо построить профиль лопасти для ветряной мельницы диаметром больше или меньше 1 м, необходимо все размеры таблиц 1 и 2 изменить, умножив их на диаметр ветряной мельницы, которые изготовляют (в метрах). Неизменными останутся только углы заклиневания в каждом перерезе лопастей, а также количество разрезов. Например, для ветряной мельницы диаметром 1,2 м необходимо каждый размер таблиц 1 и 2 помножить на 1,2.
Чтобы получить законченную форму лопасти, нужно за соответствующими размерами построить на листе бумаги точки для пяти профилей лопасти и обвести по точкам контуры с помощью лекала.
Рис. 3 Шаблон для изготовления лопастей
А-верхняя часть шаблона
Б-нижняя часть шаблона
Пример шаблона первого разреза (см. рис. 1) изображено на рис. 3. При этом принято такое обозначение: штрихпунктирная линия – контур шаблона для Д = 1,2 м; штрихпунктирная линия с двумя точками – для Д = 1,5 м; сплошная – для Д = 2 м; штриховая – контур шаблона для Д = 2,5 м.
Профили каждого разреза рисуют в натуральную величину для того, чтобы при изготовлении лопастей вырезать шаблоны.
Деревянная лопасть
Изготавливают из хорошо просушенных сосновых, ясеневых, кленовых или липовых досок, которые не должны иметь дефектов (сучков, кривизны, гнилые и т.п.). На одну ветряную мельницу нужно четыре доски длиной на 4-5 см больше за длину лопасти.
Используют казеиновый клей, столярный не пригодный, поскольку он не влагостойкий. Клей равным пластом и быстрыми движениями наносят щеткой на доски, которые кладут одна на одну и сжимают струбцинами или скручивают проводом с интервалом около 300 мм. Чтобы не повредить поверхности досок, в местах стягивания подкладывают тонкие дощечки. Склеенные доски сушат на протяжении двух суток в сухом помещении с комнатной температурой. Летом их можно сушить под навесом.
Потом боковые поверхности подготовленных досок обрабатывают фуганком. Заготовку предварительно подгоняют под шаблон, изготовленный из плотной бумаги или картона и нацепленный на ее поверхность. Ориентировочные размеры заготовок лопасти приведены в табл. 3 (см. рис. 1 и 3).
Рис.3 Ориентировочные размеры заготовок лопастей, мм
На вырезанной заготовке лопасти в ее центре сверлят отверстие диаметром 16-18 мм. Обрабатывают склеенные доски по шаблонам на контрольной доске шириной не меньше 250 мм при изготовлении лопастей диаметром 2,5 м и на доске меньшей ширины – для меньшего диаметра ветряной мельницы. В центральном отверстии доски закрепляют шпильку диаметром 16-18 мм с двумя гайками.
Вдоль доски наносят осевую линию, а поперек ее делают канавки глубиной 8-10 мм и шириной, которая отвечает толщине шаблонов, которые будут вставлять в прорези.
Шаблоны изготовляют из фанеры толщиной 4-6 мм, нарезанной прямоугольниками размером 250 X 80 мм, на которые наносят осы X-X и Y – Y, строго перпендикулярно одна до одной и параллельно сторонам прямоугольников (рис. 4).
Рис.4 Шаблон для изготовления деревянных лопастей
А-контрольная доска с шаблоном и ветряком
Б-шаблон
1-нижний шаблон
2-верхний шаблон
3-направляющая планка
4-упорная планка
Ось X-X должны быть немного смещенная и должна находиться на расстоянии 100 мм от одной из кромок прямоугольника. Сечение осей образовывает центр профиля разреза лопасти.
Используя рис. 4, наносят и вырезают контуры профилей. Потом шаблоны разрезают на две части, как изображено на рисунке. При составлении двух половин контур выреза должен точно совпадать с профилем.
С помощью шаблонов, которые устанавливают в прорезы контрольной доски, проводят дальнейшую обработку заготовки. Нижние половины шаблонов устанавливают в прорезах доски так, чтобы ось X – X шаблонов находились точно на одной высоте от доски, а ось Y – Y совпадали с осью лопасти, нанесенной на контрольной доске.
Кромки нижней части шаблонов смазывают краской и на них опускают заготовку лопасти, надевая ее отверстием на шпильку в контрольной доске и совмещая ось заготовки с осью доски.
В местах прикосновенья заготовки с шаблонами останется след краски. Заготовку снимают из шпильки и в местах отметки краски вырезают стамеской канавки шириной 8-10 мм и глубиной 3-5 мм. Шаблон снова смазывают краской и кладут на лопасть.
В местах отметки краски делают углубления на 2-3 мм. Такие операции продолжают до тех пор, пока вырезы на заготовке не будут совпадать с профилями нижнего шаблона. Потом снимают заготовку, накручивают на шпильку две гайки, снова надевают заготовку и, установив ее на предыдущее место (шаблон), подводят гайки под нижнюю часть ступицы будущей лопасти. Эту гайку контрят другой и не откручивают ее до конца изготовления лопасти. Заготовку поднимают на шпильке (не снимая из нее), прокручивают ее вокруг оси шпильки на 180° и обрабатывают таким же способом другу половину лопасти до полного прилегания плоскостей всех разрезов к нижней части шаблонов.
Верхние поверхности лопастей обрабатывают по верхним половинкам шаблонов так же, как и нижнюю часть. После этого на обеих лопастях образовывается по пять поясков, разрез которых отвечает профилям лопасти. Необработанную часть заготовки осторожно снимают рубанком к линии краски на поясках. Поверхность лопасти окончательно шлифуют наждачной бумагой, покрывают двумя слоями нитро грунтовки, неровности зачищают. Лопате красят нитрокраской (два раза) их можно покрывать 3-4 слоями клею БФ-2 со следующим просушиванием каждого слоя.
Готовую ветряную мельницу обязательно балансируют.
Изготовление металлической лопасти
Рис. 5. Металлическая лопасть ветряной мельницы:
1 – обшивка; 2 – вал; 3- лонжерон; 4 – большая заклепка; 5 – малая заклепка.
Она состоит из обшивки 1 (рис. 5) толщиной 0,5-0,7 мм, коробчатого лонжерона 3 (листовая сталь толщиной 1,5-2 мм) и вала 2.
Для предоставления необходимого профиля лопасти готовят болванку и стапель. Болванка – это копия лопасти, сделанная из дерева твердой породы (бук, дуб, в крайнем случае сосна). На болванке формируют верхнюю половину обшивки лопасти.
Рис. 6. Стапель:
1— швеллер; 2— нижний шаблон; С — верхний шаблон; 4— ось шарнира; 5— стяжной болт; 6— бобышка для вала.
Стапель – это швеллер 1 (рис. 6), к которому приварены шаблоны. Нижний 2 и верхний 3 шаблоны соединяют болтом, пропущенным через петлю.
Обшивку лопасти, предварительно выгнутую на болванке, закладывают в стапель, сжимают шаблонами и ее кромки соединяют заклепками диаметром 3-4 мм. После этого обшивку вынимают из стапеля, обрезают кромки, запаивают края и красят лопасть внутри, заливая в нее нитро грунтовку.
Потом обшивку снова устанавливают в стапель и заводят у нее коробчатый лонжерон, изготовленный с помощью шаблона, который представляет собой клин, толщина которого уменьшается до конца лопасти. Сверлят отверстия под заклепки, соединяют лонжерон с обшивкой. Заклепки расклепывают, используя металлический клин, на котором выгибают лонжерон. Шаг заклепок – 25-30 мм.
В лонжерон 3 (см. рис. 5) вставляют круглый вал 2, концы которого закрепляют в бобышке 6 (см. рис. 6) стапеля. Круглый вал и лонжерон склепывают заклепками диаметром 5-6 мм, что пропускают сквозь вал и обшивку. Шаг заклепок – 30-40 мм. Вал лопасти имеет при этом заходить вглубь обшивки на 1/3 его длины. Открытую часть обшивки желательно закрыть колпаком, который приклепывают или припаивают к обшивке и плотно подгоняют к валу, герметизируя лопасть. Готовые лопасти балансируют, припаивая олово на их концах, покрывают нитро грунтовкой и красят нитрокраской в два слоя.
Изготовление упрощенной лопасти
Из описанного выше способа изготовления ветряной мельницы видно, что самое сложное задача – образование нужных углов заклиневания, которые предоставляют лопасти винтовую форму. Закручивание лопасти затрудняет ее обработку.
Тем, кому тяжело изготовить винтовую лопасть, рекомендуется сделать упрощенную с постоянным углом заклиневания по всей ее длине. В этом случае коэффициент использования энергии ветра снизится до 10%, однако сделать эту лопасть будет значительно проще. Для ее изготовления необходимые только два крайних шаблона № 1 и № 5. Промежуточные профили разрезов лопасти образовываются сами собой при продольной обработке, поскольку все линии от профиля первого разреза к пятому прямые. При этом угол заклиневания и в первом, и в пятом разрезе должны быть 5°. Координаты этих профилей приведены в таблицах 1 и 2. их можно сохранить и для упрощенной лопасти.
Необходимо отметить, что с увеличением угла заклиневания лопасти будет снижаться быстроходность и повышаться момент старта ветряной мельницы. Уменьшать этот угол к 10-12° можно в агрегатах с редуктором.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)Ветрогенератор своими силами