Ветрогенератор и мотор колесо

Ветрогенератор на заднем дворе

Настоящий ветрогенератор — это слишком дорого в том случае, если его планируется использовать для решения простых домашних задач, не требующих большой мощности. Если всё, что нужно — это немного энергии для LED-освещения или для проекта, основанного на Raspberry Pi Zero, это как-то несоразмерно довольно серьёзным деньгам, которые придётся заплатить даже за небольшой ветряк. То же касается и школьных экспериментов, время и деньги, уходящие на организацию которых, обычно стараются свести к минимуму. Школы часто стеснены в средствах.

В этом материале мы расскажем о том, как создать собственный маленький ветрогенератор. Делать мы его будем из велосипедных запчастей и из того, что можно купить в строительном магазине. Стоимость проекта находится где-то в районе $80-150. На создание генератора уйдёт 8-16 часов. При ветре, который чуть сильнее «слабого ветра» по шкале Бофорта, наш генератор способен дать около 1 ватта мощности. Этого достаточно для того чтобы зарядить небольшую батарею, а значит, энергия у нас будет и в безветренную погоду.

Домашний ветрогенератор

Описываемая здесь маленькая ветряная турбина — это, по сути, экспериментальный проект, в ходе работы над которым можно освоить основы ветроэнергетики. Эту турбину нельзя назвать абсолютно надёжным источником энергии. Не стоит ждать от неё чудес! Кроме того, учитывайте, что сильный ветер опасен для нашей турбины. Эта машина не рассчитана на нормальную работу при таком ветре. Он её, скорее всего, разрушит. Поэтому турбину стоит убирать в плохую погоду. В частности, нужно учитывать то, что её обломки, носимые ветром, могут кого-нибудь поранить.

В отличие от типичных коммерческих турбин с горизонтальной осью вращения, оснащаемых тремя лопастями, закреплёнными на горизонтальном валу, в нашем проекте используется вертикальный вал ротора. Это избавляет нас от необходимости в механизме, учитывающем направление ветра, и сильно упрощает проект турбины. Наш генератор, в сущности, представляет собой велосипедное колесо, смонтированное на вертикальной стойке, которое связано с электрическим генератором. В роли лопастей ротора используются восемь «полутруб», вырезанных из дешёвых пластиковых (PVC) канализационных труб и прикреплённых к ободу колеса.

Турбина начинает вращаться при достижении ветром силы, примерно соответствующей 2 баллам (около 6 км/ч) по шкале Бофорта (смотрите таблицу ниже). Если сила ветра достигает 5 по шкале Бофорта (около 30 км/ч), турбина даёт около 1 ватта мощности (по нашим измерениям — 147 мАч при 6,7 В).

Шкала Бофорта (по материалам Википедии)

Шкала силы (скорости) ветра, используемая в наши дни, разработана в 18 веке британским моряком Сэром Френсисом Бофортом (1774 — 1857). Но его нельзя назвать первым, кто приложил усилия к созданию подобной шкалы. Шкале Бофорта предшествовали другие работы, в частности, характеризующие силу ветра по его воздействию на лопасти ветряных мельниц (инженер Джон Смитон, 1759). В том же направлении работал британский географ и гидрограф Александр Далримпл (1737 — 1808). Ещё более ранние шкалы силы ветра созданы астрономом Тихо Браге (1582), естествоиспытателем Робертом Гуком (1663) и Даниэлем Дефо (1704) — купцом, мятежником, шпионом и автором «Робинзона Крузо». В 1829 году Френсис Бофорт был назначен гидрографом Британского Адмиралтейства и передал свою шкалу всем, кому она могла понадобиться. С тех пор шкала Бофорта стала стандартным инструментом для измерения силы ветра.

Материалы и инструменты

• Переднее велосипедное колесо диаметром 28 дюймов и электрический генератор. Я купил новый генератор на eBay за €40, но в Европе часто встречаются подержанные генераторы. В США можно найти такой на eBay, а можно купить дешёвую динамо-втулку Shimano и установить её в старое колесо.
• 2 4-дюймовые PVC-трубы (условный проход трубы — 110 мм) длиной 2 метра. Я использовал тонкостенные трубы, но то, какими именно они будут, особой роли не играет.
• 16 крепёжных винтов с гайками и с большими шайбами. Длина и диаметр винтов зависят от характеристик обода колеса.
• Стальная водопроводная оцинкованная труба диаметром 1 1/2 дюйма с резьбой по обоим концам. Её длина (высота мачты ветряка) подбирается самостоятельно и зависит от условий, в которых придётся работать генератору.
• Стальная трубопроводная арматура для водопроводной трубы 1 1/2 дюйма. Торцевая заглушка (она совершенно необходима) и тройник (необязательно).
• Повышающе-понижающий (buck-boost) преобразователь напряжения DC-DC, такой, как Mesa #DSN6009 4 A. Я рекомендую преобразователь с выходной мощностью 30 Вт.
• 2 электролитических конденсатора, 2200 мкф, как минимум 12 В.
• Мостовой выпрямитель. Минимум — 500 мА.
• Диод 1N4007.
• Термоусаживаемые трубки или изолента.
• Проволочные тросы и винты с петлями (необязательно). Всё это может понадобиться для фиксации мачты.
• Мешок цемента (необязательно). Может понадобиться для крепления мачты.

• Ножовка или электролобзик для резки тонких PVC-труб.
• Дрель со свёрлами для пластика и металла.
• Отвёртка и/или гаечный ключ и комплект насадок, подходящих для используемых винтов, гаек, болтов.
• Паяльник и припой.

Делаем ветрогенератор из велосипедного колеса

Начнём работу над ветрогенератором. Мы будем пользоваться мачтой, сделанной из стальной водопроводной трубы, которая, возможно, будет закреплена в земле с помощью бетона. Принимая решение о высоте мачты и о способе её крепления стоит почитать местные законы. Возможно, в зависимости от условий эксплуатации генератора, мачту понадобится закрепить с использованием растяжек.

▍1. Вырезание лопастей турбины

Мы использовали тонкостенные канализационные PVC-трубы (Рис. A). В Германии, где я живу, такие трубы окрашены в оранжевый цвет, в Северной Америке такие трубы обычно белого цвета.

Мы, с использованием пилы, можем вырезать 4 лопасти из одной двухметровой трубы (Рис. B). Нам нужно 8 лопастей. Постарайтесь резать трубы точно по центру. В идеале все лопасти должны иметь одинаковый вес.

▍2. Прикрепление лопастей к генератору

В роли генератора мы используем велосипедное колесо (обод) с закреплённым в нём генератором (Рис. C). Лучше всего подходят колёса с алюминиевым ободом, так как их легче сверлить. Если вы взяли колесо от старого велосипеда — не забудьте снять с него шину, камеру и тормозные диски.

Прикрепите к колесу лопасти так, как показано на Рис. D, используя 2 винта, гайки и большие шайбы. Лопасти должны быть распределены по ободу равномерно (возможно, вам в этом поможет подсчёт количества спиц между лопастями) и выровнены по центру обода.

▍3. Сборка мачты

Мачту мы будем делать из оцинкованной стальной водопроводной трубы с резьбой на обоих концах. В торцевой заглушке (Рис. E) надо просверлить 9-миллиметровое отверстие и прикрутить колесо к заглушке, пропустив через это отверстие ось генератора с резьбой (Рис. F ниже). После того, как мачта будет надёжно закреплена (!), можно прикрутить к ней заглушку.

В деле надёжной установки мачты может пригодиться тройник, прикрученный к той части трубы, которая будет закреплена в земле и залита бетоном. Тройник позволит надёжно зафиксировать мачту в бетоне. При этом вес бетона должен быть достаточно большим для того чтобы поддерживать и фиксировать мачту. Вся конструкция должна быть надёжно закреплена. В результате, если ожидается буря, можно просто открутить нижнюю часть мачты от бетонного основания и убрать турбину в безопасное место.

Не стоит недооценивать силу, с которой ветер воздействует на окружающие предметы. Эта сила возрастает пропорционально кубу (третьей степени) скорости ветра! Поэтому, если нужно, зафиксируйте мачту с помощью растяжек.

▍4. Сборка электронных компонентов

Наша ветроэлектростанция рассчитана на зарядку свинцово-кислотного аккумулятора с помощью тока, генерируемого динамо-машиной. Используемый нами электрогенератор вырабатывает переменный ток, который мы преобразуем в импульсный постоянный ток, используя мостовой выпрямитель. Этот ток, для его сглаживания, передаётся на два электролитических конденсатора ёмкостью 2200 мкф.

Сглаженный постоянный ток затем подаётся на повышающе-понижающий преобразователь (на eBay он стоит примерно $10), который используется в роли регулятора зарядки аккумулятора. Он преобразует входное напряжение, находящееся в диапазоне от 1,25 до 30 В, в заданное постоянное напряжение. Мы установим выход конвертера на 0,7 вольта выше конечного напряжения заряда аккумулятора (для компенсации прямого напряжения диода). Диод 1N4007 нужен для того чтобы предотвратить обратный ход тока от аккумулятора к конвертеру.

Например, 6-вольтовый свинцово-кислотный аккумулятор имеет напряжение зарядки 7,2 В. Учитывая необходимость добавления прямого напряжения диода, которое равняется 0,7 В, конвертер нужно установить на выходное напряжение в 7,9 В.

Электрическая нагрузка (это может быть что угодно, например — светодиод) будет подключена к выходам аккумулятора. Учитывайте то, что эта нагрузка должна поддерживать выходное напряжение, установленное на конвертере. Сам генератор может быть способен дать лишь небольшой ток, а батарея может выдать несколько ампер. Последствия короткого замыкания могут быть весьма печальными (может случиться пожар). Для того чтобы предотвратить несчастные случаи, нужно, независимо от того, что именно вы подключаете к ветрогенератору, принимать соответствующие меры безопасности.

Штормовое предупреждение!

После того, как электронные компоненты генератора собраны, всё готово к тому, чтобы превратить силу ветра в электроэнергию! Теперь перед вами раскрываются возможности владельца ветрогенератора.

Наш генератор, правда, это всего лишь экспериментальное устройство, недорогая практическая демонстрация принципов работы ветряных турбин, которая может найти применение, например, в школах. Эта турбина не рассчитана на работу при сильном ветре. Когда турбина не используется, или если сила ветра превышает 6 по шкале Бофорта, всю конструкцию нужно разобрать и куда-нибудь спрятать.

Велосипедное колесо и лопасти из труб не рассчитаны на постоянное использование, в особенности — при сильном ветре. Вы можете сами усилить конструкцию в том случае, если хотите, чтобы ветрогенератор работал бы на постоянной основе. (Правда, надо сказать, что моя конструкция оказалась прочнее, чем я ожидал. Я оставил её в саду и она работала там при любой погоде — до тех пор, пока не вышла из строя одна из растяжек. Тогда мачта рухнула и сломалась одна из лопастей турбины.)

Если вас интересует тема ветрогенераторов — можете взглянуть на этот материал и посмотреть это видео. Загляните на этот сайт, посвящённый генератору Chispito. Вот и вот — ещё пара полезных ресурсов.

Ветрогенераторы с генераторами из мотор колеса

Многие ищут готовый генератор для изготовления ветрогенератора, и такой генератор есть, это велосипедное мотор колесо, есть и более мощные, для скутеров и электромобилей. Мотор колесо это готовый трёхфазный генератор на магнитах, номинальная мощность которого в режиме генератора достигается уже при 500-700 об/м, бывают и более высокооборотистые, зависит от конкретной модели.

Например мотор колесо (TM Volta bikes 48vv1000w), скорость вращения которого на холостом ходу в режиме двигателя 460 об/м при 48v. В режиме генератора он выдаст 1кВт при примерно 600 об/м на 48v АКБ. На 12-ти вольтовый АКБ конечно меньше, но заряд будет начинаться примерно при 100-120 об/м, а максимальная мощность с хорошим трёхлопастным винтом будет не более 400-500 ватт. На 24 вольт АКБ максимальная мощность будет лучше, но начало заряда акб с 200-250 об/м.

Есть у мотор колеса и неприятность, это довольно ощутимое залипание, по этому будет тяжело стартовать на слабом ветре, но это уже зависит от стартового момента винта. Винт это отдельная тема и я пока не встречал ветряки с мотор колёсами и хорошими винтами, но вот что мне удалось найти по готовым ветрогенераторам.

Ветрогенератор с мотор колесом мощностью 1 кВт

Этот ветрогенератор имеет деревянный винт диаметром 4 метра. Мотор колесо с цепным приводом и передаточным числом 1:2, то-есть оно вращается в два раза быстрей чем винт. Максимальный ток заряда 12 вольт АКБ достигал 30А. Конструкция думаю понятна ниже на фото

Ветрогенератор сделан вроде бы неплохо, но винт имеет слишком большой диаметр, и из-за этого низкие обороты, и редукция 1:2 не особо помогает поднять мощность ветрогенератора. По этому зарядка начинается поздновато и обороты низкие. Но думаю создатель этого ветрогенератора в будущем это поймёт. Сам винт тоже сделан неизвестно как и не имеет крутки, поэтому скорее всего имеет низкий КИЭВ и быстроходность. В общем конструкция хорошая за исключением винта.

Ветрогенератор с мотор колесом мощностью 1 кВт
и оригинальным креплением

Конструкция этого ветрогенератора на мой взгляд более продумана. у мотор-колеса слабая ось, диаметр которой всего 12 мм, и к тому же она полая и через неё проходят провода. Поэтому если крепить лопасти к корпусу, а генератор за ось с одной стороны то это очень слабое крепление и такой тонкий вал легко может сломать. Здесь сделан переходник с подшипником, на который и приходится вся нагрузка винта.

Винт здесь трёхлопастной, имеет прямой привод на генератор сам винт диаметром под 2.7-3 метра, и имеет неплохую быстроходность и КИЭВ. Мощность этого ветряка при ветре 4-5 м/с составляет 150-250 ватт что уже очень неплохо.

Ветрогенераторы на основе мотор колёс

Ниже ссылки с описанием на другие статьи на сайте где описаны ветряки с мотор колёсами в качестве генератора.

Ветрогенератор из мотор-колеса 900 ватт

В качестве генератора в этом ветряке использовано велосипедное мотор-колесо, максимальная мощность зафиксирована 900 ватт, это на 30 вольт и 30 ампер, ветрогенератор работает на АКБ 24 вольта

Ветрогенератор из мотор-колеса

Немного фотографий небольшого вертикального ветрогенератора. В качестве генератора здесь использовалось мотор-колесо от скутера, передача крутящего момента на генератор цепная, соотношение примерно 1:2,5. Размеры ротора 1*1,6 метра, высота мачты 9 метров. На среднем ветру этот ветряк выдает до 3А и 17v на зарядку щелочного аккумулятора.

В общем мотор колесо хороший генератор, но его стоимость не такая и низкая, стоит оно на 1кВт около 200-250$, это его самый главный минус, но это находка для тех кто сам не может сделать хороший генератор. Также залипание как я уже писал у мотор колеса довольно ощутимое и трёхлопастные винты будут плохо стартовать на слабом ветру. Сам я не пробовал делать ветряк на таком генераторе, но может быть и получится когда нибудь.

Ветрогенератор из мотор-колеса своими руками: проверенные рекомендации по сборке

Изобретение мотор-колеса открыло новую страницу в механике. В компактном устройстве удалось разместить настоящий асинхронный двигатель, который устанавливается в колеса для автомобилей, скутеров или велосипедов на правах ступицы и без труда приводит их в движение. Запустить мотор-колесо в работу может источник вращательного момента. Совершая десятки оборотов в минуту, это уникальное устройство не только обеспечивает движение транспортного средства, но и вырабатывает электроэнергию. Можно с уверенностью сказать: мотор-колесо является готовым генератором, область применения которого может выходить далеко за рамки перемещения обычных транспортных средств.

Можно ли создать ветрогенератор из мотор-колеса своими руками

Превратить простое мотор-колесо в источник энергии несложно: необходимо запустить его вращение, чтобы устройство начало работать как генератор. Потребуется пусковой старт, к выбору источника которого нужно подходить с точки зрения экономической целесообразности. Так, подключать мотор-колесо к обычному топливному генератору нерационально: стоимость полученной энергии будет слишком большой, чтобы говорить об экономии. Если же использовать в качестве источника старта энергию ветра, можно получить дешевое электричество с минимальными затратами, большая часть которых — расходы на сборку и установку конструкции. Наглядное подтверждение сказанного — ветряк из мотор-колеса на видео.

Какими преимуществами обладает ветрогенератор из мотор-колеса

Потратив некоторое время на сборку ветрогенератора из мотор-колеса, вы получите вполне работоспособное устройство с целым набором достоинств:

• Запуск в работу и получение электроэнергии возможны сразу после установки, даже если скорость ветра не превышает 1-2 м/с.
• Можно легко регулировать мощность, снимая или подключая дополнительные обмотки, которые предварительно следует закоротить.
• Компактные устройства весом около 5 кг дают до 1000 Вт и имеют КПД около 80%, модели на 10 кг вырабатывают до 2000 Вт энергии, а конструкции на 20 кг — до 8000 Вт.

Подбирая комплектующие для сборки, стоит продумать, какое мотор-колесо лучше для ветрогенератора. Мощное устройство на 1000 Вт можно собрать из заднего мотор-колеса на 48V1000W. Универсальную модель ветряка из мотор-колеса на 800 Вт можно собрать на базе генератора 48V800W, а компактную модель до 500 Вт — на основе 48V500W.

Конструктивное решение будущей модели

Основа конструкции — это ветряк, состоящий из оси вращения, лопасти и мачты. Реализация остается на усмотрение мастера: подойдет практически любое колесо вплоть до велосипедного, на ободах спиц которого монтируются лопасти из полусфер полипропилена. Также следует выбрать тип расположения генератора: вертикальный или горизонтальный. С учетом сопротивления вращению, естественного для каждого мотор-колеса, очевидным становится преимущество вертикальной конструкции. В ней удастся развести лопасти таким образом, чтобы запустить их в движение смог даже слабый порыв ветра. Такое конструктивное решение особенно важно для тяжелых моделей на основе автомобильных колес. Большинство же домашних умельцев предпочитает собирать ветряк из мотор-колеса гироскутера или велосипеда, чтобы снять проблему запуска при слабом ветре.

Последовательность сборки

• Готовится мотор-колесо, подобранное с учетом напряжения, мощности и предельного числа оборотов в минуту. Устраняются мелкие неполадки, корпус очищается от пыли и приспосабливается к новой жизни.
• Изготавливаются и монтируются лопасти. Можно заказать готовые модели или изготовить их из древесины, стеклоткани или ПВХ-трубы.
• Лопасти соединяются с колесом, тестируются на предмет прочности крепления.
• Монтируется поворотный механизм, благодаря которому самодельные ветрогенераторы из мотор-колеса могут вращаться, улавливая максимальную энергию ветра. Приоритет — у стального узла, прочность которого не боится даже ураганных порывов.
• Приобретается или находится контроллер, который поможет измерить полученную мощность на выходе устройства.

Отдельно монтируется турбина для установки ветряка. В качестве основы можно использовать металлические уголки, последовательно соединенные с помощью болтов и гаек. После завершения сборки турбина надевается на ось, и выполняется статическая балансировка устройства. На данном этапе спешить не надо: чем качественнее собрана и отбалансирована турбина, тем исправнее будет работать ваш новый ветрогенератор из мотор-колеса гироскутера или автомобильного колеса.

Особенности подключения мотор-колеса к устройствам-потребителям

Те, кто желает решить проблему с наименьшими усилиями, подключают выход ветрогенератора напрямую к потребителю. Есть вариант и посложнее: обмотки мотор-колеса последовательно подсоединяются к двум диодам, и на выходе получается нестабилизированное напряжение, уровень которого зависит от скорости вращения генератора. На случай безветренной погоды рекомендуется обзавестись контроллером, который будет направлять полученную энергию на потребителей.

Обратите внимание: при очень сильном ветре и при его отсутствии ветряк следует немедленно отключать. В первом случае он может стать причиной перегрузки потребителя и замыкания. А во втором – не сможет запуститься в работу вследствие нехватки пусковой энергии, которая будет полностью уходить на «нужды» подключенного устройства.

Источник https://habr.com/ru/company/ruvds/blog/546046/

Источник http://e-veterok.ru/079-vetrogeneratori-iz-motor-kolesa.php

Источник https://altenergiya.ru/veter/vetrogenerator-iz-motor-kolesa-svoimi-rukami.html