Генератор для ветрогенератора, часть 1, расчёты

Как сделать ветрогенератор своими руками: устройство, принцип работы + лучшие самоделки

Сложно не заметить, насколько стабильность поставок электроэнергии загородным объектам отличается от обеспечения городских зданий и предприятий электроэнергией. Признайтесь, что вы как владелец частного дома или дачи не раз сталкивались с перебоями, связанными с ними неудобствами и порчей техники.

Перечисленные негативные ситуации вместе с последствиями перестанут осложнять жизнь любителей природных просторов. Причем с минимальными трудовыми и финансовыми затратами. Для этого нужно всего лишь сделать ветряной генератор электроэнергии, о чем мы детально рассказываем в статье.

Мы подробно описали варианты изготовления полезной в хозяйстве системы, избавляющей от энергетической зависимости. Согласно нашим советам соорудить ветрогенератор своими руками сможет неопытный домашний мастер. Практичное устройство поможет существенно сократить ежедневные расходы.

Законность установки ветрогенератора

Альтернативные источники энергии – мечта любого дачника или домовладельца, участок которого находится вдали от центральных сетей. Впрочем, получая счета за электроэнергию, израсходованную в городской квартире, и глядя на возросшие тарифы, мы осознаём, что ветрогенератор, созданный для бытовых нужд, нам бы не помешал.

Прочитав эту статью, возможно, вы воплотите свою мечту в реальность.

Ветрогенератор — отличное решение для обеспечения загородного объекта электроэнергией. Причем в ряде случаев его установка является единственным возможным выходом

Чтобы не потратить зря деньги, силы и время, давайте определимся: есть ли какие-либо внешние обстоятельства, которые создадут нам препятствия в процессе эксплуатации ветрогенератора?

Для обеспечения электроэнергией дачи или небольшого коттеджа достаточно малой ветроэнергетической установки, мощность которой не превысит 1 кВт. Такие устройства в России приравнены к бытовым изделиям. Их установка не требует сертификатов, разрешений или каких-либо дополнительных согласований.

Для того чтобы определиться с целесообразностью устройства ветрогенератора, необходимо выяснить ветроэнергетический потенциал конкретной местности (кликните для увеличения)

Никакого налогообложения производства электроэнергии, которая расходуется на обеспечение собственных бытовых нужд, не предусмотрено. Поэтому маломощный ветряк можно смело устанавливать, вырабатывать с его помощью бесплатную электроэнергию, не уплачивая при этом государству никаких налогов.

Впрочем, на всякий случай следует поинтересоваться, нет ли каких-либо местных нормативных актов, касающиеся индивидуального энергоснабжения, которые могли бы создать препятствия в установке и эксплуатации этого устройства.

Ветрогенераторы, которые способны удовлетворить большинство потребностей среднего фермерского хозяйства, не могут вызвать нареканий даже со стороны соседей

Претензии могут возникнуть у ваших соседей, если они будут испытывать неудобства, связанные с эксплуатацией ветряка. Не забывайте, что наши права заканчиваются там, где начинаются права других людей.

Поэтому при покупке или самостоятельном изготовлении ветрогенератора для дома нужно обратить серьёзное внимание на следующие параметры:

• Высота мачты. При сборке ветрогенератора нужно учитывать ограничения на высоту индивидуальных построек, которые существуют в ряде стран мира, а также местонахождение собственного участка. Знайте, что поблизости от мостов, аэропортов и тоннелей строения, высота которых превышает 15 метров, запрещены.
• Шум от редуктора и лопастей. Параметры создаваемого шума можно установить при помощи специального прибора, после чего зафиксировать результаты замеров документально. Важно, чтобы они не превышали установленные шумовые нормы.
• Эфирные помехи. В идеале при создании ветряка должна быть предусмотрена защита от создания телепомех там, где ваше устройство может такие неприятности обеспечить.
• Претензии экологических служб. Эта организация может препятствовать вам в эксплуатации установки только в том случае, если она мешает миграции перелетных птиц. Но это маловероятно.

При самостоятельном создании и монтаже устройства учите эти моменты, а при покупке готового изделия обратите внимание на параметры, которые стоят в его паспорте. Лучше заранее обезопасит себя, чем впоследствии расстраиваться.

Целесообразность устройства ветряка обосновывается в первую очередь достаточно высоким и стабильным ветряным напором в местности

Необходимо располагать достаточно большим участком, полезная площадь которого не будет существенно сокращена из за установки системы

Из-за сопровождающего работу ветряка шума желательно, чтобы между жильем соседей и установкой было не менее 200 м

Убедительно аргументирует в пользу устройства ветрогенератора неуклонно повышающаяся стоимость электроэнергии

Устройство ветрогенератора возможно только в местностях, власти которых не препятствуют, а лучше еще и поощряют использование зеленых видов энергии

Если в регионе сооружения мини электростанции, перерабатывающей энергию ветра, случаются частые перебои, установка минимизирует неудобства

Владелец системы должен быть готов к тому, что вложенные в готовое изделие средства не окупятся сразу. Экономический эффект может стать ощутимым через 10 — 15 лет

Если окупаемость системы — не последний момент, стоит задуматься об сооружении мини электростанции собственными руками

Принцип работы ветряной установки

Ветрогенератор или ветроэлектрическая установка (ВЭУ) – это устройство, которое используется в целях преобразования кинетической энергии потока ветра в механическую энергию. Полученная механическая энергия вращает ротор и преобразуется в необходимый нам электрический вид.

Принцип действия и устройство кинетического ветряка подробно описаны в статье, с которой мы рекомендуем ознакомиться.

В состав ВЭУ входят:

• лопасти, образующие пропеллер,
• вращающийся ротор турбины,
• ось генератора и сам генератор,
• инвертор, который преобразует переменный ток в постоянный, использующийся для зарядки батарей,
• аккумулятор.

Суть устройства ветряных установок проста. В процессе вращения ротора образуется трехфазный переменный ток, который затем проходит через контроллер и заряжает аккумуляторную батарею постоянного тока. Дальше инвертор преобразует ток, чтобы его можно было потреблять, питая освещение, радиоприемник, телевизор, микроволновую печь и так далее.

Подробное устройство ветрогенератора с горизонтальной осью вращения позволяет хорошо представить себе, какие элементы способствуют превращению кинетической энергии в механическую, а затем в электрическую

В целом, принцип работы ветрогенератора любого типа и конструкции заключается в следующем: в процессе вращения возникает три вида силового воздействия на лопасти: тормозящее, импульсное и подъёмное.

Эта схема работы ветроустановки позволяет понять, что происходит с электроэнергией, произведенной работой ветрогенератора: часть её аккумулируется, а другая — потребляется

Две последние силы преодолевают тормозящую силу и приводят в движение маховик. На неподвижной части генератора ротор формирует магнитное поле, чтобы электрический ток пошел по проводам.

Для изготовления ветряного генератора энергии подойдет двигатель от ненужной бытовой техники. Чем больше вольт приходится на один оборот, тем эффективней станет работать система

К ротору мотора присоединяется втулка, на которой фиксируются лопасти устройства. Лобовой узел лучше закрыть защитным кожухом

Лобовую часть с мотором и лопастями необходимо уравновесить с хвостовой частью. Плечо хвоста из трубы или рейки должно быть длиннее, на его краю закрепляется хвостовик любой формы

У мачты, удерживающей ветряк, должны быть минимум три опоры, сооружение требуется подключить к контуру заземления и устроить молниеотвод

Классификация видов генераторов энергии

Существует несколько признаком, по которым классифицируют ветроэлектрические установки. Как подобрать оптимальный вариант устройства для загородной собственности подробно рассказано в одной из самых популярных статей на нашем сайте.

Итак, ветряки различаются по:

• числу лопастей в пропеллере;
• материалам изготовления лопастей;
• расположению оси вращения относительно поверхности земли;
• шаговому признаку винта.

Встречаются модели с одной, двумя, тремя лопастями и многолопастные.

Изделия с большим числом лопастей начинают своё вращение даже при небольшом ветре. Обычно их используют в таких работах, когда сам процесс вращения важнее получения электроэнергии. Например, для извлечения воды из глубоких скважинных стволов.

Оказывается лопасти ветрогенератора можно делать не только из твердых материалов, но и из доступной по цене ткани

Лопасти могут быть парусными или жесткими. Парусные изделия намного дешевле жестких, на изготовление которых идёт металл или стеклопластик. Но их приходится очень часто ремонтировать: они непрочные.

Что касается расположения оси вращения относительно земной поверхности, различают вертикальные ветряки и горизонтальные модели. И в этом случае каждая разновидность имеет свои преимущества: вертикальные более чутко реагируют на каждое дуновение ветра, зато горизонтальные мощнее.

Ветрогенераторы разделяются по шаговым признакам на модели с фиксированным и изменяемым шагом. Изменяемый шаг позволяет существенно увеличивать скорость вращения, но такая установка отличается сложной и массивной конструкцией. ВЭУ с фиксированным шагом проще и надёжнее.

От изрядно поврежденного автогенератора после разборки остался лишь статор, для которого был отдельно сварен корпус

Для того чтобы восстановить технические характеристики двигателя, надо перемотать 36 катушек статора. В перемотке потребуется провод диаметром 0,56 мм. Витков надо сделать по 35 штук

Перед креплением лопастей отремонтированный двигатель надо собрать, покрыть лаком или хотя бы эпоксидкой, поверхность нужно покрасить

Ось, предназначенная для обеспечения вращения, выполнена из отвода трубы 15. К оси приварены подшипники, которые привалены через отрезок трубы 52

В изготовлении хвоста использована оцинкованная листовая сталь толщиной 4 мм, загнутая по краям и установленная в выбранный в рейке паз

Лопасти вырезаны из полимерной канализационной трубы, прикреплены к соединяемому с двигателем треугольнику шурупами

Практически бесплатный ветряной генератор можно сделать из бросовых деталей: двигателя от старого автомобиля и обрезка канализационной трубы

Ветроэлектрическая установка роторного типа

Разберёмся, как смастерить своими руками простой ветряк с вертикальной осью вращения роторного типа. Такая модель вполне может обеспечить потребности в электроэнергии садового домика, разнообразных хозяйственных построек, а также подсветить в темное время суток придомовую территорию и садовые дорожки.

Лопасти этой установки роторного типа с вертикальной осью вращения явно выполнены из элементов, вырезанных из металлической бочки

Наша цель – изготовление ветряка, предельная мощность которого составит 1,5 кВт.

Для этого нам понадобятся следующие элементы и материалы:

• автомобильный генератор на 12 V;
• гелиевый или кислотный аккумулятор на 12 V;
• полугерметичный выключатель разновидности «кнопка» на 12 V;
• преобразователь 700 W – 1500 W и 12V – 220V;
• ведро, кастрюля большого объёма или другая вместительная ёмкость из нержавеющей стали или из алюминия;
• автомобильное реле контрольной лампы заряда или зарядки аккумулятора;
• автомобильный вольтметр (можно любой);
• болты с гайками и шайбами;
• провода сечением 4 квадратных мм и 2,5 квадратных мм;
• два хомута для закрепления генератора на мачте.

В процессе выполнения работ нам будут нужны болгарка или ножницы по металлу, строительный карандаш или маркер, рулетка, кусачки, сверло, дрель, ключи и отвертка.

Контроллер для системы, генерирующей электроэнергию, также можно собрать своими руками. С правилами и схемами изготовления контроллера для ветряка ознакомит статья, с содержанием которой мы советуем ознакомиться.

Стартовый этап изготовления установки

Изготовление самодельного ветряка начинаем с того, что возьмем большую металлическую ёмкость цилиндрической формы. Обычно для этой цели используют старую выварку, ведро или кастрюлю. Именно она будет основой для нашего будущего ВЭУ.

С помощью рулетки и строительного карандаша (маркера) нанесем разметку: поделим нашу ёмкость на четыре одинаковые части.

Выполняя разрезы в соответствии с теми указаниями, которые содержатся в тексте, ни в коем случае не прорезайте металл до конца

Металл придется резать. Для этого можно использовать болгарку. Её не применяют для разрезания ёмкости из оцинкованной стали или окрашенной жести, потому что металл такого вида обязательно перегреется. Для таких случаев лучше использовать ножницы. Вырезаем лопасти, но не прорезаем их до самого конца.

Варианты, схемы и рекомендации по изготовлению различных моделей лопастей для ветрогенератора вы найдете в рекомендуемой нами статье.

Одновременно с продолжением работ над ёмкостью мы будем переделывать шкив генератора. В днище бывшей кастрюли и в шкиве нужно наметить и просверлить отверстия для болтов. К работам на этой стадии нужно отнестись максимально внимательно: все отверстия должны располагаться симметрично, чтобы в ходе вращения установки не возникло дисбаланса.

Так выглядят лопасти ещё одной конструкции с вертикальной осью вращения. Каждая лопасть изготавливается отдельно, а потом монтируется в общее устройство

Отгибаем лопасти так, чтобы они не слишком торчали. Когда мы выполняем эту часть работы, обязательно учитываем, в какую сторону будет вращаться генератор.

Обычно направление его вращения ориентировано по ходу часовой стрелке. Угол изгиба лопастей влияет на площадь воздействия воздушных потоков и на скорость вращения пропеллера.

Теперь нужно закрепить на шкиве ведро с подготовленными к работе лопастями. Устанавливаем генератор на мачту, зафиксировав его при этом хомутами. Осталось присоединить провода и собрать цепь. Подготовьтесь записать схему соединения, цвета проводов и маркировку контактов. Позже она вам непременно пригодится. Фиксируем провода на мачте устройства.

Этот рисунок содержит подробные рекомендации по сборке общей конструкции и общий вид устройства уже в собранном и готовом к эксплуатации виде

Для подсоединения аккумулятора нужно применить провода сечением 4 мм². Достаточно взять отрезок протяженностью 1 метр. Этого хватит.

А для того чтобы подключить к сети нагрузку, в состав которой входят, например, осветительные и электрические приборы, достаточно проводов с сечением 2,5 мм². Устанавливаем инвертер (преобразователь). Для этого тоже будет нужен провод 4 мм².

Преимущества и недостатки роторной модели ветряка

Если вы сделали всё аккуратно и последовательно, то этот ветрогенератор будет успешно работать. При этом никаких проблем в ходе его эксплуатации не возникнет.

Если использовать преобразователь 1000 W и аккумулятор 75А, это установка обеспечит электричеством и приборы видеонаблюдения, и охранную сигнализацию и даже уличное освещение.

Достоинства этой модели таковы:

• экономична;
• элементы легко можно поменять на новые или отремонтировать;
• особые условия для функционирования не нужны;
• надежная в эксплуатации;
• обеспечивает полный акустический комфорт.

Недостатки тоже имеются, но их не так уж много: производительность этого устройства не слишком высока, и у него имеется значительная зависимость от внезапных порывов ветра. Воздушные потоки могут попросту сорвать импровизированный пропеллер.

Для того чтобы точно подобрать модель ветрогенератора требующейся мощности перед началом работ советуем сделать расчет по приведенным в рекомендуемой статье формулам.

Сборка аксиальной ВЭУ на неодимовых магнитах

Поскольку неодимовые магниты в России появились относительно недавно, то и аксиальные ветрогенераторы с безжелезными статорами стали делать не так давно.

Появление магнитов вызвало ажиотажный спрос, но постепенно рынок насытился, и стоимость этого товара стала снижаться. Он стал доступен для умельцев, которые тут же приспособили его для своих разнообразных нужд.

Аксиальная ВЭУ на неодимовых магнитах с горизонтальной осью вращения — более сложная конструкция, требующая не только умения, но и определенных знаний

Если у вас имеется ступица от старого авто с тормозными дисками, то её и возьмем в качестве основы будущего аксиального генератора.

Предполагается, что эта деталь не новая, а уже эксплуатировавшаяся. В этом случае её необходимо разобрать, проверить и смазать подшипники, тщательно вычистить прочь осадочные наслоения и всю ржавчину. Готовый генератор не забудьте покрасить.

Ступица с тормозными дисками, как правило, достаётся умельцам в качестве одного из узлов старого автомобиля, отправившегося в утиль, поэтому нуждается в тщательной чистке

Распределение и закрепление магнитов

Неодимовые магниты должны быть наклеены на диски ротора. Для нашей работы возьмем 20 магнитов 25х8мм.

Конечно, можно использовать и другое количество полюсов, но при этом необходимо соблюдать следующие правила: количество магнитов и полюсов в однофазном генераторе должно совпадать, но, если речь идёт о трехфазной модели, то соотношение полюсов к катушкам должно составлять 2/3 или 4/3.

При размещении магнитов полюса чередуются. Важно не ошибиться. Если вы не уверены, что расположите элементы правильно, сделайте шаблон-подсказку или нанесите сектора прямо на сам диск.

Если у вас есть выбор, купите лучше не круглые, а прямоугольные магниты. В прямоугольных моделях магнитное поле сосредоточено по всей длине, а в круглых – в центре.

У противостоящих магнитов должны быть разные полюса. Вы ничего не перепутаете, если с помощью маркера пометите их знаками минус или плюс. Чтобы определить полюса, возьмите магниты и поднесите их друг к другу.

Если поверхности притягиваются, поставьте на них плюс, если отталкиваются, то пометьте их минусами. При размещении магнитов на дисках чередуйте полюса.

Магниты установлены с соблюдением правила чередования полисов, по наружному и внутреннему периметрам расположены бортики из пластилина: изделие готово к заливке эпоксидной смолой

Для надежности закрепления магнита нужно применять качественный и максимально сильный клей.

Чтобы усилить надежность фиксации, можно воспользоваться эпоксидной смолой. Её следует развести так, как это указано в инструкции, и залить ею диск. Смола должна покрыть диск целиком, но не стекать с него. Предотвратить вероятность стекания можно, если обмотать диск скотчем или сделать по его периметру временные пластилиновые ограждения из полимерной полосы.

Генераторы однофазного и трехфазного вида

Если сравнивать однофазный и трехфазный статоры, то последний окажется лучше. Однофазный генератор при нагрузке вибрирует. Причиной вибрации становится разница в амплитуде тока, возникающая из-за непостоянной его отдачи за момент времени.

Такого недостатка у трехфазной модели нет. Она отличается постоянной мощностью из-за компенсирующих друг друга фаз: когда в одной происходит нарастание тока, в другой он падает.

По итогам тестирования отдача трехфазной модели почти на 50% больше, чем аналогичный показатель однофазной. Ещё одним достоинством этой модели является то, что в отсутствии лишней вибрации повышается акустический комфорт при функционировании устройства под нагрузкой.

То есть, трехфазный генератор практически не гудит в процессе его эксплуатации. Когда вибрация снижается, срок службы устройства логично повышается.

В борьбе между трехфазными и однофазными устройствами неизменно побеждает трехфазное, потому что оно не так сильно гудит в процессе работы и служит дольше однофазного

Правила наматывания катушки

Если спросить специалиста, то он скажет, что перед тем, как наматывать катушки, нужно выполнить тщательный расчет. Практик в этом вопросе положится на свою интуицию.

Мы выбрали не слишком скоростной вариант генератор. У нас процедура зарядки двенадцативольтового аккумулятора должна начаться при 100-150 оборотах за минуту. Такие исходные данные требуют, чтобы общее количество витков всех катушек составило 1000-1200 штук. Эту цифру нам осталось поделить между всеми катушками и определить, сколько же витков будет на каждой.

Ветряк на низких оборотах может быть мощнее, если увеличится количество полюсов. Частота колебаний тока в катушках при этом увеличится. Если для намотки катушек применять провод большего сечения, сопротивление уменьшится, а сила тока увеличится. Не упустите из виду тот факт, что большее напряжение может «съедать» ток из-за сопротивления обмотки.

Процесс намотки можно облегчить и сделать эффективнее, если использовать для этой цели специальный станочек.

Совсем необязательно такой рутинный процесс как наматывание катушек делать вручную. Немного смекалки и отличный станочек, который легко справляется с намоткой, уже есть

На рабочие характеристики самодельных генераторов большое влияние оказывают толщина и количество магнитов, которые расположены на дисках. Совокупную итоговую мощность можно рассчитать, если намотать одну катушку, а затем прокрутить её в генераторе. Будущая мощность генератора определяется путем измерения напряжения на конкретных оборотах без нагрузки.

Приведем пример. При сопротивлении 3 Ом и 200 оборотах в минуту выходит 30 вольт. Если отнять от этого результата 12 вольт напряжения аккумулятора, получится 18 вольт. Делим этот результат на 3 Ом и получаем 6 ампер. Объём в 6 ампер и отправится на аккумулятор. Конечно, в расчете мы не учли потери в проводах и на диодном мосту: фактический результат окажется меньше расчетного.

Обычно катушки делают круглыми. Но, если их немного вытянуть, то получится больше меди в секторе и витки окажутся прямее. Если сравнивать размер магнита и диаметр внутреннего отверстия катушек, то они должны соответствовать друг другу или размер магнита может быть немного меньше.

Уже готовые катушки должны соответствовать своими размерами магнитам: они должны быть чуть больше магнитов или равной с ними величины

Толщина статора, который мы делаем, должна правильно соотноситься с толщиной магнитов. Если статор сделать больше за счет увеличения количества витков в катушках, междисковое пространство возрастет, а магнитопоток уменьшится. Результат же может оказаться таким: образуется такое же напряжение, но, из-за увеличившегося сопротивления катушек, мы получим меньший ток.

Для изготовления формы для статора применяют фанеру. Впрочем, сектора для катушек можно разметить на бумаге, используя в качестве бордюров пластилин.

Если поверх катушек на дно формы поместить стеклоткань, прочность изделия повысится. Перед нанесением эпоксидной смолы нужно форму смазать вазелином или воском, тогда смола не прилипнет к форме. Некоторые используют вместо смазки скотч или пленку.

Между собой катушки закрепляются неподвижно. При этом концы фаз выводятся наружу. Шесть выведенных наружу проводов следует соединить звездой или треугольником. Вращая собранный генератор рукой, производят его тестирование. Если напряжение будет 40 V, то сила тока составит примерно 10 ампер.

Окончательная сборка устройства

Длина готовой мачты должна составлять примерно 6-12 метров. При таких параметрах её основание должно быть забетонированным. Сам ветряк будет закреплен на верхней части мачты.

Чтобы до него можно было добраться в случае поломки, нужно предусмотреть в основании мачты специальное крепление, которое позволит поднимать и опускать трубу, используя при этом ручную лебедку.

Высоко вздымается мачта с прикрепленным к ней ветрогенератором, но предусмотрительный мастер сделал специальное устройство, которое позволяет при необходимости опустить конструкцию на землю

Чтобы изготовить винт, можно использовать трубу ПВХ диаметром 160 мм. Она будет использоваться для вырезания из её поверхности двухметрового винта, состоящего из шести лопастей. Форму лопастей лучше разработать самостоятельно опытным путем. Цель – усилить крутящий момент при низких оборотах.

Винт-пропеллер следует беречь от слишком сильного ветра. Для решения этой задачи используют складной хвост. Выработанная энергия накапливается в аккумуляторах.

Вниманию наших читателей мы предоставили два варианта ветрогенераторов, сделанных своими руками на 220 в, которые пользуются повышенным вниманием не только владельцев загородной недвижимости, но и простых дачников.

Обе модели ВЭУ эффективны по-своему. Особенно хорошие результаты эти устройства способны продемонстрировать в степной местности с частыми и сильными ветрами. Они достаточно эффективны, чтобы использоваться в организации альтернативного отопления дома и в поставке электроэнергии. И их не так уж сложно соорудить своими руками.

Выводы и полезное видео по теме

В этом видео приведен пример ВЭУ с горизонтальной осью вращения. Автор устройства подробно объясняет нюансы конструкции установки, сделанной своими руками, обращает внимание зрителей на ошибки, которые могут быть допущены в процессе самостоятельного изготовления ветрогенератора, даёт практические советы.

Обратите внимание на то, что добраться до устройства, поднятого на приличную высоту, не так-то просто. Переустановить такое ВЭУ будет, скорее всего, проблематично. Поэтому складная конструкция мачты в этом случае будет совсем не лишней.

На этом видео представлен роторный ветряк с вертикальной осью вращения. Эта установка расположена невысоко, выполнена оригинально и отличается высокой чувствительностью: даже незначительный ветер приводит лопасти устройства в движение.

Если вы живете в местности, где ветра не считаются редким явлением, применение именно этого источника альтернативной энергии может стать для вас наиболее эффективным. Приведенные примеры самостоятельного изготовления ветряков доказывают, что сделать их своими руками не так уж сложно. Энергия ветра – общедоступный и возобновляемый ресурс, который можно и нужно использовать.

Заинтересованных темой статьи посетителей сайта мы приглашаем высказать свое мнение в комментариях и задать вопросы, возникшие в ходе ознакомления с материалом.

Расчёт генератора для ветряка

Начиная делать новый ветрогенератор я решил подробно описать весь процесс создания ветрогенератора. Это первая начальная статья, (далее будут описаны следующие этапы), описывающая расчёт генератора. На этот раз я делаю ветрогенератор с дисковым аксиальным генератором, но принцип расчёта одинаков для всех типов генераторов. Ранее я уже неоднократно описывал процесс расчёта на разных примерах, но сейчас я попробую снова всё описать, тем-более что я рассчитываю генератор для себя.

Расчёт мощности генератора строится по закону Ома, характеристики генератора зависят от выходного напряжения, и сопротивления фаз генератора. Задача спроектировать генератор так, чтобы он работая в паре с ветроколесом (винтом), был максимально эффективен. Я хочу получить максимально возможное на ветре 4-7м/с, но чтобы зарядка АКБ начиналась как можно раньше, желательно с 2м/с.

Расчёт дискового аксиального генератора должен начинаться с чертежей, чтобы понять какой диаметр дисков нужен, какие размеры катушек, и какого диаметра заливать смолой статор генератора. Без рисования ничего не получится, а рисовать можно хоть на бумаге (вспомнив уроки геометрии), или на компьютере. Но потом всё равно придётся рисовать на фанере, чтобы точно разместить катушки перед заливкой статора.

Все размеры генератора строятся исходя из размеров магнитов. Я купил 16 магнитов размером 50×30×10 мм, магниты дорогие, поэтому денег хватило только на 16 штук. Вкратце скажу что прямоугольные магниты лучше чем круглые, и чем крупнее магниты, тем потом легче делать катушки, так-как и катушки тогда тоже будут по размерам крупнее. Генератор трёхфазный, по этому если магнитов 16шт, то будет по 8 шт на дисках, а катушек 12шт,

Расчёт диаметра дисков генератора

Оптимальное расположение магнитов по кругу должно быть с расстоянием между магнитами равным половине ширины магнитов. У меня магниты 50×30×10 мм. Ширина магнитов 30 мм, прибавляем половину ширины (30+15=45 мм), и умножаем на 8 магнитов, и делим на π(3.14). Внутренний диаметр по магнитам (30+15*8:π= 114.5 мм) равен 114мм. Чтобы узнать внешний диаметр нужно прибавить высоту магнитов, у меня высота магнитов 50 мм. Значит (114+50+50=214 мм). Теперь я знаю диаметр дисков, я сделаю диски диаметром не 214 мм, а 220 мм, добавлю 6мм в диаметре.

Для примера: если вы хотите например поставить по 12 магнитов на дисках, а магниты размером 40×40×10 мм, то тогда получится (40+20*12:π+40+40) диаметр 309мм. Или если магниты 45*25*8 мм, то (45+22,5*12:π+45+45) диаметр дисков получится 347 мм. В общем не важно какие по размерам магниты, и их число по кругу, диаметр дисков строится от ширины магнитов, и расстояния между магнитами должно быть равным половине ширины магнитов.

У меня получилось вот так, я рисовал не на бумаге, а в планшете. Потом снова придётся рисовать уже на реальных дисках. Я думаю проблем с разметкой на дисках быть не должно, размечается диск на секторы, в моём случае на 8 секторов, и наклеиваем магниты.

Расчёт размеров статора и катушек

Теперь вычислим размеры статора и катушек. Так-как у нас внешний диаметр по магнитам 214мм, то рисуем круг диаметром 214мм. Высота магнитов 50 мм, значит (214-50-50=114 мм), рисуем второй круг внутри первого диаметром 114мм. Катушек у нас должно быть 12 штук, значит делим круг на 13 секторов, это по 30° на сектор.

В каждый сектор должна поместится катушка, при этом внутреннее отверстие катушки по высоте должно быть равно высоте магнита, то-есть 50 мм. А внешняя высота будет зависеть от ширины намотки катушки, А ширина катушки должна быть равна размерам сектора. Ниже на рисунке я думаю всё понятно.

Катушки треугольной формы будут лучше, так-как чем прямей витки тем выше эффективность катушки.

Расчёт катушек сколько поместится витков провода

Теперь когда нам известны размеры катушек тот можно подумать каким проводом мотать катушки и сколько витков поместится. Если магниты шириной 10мм, то статор должен быть по ширине 8 м, так-как расстояние между магнитами на противоположных дисках должно быть 10 мм. Но я хочу сделать статор толщиной 10 мм, а расстояние между магнитами получится тогда 12 мм. Статор толщиной 10 мм, и по 1мм это зазор между статором и магнитами.

Ширина борта катушки у меня получилась 14 мм, можно сделать и меньше, можно чуть больше уменьшив внутреннее отверстие катушки. Я выбрал оптимально 14 мм. Если мотать проводом диаметром 1 мм, то поместится ровно 14 витков по ширине борта катушки. Толщина статора 10 мм, значит и толщина катушки 10 мм, но так как провод начала катушки выходит сбоку, то он съедает 1мм, и остаётся 9 мм. Таким образом размеры под витки провода 14*9мм, это 126 витков.

Если провод будет например 1,5 мм в диаметре, то поместится (14:1.5=9.3), (9:1.5=6), (6*9=45) 45 витков. Думаю с этим понятно, есть площадь, а сколько витков поместится зависит от диаметра провода.

Расчёт Напряжения, сопротивления, и мощности генератора

Напряжение генератора зависит от магнитной индукции магнитов (Тл), скорости движения магнитов, количества витков в катушках, и длины активного проводника. Напряжение или будет правильней — ЭДС (электродвижущая сила) зависит от магнитной индукции магнитов. Неодимовые магниты имеют индукцию на поверхности магнита 1.2-1.6 Тесла. Но какая индукция будет в зазоре между магнитами мы не можем знать, если у нас нет измерителя. Поэтому при расчёте генератора если расстояние между магнитами равно ширине магнитов, то магнитную индукцию магнитов можно брать как 0.8-1 Тл. Ели магниты марки N35 то 0.8Тл, если N52 то 1Тл, но в реальном генераторе может быть всё не так.

Если расстояние больше то понятно что магнитная индукция в зазоре будет ниже, ну а если ближе то выше. Магнитная индукция магнитов нужна при расчёте напряжения генератора. Формула расчёта ЭДС генератора выглядит так:

(B) — я буду брать как 0.8 Тл, так как мгниты у маня толщиной 10мм, а зазор между магнитами 12 мм, если будет больше то хорошо,а так будем исходить из меньшего.

(V) — скорость движения магнитов зависит от длины окружности, по которой они описывают круг за один оборот. В с лучае с дисковым генераторам окружность берётся по середине магнитов. У нас как мы помним внешний диаметр по магнитам 214 мм, значит по середине магнита диаметр будет (214-2,5-2,5=209 мм). Чтобы узнать длину окружности воспользуемся формулой 2*πr^2 2*(3.14*(104*104)=339 мм), то есть 0.34 метра.

(L) — Активная длина проводника это та часть, которая попадает под магнит. У меня магнит по высоте 50 мм, значит активная длина 50 мм, или 0.05 метра.

Теперь соберём полученные цифры, (0.8*0.34*0.05=0.0136V), напряжение одного витка у нас получилось 0.0136V. В катушках у нас по 126, а катушек в одной фазе 4, значит (0.0136*126*4=6.8V). Таким образом напряжение одной фазы генератора при 60об/м будет 6.8 вольта. При соединении фаз звездой напряжение возрастёт в 1.7 раза,и составит 11.5 вольт. Напряжение линейно зависит от скорости движения магнитов, по этому если увеличить скорость в 5 раз, то и напряжение увеличится в 5 раз, если в 10 раз увеличить скорость, то напряжение увеличится в 10 раз. Например при 600 об/м напряжение составит 115 вольт, а при 300 об/м 57.5 вольт.

Сопротивление фазы генератора рассчитывается очень просто, нужно вычислить общую длину медного провода в фазе. У меня средняя длинна витка в катушках равна примерно 0.16 метра, значит (0.16*126*4=80.64 м). В фазе 80.64 метра провода, провод диаметром 1 мм, сопротивление одного метра провода сечением 1 мм равно 0,0224 Ом. Значит (80.64*0.0224=1.8 Ом). Сопротивление проводов различного диаметра можно посмотреть здесь Таблица сопротивлений медного провода

Расчёт мощности генератора

Теперь зная напряжение генератора, и сопротивление обмотки можно вычислить мощность генератора при разных оборотах. Напряжение генератора будет проседать до напряжения аккумулятора, а сила тока при просадке напряжения будет зависеть от сопротивления обмотки генератора. Например при 300 об/м напряжение генератора соединённого звездой 57.5 вольт, отнимем напряжение аккумулятора (13V), тогда (57-13=44V). То-есть при 300 об/м напряжение генератора при заряде акб просядет на 44 вольта. А ток заряда заряда АКБ зависит от сопротивления обмоток. При соединении звездой сопротивление увеличивается в два раза от сопротивления одной фазы, по-этому сопротивление (1.8*2=3.6 Ом). Теперь делим 44 на 3.6 и получим (44:3.6=12.2А). В итоге при 300 об/м ток зарядки АКБ составит 12.2А, а мощность (12.2*13=158 ватт).

Вот так можно вычислить мощность на любых оборотах. Но нужно ещё помнить про КПД генератора, чем больше просадка напряжения тем ниже КПД. При садке напряжения на треть КПД около 80%, а дальше он только ухудшается. Это нужно помнить при расчёте винта, чтобы подобрать правильно мощность винта, чтобы она соответствовала мощности генератора.

У меня получилась вот такая картина по мощности генератора соединённого звездой.

Начало заряда при 70 об/м 13,7 вольта.
обороты/напряжение ХХ/ток заряда/мощность

60/11,5//0/0/
120/23/2,7/36
180/34/6/77
240/46/9/120
300/57/12/160
360/69/15/202
420/80/19/243
480/92/22/285
540/103/25/326
600/115/28/368

В итоге при соединении звездой мощность не впечатлила, и слишком рано начинается зарядка АКБ. Быстроходный винт подобрать не получается, а с тихоходным обороты получаются низкие. Вообще вот когда вы рассчитаете мощность генератора, только после этого нужно подбирать винт. Винт нужно смотреть в программе, смотреть на мощность винта, его обороты, быстроходность, КИЭВ, и подгонять под генератор.

Этот генератор будет работать на АКБ 24 гораздо лучше при соединении фаз звездой, на я собираюсь заряжать 12в АКБ, по-этому придётся генератор соединить треугольником. При этом сопротивление генератора станет равно фазному, это 1.8 Ом, и напряжение станет равно напряжению одной фазы, то-есть 6.8 вольт.

Значит начало заряда при 120 об/м,
обороты/напряжение ХХ/ток заряда/мощность
120/13.6/0/0
180/20/4/53
240/27/7.8/102
300/34/11.6/151
360/41/15.5/200
420/47/19/249
480/54/23/300
540/61/27/350
600/68/30/400

Расчёт винта для ветрогенератора

Теперь когда параметры будущего генератора известны можно рассчитать винт для него. В программе по расчёту лопастей из ПВХ труб я прикинул винт диаметром 2,6 метра, с быстроходностью Z7. Я долго подгонял размеры винта, и размеры лопастей чтобы и зарядка начиналась как можно раньше, и чтобы винт был максимально эффективен в широком диапазоне.

Начало зарядки акб у меня получилось при 2,5 м/с. При 4 м/с мощность ветрогенератора составит 50-55 ватт, при этом мощность винта при 180 об/м составит 75 ватт. Запас по мощности это на КПД генератора. При 5 м/с мощность ветрогенератора составит около 100 ватт. А при 6 м/с будет уже 200 ватт, и винт будет иметь максимальный КИЭВ 0.45, обороты при этом 300-310 об/м. При 10 м/с с падением КИЭВ до 0.27 винт сможет раскрутить генератор до 600-650 об/м. Мощность у винта при этом будет около 850 ватт, а генератор сможет дать около 500 ватт мощности.

В общем с этим винтом ветрогенератор получится мощностью 500 ватт при 10 м/с, и максимальная эффективность будет при ветре 5-7 м/с. При этом работать ветряк будет с 2,5 м/с. Стартовый момент таких быстроходных лопастей очень низкий, всего 0.13 Нм, но так-как генератор не имеет залипания я думаю проблем со стартом не будет, и ветряк будет запускаться с 2-3м/с.

Ниже скриншоты из программы по расчёту лопастей. Первый это основные данные винта, а второй это данные для вырезания лопасти из трубы.

При подборе винта для генератора нужно понимать что у винта есть быстроходность, обороты, и КИЭВ, который изменяется. Например Я сначало взял винт диаметром 3 метра, посмотрел и понял что у винта не хватает оборотов при хорошем КИЭВ. Если увеличивать быстроходность то КИЭВ резко падает, а при среднем и сильном ветре у вита перебор по мощности так-как он не может крутить генератор быстро. То-есть несоответствие мощности винта и генератора, от этого общий КПД ветрогенератора очень низкий.

Тогда я стал уменьшать диаметр сначала добившись чтобы при ветре 3-4 м/с мощность генератора и винта была одинаковой. Я уменьшил винт до 2,4 метра, и поставил 5 лопастей. При слабом ветре 3-4 м/с стало не плохо, КИЭВ 0,45, но оборотов маловато. Тогда я оставил три лопасти и поднял диаметр до 2.6 метра. При этом я получил и хороший показатель на ветре 3-4 м/с с оборотами при этом ветре 120-180 с КИЭВ 0,35-0,40. И максимальная эффективность достигается при 6 м/с с КИЭВ 0,45. При этом винт максимально быстроходный, и так-сказать тяговитый в широком диапазоне ветра, и быстроходности.

Если бы я сделал тихоходный пяти-лопастной винт, то я бы получал на 30% меньше энергии в сравнении с этим трёх-лопастным. Шести-лопастной дал бы результат ещё, так-как у него обороты в два раза ниже чем у трёх-лопастного. По-этому я отказался от тихоходных винтов, что я зря такие деньги потратил на магниты, провод и прочее, чтобы потом получать намного меньше чем это возможно.

Хотя если сделать двухлопастной винт, ро можно ещё на 30% увеличить обороты и мощность ветрогенератора. Но тогда придется делать всё очень точно и сбалансировано, иначе будут вибрации при работе, что очень не приятно. Также двух и однолопастные винты сильно «колбасит» при разворотах, и это тоже неприятно. По-это трёхлопастной винт это оптимально для ветрогенератора, что в принципе давно определили производители.

Следующий этап это по имеющимся размерам сделать чертежи деталей генератора, об этом в следующей части. Чертежи деталей для генератора

Ветрогенератор своими руками: расчет винта и генератора переменного тока

Расчет ветроколеса и генератора переменного тока для домашней ВЭУ. Варианты конструктивного исполнения – опыт пользователей портала.

Продолжая тему, посвященную ветроэнергетике в домашнем хозяйстве, считаем своим долгом рассказать о конструкции ветрогенератора – ключевого элемента системы. Статья ориентирована на тех, кто планирует собирать «сердце» ветроэнергетической установки своими руками.

Судя по опыту пользователей FORUMHOUSE, которые не привыкли искать легких путей, сборка ветрогенератора своими силами – задача, вполне осуществимая. И первое, что необходимо выполнить для ее успешной реализации – это правильно рассчитать основные элементы установки.

Для того чтобы основные моменты, представленные в настоящей статье, были вам понятны, рекомендуем ознакомиться с материалами, изложенными в ее первой и второй частях.

Из статьи вы узнаете:

• Как правильно рассчитывать рабочий винт ветрогенератора.
• Какие типы генераторов больше всего подходят для сборки в домашних условиях.
• Как рассчитывать рабочие характеристики генератора переменного тока.

Расчет рабочего винта (ветроколеса)

Преобразование механической энергии воздушного потока в энергию электрическую начинается с рабочего винта. Поэтому методику расчета ветроколеса мы рассмотрим в первую очередь. Сделаем это на примере наиболее распространенного трехлопастного винта с горизонтальной осью вращения.

Ключевое правило, которого следует придерживаться, осуществляя расчет ветряка, заключается в следующем: мощность ветрового потока, которую можно снять с рабочих лопастей устройства, должна соответствовать электрической мощности самого генератора. Объясним почему: если мощность винта будет слишком малой, то даже при сильном ветре винт не сможет стронуть с места ротор генератора, находящегося под нагрузкой. Если же, наоборот, винт окажется слишком мощным для генератора, то при сильном ветре он раскрутит ротор до очень высоких оборотов, что неизбежно приведет к разрушению всей установки.

Учитывая этот момент, рассмотрим порядок расчета трехлопастного винта в соответствии с заданными характеристиками генератора. Предположим, что у вас уже есть генератор, с номинальной мощностью 300 Вт*ч (к примеру). Также представим, что свои номинальные характеристики устройство будет демонстрировать при оборотах ротора – 150 об/мин. Если средняя скорость ветра в вашей местности составляет 6 м/сек, то на нее и следует ориентироваться, осуществляя дальнейшие расчеты.

Далее: генератор переменного тока, на который ветроколесо передает вращательный момент, имеет свой собственный КПД (0,6…0,8). При различных условиях эксплуатации данный показатель может опускаться до более низких значений, поэтому в качестве примера возьмем КПД, равный 50%.

Для того чтобы устройство, обладающее подобным КПД, выдало необходимые 300 Вт*ч электрической мощности, на его ротор необходимо подать мощность, в два раза превышающую ту, которую требуется с него снять. То есть, механическая мощность, передаваемая на генератор с ветроколеса, должна быть равна 600 Вт.

Средний КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) у трехлопастных винтов равен 0,4 (это и будет КПД ветроколеса). Следовательно, мощность ветра (Х), которая должна воздействовать на рабочие лопасти ветряка (чтобы снять с них 600 Вт), можно вычислить, решив уравнение:

Х = 600:0,4 = 1500 Ватт.

Итак, количество необходимой энергии нам известно, теперь рассчитаем площадь, ометаемую рабочими лопастями ветроколеса (S).

Вот нашел формулу: P = 0,5 *Q * S * V³ * Cp * Ng

• P – мощность (Вт);
• Q – плотность воздуха (1,23 кг/м³);
• S – площадь ометания ветроколеса (м²);
• V – скорость ветра (м/с);
• CP – коэффициент использования энергии ветра (0,35…0,45);
• Ng – КПД генератора;

Плотность воздуха – неизменна, площадь ометания ротора – тоже.

Эта формула обозначает мощность на выходных клеммах генератора. Учитывая, что значение мощности (1500 Вт) мы изначально взяли с учетом КИЭВ ветроколеса и КПД генератора, последние два значения из формулы убираем.

Мощность ветра, которую воздушный поток передает на ветроколесо, будет равна:

P = 0,5 *Q * S * V³

Все значения, входящие в формулу, нам известны (кроме площади – S). Решив простейшее уравнение, получим:

S = 1500/0,5*1,23*6³ = 11,292 м²

Площадь круга вычисляется по формуле:

S = πr²

где π – математическая константа (3,14), а r² – квадрат радиуса окружности ветроколеса.

В нашем случае r² = 11,292/3,14 = 3,596.

Следовательно, радиус ветроколеса будет равен 1,89 м, а его диаметр – 3,78 м.

Теперь необходимо удостовериться в том, что такое ветроколесо сможет при ветре – 6 м/с развить достаточное количество оборотов. В этом нам поможет коэффициент быстроходности ветряка – Z (у трехлопастных устройств Z=5).

Окружная (концевая) скорость лопастей ветряка с коэффициентом быстроходности Z5 будет равна произведению коэффициента (Z) на скорость ветра (6*5=30 м/с). Периметр ветроколеса диаметром 3,78 метра равен 11,87 м (L=2πr). Это длина его окружности по внешнему диаметру лопастей, то есть, расстояние, которое конец каждой лопасти проходит за один оборот. Следовательно, за секунду каждая лопасть сделает 2,53 оборота (30 м/с делим на 11,87 м) или 151 оборот за минуту. Что нам и требовалось.

Для того чтобы увеличить обороты, мы можем уменьшить диаметр ветроколеса, но мощность винта в этом случае снизится.

Уменьшение диаметра ветроколеса должно давать увеличение оборотов. Его можно уменьшать до тех пор, пока мощности винта будет хватать для прокручивания генератора под нагрузкой. Это и будут оптимальные параметры.

Мы представили вашему вниманию методику «грубого» расчета ветроколеса, основанную на характеристиках генератора и существующих потребностях в альтернативной электроэнергии.

Учитывая, что большой ветряк и построить сложно, и обслуживать – непросто, конструкцию рабочего винта можно рассчитать под конкретные условия эксплуатации (добавляя или уменьшая количество лопастей, а также меняя при этом их длину). Это поможет изменить коэффициент быстроходности, а, следовательно, и количество оборотов. Также при недостаточном количестве оборотов мощные ветрогенераторы (особенно многолопастные – тихоходные) оснащаются дополнительным редуктором-мультипликатором.

При малых скоростях вращения ротора выработки электроэнергии нет вообще. Мультипликатор решает эту проблему даже при малых оборотах.

Как бы мастер ни старался, самодельный ветрогенератор всегда будет далек от совершенства: самодельные лопасти, самодельные катушки – при изготовлении всего этого трудно соблюсти рекомендуемые аэродинамические и электротехнические параметры. И если в теории мы рассчитали, что ветроколесо диаметром 3,78 метра (при ветре 6 м/с) позволит получить нам 300 Вт*ч электроэнергии, на практике этот показатель можно смело уменьшить на 30%. Этим самым мы на стадии расчетов учтем недостатки кустарной сборки и возможные потери мощности.

Расчет генератора

Рассмотрим последовательность расчета трехфазного генератора переменного тока на постоянных магнитах. Трехфазные генераторы получили значительно более широкое распространение (нежели однофазные) за счет своих характеристик: отсутствие сильных вибраций и гула во время работы, улучшенные характеристики по мощности, току и т. д.

Мощность генератора зависит от целого ряда факторов: скорость вращения, величина магнитной индукции, количество витков на обмотках статора и т. д. Также она напрямую зависит от величины ЭДС генератора, которая определяется по формуле:

E=B•V•L

• E – ЭДС (В);
• B – величина магнитной индукции (Тс);
• V – линейная скорость движения магнитов (м/с) – произведение длины окружности ротора на количество оборотов;
• L – активная длина проводника (м), которую перекрывают магниты генератора.

Среднее значение индукции постоянных магнитов, используемых в составе генераторов переменного тока, равно 0.8 Тл. Его можно смело применять во время осуществления предварительных расчетов.

Если генератор изготавливается на основе неодимовых магнитов, величина магнитной индукции будет выше (от 1 до 1,4 Тл).

Рассмотрим последовательность предварительного расчета трехфазного аксиального генератора, пользуясь примером, который предложил один из пользователей FORUMHOUSE.

Вот, что я имею: 24 магнита (неодимовые) толщиной – 5 мм, шириной – 9.5 мм, длиной – 20 мм. Имею среднегодовую скорость ветра – 5 м/сек. Планирую сделать два ротора – по 12 магнитов на роторе (то есть – 12 полюсов). Соотношение полюсов и катушек – 2/3 (на каждые 2 полюса идет 3 катушки). Получаем 12 полюсов и 18 катушек (по 12 магнитов на каждом диске ротора). Ветроколесо выбрал диаметром 2 метра (двухлопастное). Его быстроходность – Z7. При ветре 5 м/с ветряк должен развивать 334 об/мин (334/60= 5,6 об/сек).

Оптимальное соотношение полюсов и катушек в трехфазном генераторе – 2/3. Один полюс формируется двумя магнитами.

Пользователя интересовал расчет дискового генератора аксиального типа.

Преимущества аксиальных генераторов заключаются в отсутствии магнитного залипания, что позволяет им стартовать при сравнительно небольшой скорости ветра (около 2-х м/с). Основной их недостаток, в сравнении с классическими самодельными моделями, заключается в том, что для получения одинаковой мощности на сборку аксиального генератора необходимо потратить, как минимум, в 2 раза больше магнитов.

Под классическими моделями подразумеваются устройства, изготовленные из асинхронного двигателя или из стандартного автомобильного генератора.

Источник https://sovet-ingenera.com/eco-energy/generators/vetrogenerator-svoimi-rukami.html

Источник http://e-veterok.ru/091-raschot-vetrogeneratora.php

Источник https://www.forumhouse.ru/journal/articles/8089-vetrogenerator-svoimi-rukami-raschet-vinta-i-generatora-peremennogo-toka