Надежный двигатель для ветрогенератора: электроника самодельного ветряка из подручных материалов, усовершенствования и доработка
Изготовление ветрогенератора своими руками не ограничивается созданием одного ротора и мачты. Рабочее колесо с лопастями — это лишь устройство, принимающее энергию ветра и передающее вращательный момент на следующие в конструкционной цепочке элементы.
Для того, чтобы устройство дало электрический ток, нужен целый комплект оборудования, последовательно выполняющего задачи по приему, переработке, накоплению и преобразованию энергии. Помимо механических частей имеется довольно обширный список электроники различного назначения, коммутационных устройств.
Электроника самодельного ветрогенератора
Самодельные ветряки обычно используют электронику, которую удалось собрать самостоятельно или приспособить из имеющихся готовых приборов. Исключением являются аккумуляторы, которые проще и дешевле приобрести, чем собирать своими руками. Обычный состав электроники включает:
- генератор
- аккумулятор
- контроллер заряда
- инвертор
В большинстве случаев этот список используется полностью, хотя имеются и более простые комплекты, иногда вообще ветряк напрямую подключается к потребляющему устройству (насосу, осветительному или подобному прибору, не требовательному к стабильности напряжения). Для бытовой техники, освещения дома, радио-и телевизионных приборов требуется наличие стабильного напряжения с определенными параметрами, что обеспечивается только использованием полного набора устройств.
Ветряк из подручных материалов
Самодельные ветряки обычно изготавливают из тех материалов, которые удалось найти в гараже, сарае или иных доступных местах. Приобретение материалов или оборудования производится редко, так как зачастую весь процесс создания ветряка является экспериментом с неясным результатом, поэтому нести какие-либо расходы нецелесообразно. В целом, такой подход себя оправдывает, так как он дает возможность оценить перспективы и сделать выводы относительно параметров установки, необходимой для полноценного решения вопроса.
Любой результат таких исследований дает возможность создать ветряк с нужными качествами. При этом, даже изготавливая третью или четвертую модель, умельцы практически не приобретают каких-либо материалов, обходясь старыми запасами или переделывая имеющиеся предметы. Так, в качестве лопастей для вертикальных роторов часто используются металлические бочки, разрезанные вдоль. Применяются и другие способы, не требующие почти никаких расходов, но приносящие вполне ощутимые плоды.
Единственное, без чего никак нельзя обойтись — это определенные познания в области электротехники, опыт и навыки работы со слесарным инструментом.
Усовершенствования и доработка
При изготовлении ветрогенератора чаще всего применяются различные готовые устройства или узлы, определенным образом переделанные и усовершенствованные для максимального соответствия задуманным параметрам. Наиболее часто таким изменениям подвергаются двигатели или генераторы, поскольку они довольно легко доводятся до нужного состояния.
Большинство электродвигателей способны работать в режиме генератора, и переделывать их необходимо только для оптимизации работы в тихоходном режиме, так как частота вращения ветряка низка, и даже с повышающим редуктором высоких скоростей не добиться. Поэтому производят доработку, повышающую чувствительность устройства до необходимых пределов.
Готовые ветрогенераторы также подвергаются различным изменениям, исправляются обнаруженные в ходе испытаний недостатки, увеличиваются определенные параметры и показатели.
Самодельный ветрогенератор на основе шагового двигателя
Шаговые двигатели используются в принтерах, сканерах и прочих устройствах. Их можно использовать практически без всяких переделок, понадобится лишь выпрямить переменный ток, который они выдают. Для этого собирается выпрямитель по определенной схеме на 8 диодах (нужно 2, но так как двигатель 4-фазный, то используются 8 шт).
После подключения к выпрямителю можно получить ток с напряжением, зависящим от марки двигателя (существуют образцы с напряжением 5 В, есть модели по 12 В и выше). Такого напряжения может хватить для зарядки батареи мобильного телефона, подключения местного освещения и т.п. Дополнительных устройств не требуется.
Ветрогенератор на шаговом двигателе способен выполнять довольно ограниченную работу, но как наглядное пособие или пробный экземпляр он вполне годится. Если же объединить в одну систему несколько таких устройств, можно получить более мощный комплекс, имеющий возможность питать большее число приборов, обеспечивать освещение или иные бытовые устройства.
Ветряк из мотор-колеса
Мотор-колесо от старого скутера вполне может сыграть роль генератора для ветряка. Особенным достоинством такого решения является возможность установить лопасти непосредственно на обод колеса, что значительно упрощает процесс изготовления ветряка и позволяет применить довольно большой размер крыльчатки, чувствительный к ветру с небольшой скоростью. К недостаткам устройства относится ощутимое залипание, затрудняющее запуск вращения, особенно на слабых ветрах.
Мотор-колесо представляет собой практически готовый трехфазный генератор. Он имеет хорошие показатели даже на низких оборотах, а если использовать повышающую передачу, то можно добиться весьма неплохих результатов, в частности — для зарядки АКБ. Примечательно, что из мотор-колеса изготавливают как горизонтальные, так и вертикальные конструкции ветряков, причем, вторые по своим характеристикам часто оказываются удачнее.
Дело в том, что на вертикальных роторах (типа Савониуса) стартовый момент намного больше из-за большой площади лопасти, что увеличивает возможности запуска ветряка на слабых ветрах. Еще одним удобным моментом становится возможность установки вертикального ветряка на относительно низкую мачту. Поскольку мотор-колесо крепится непосредственно на крыльчатку, возможностей для его обслуживания при монтаже на высокие мачты, весьма немного. Доступ к генератору — большое достоинство устройства, продлевающее службу и облегчающее уход.
Генератор из коллекторного двигателя
Коллекторные двигатели имеют один слабый в эксплуатационном отношении узел — собственно коллекторно-щеточный. Вследствие постоянного трения графитовые щетки быстро изнашиваются и требуют замены, поскольку при вышедших из строя щетках двигатель работать не будет. Ресурс коллекторных двигателей от установки одного комплекта щеток до другого не так уж велик, что является причиной постоянного внимания за состоянием устройства и необходимости держать наготове запасной набор щеток.
При этом, возможности такой конструкции весьма велики, при определенных условиях коллекторные двигатели способны выдавать достаточно высокие показатели. Кроме того, они не нуждаются в высоких скоростях вращения, что является еще одним большим плюсом в климатических условиях России, не отличающихся обилием сильных и ровных ветров.
Особенности коллекторных двигателей позволяют использовать их без повышающей передачи, что снижает потери. При этом, размеры лопастей должны быть достаточными, чтобы создавать нужное пусковое усилие, так как ротор коллекторного двигателя постоянно находится под притормаживающим давлением щеток. По характеристикам наиболее подойдет вертикальная конструкция ветряка с большими лопастями, способными к созданию значительного усилия при вращении.
Ветрогенератор из ферритовых магнитов
Этот вариант для подготовленных людей, обладающих достаточными познаниями как в электротехнике, так и в слесарном деле. Генератор из ферритовых магнитов придется практически с нуля создавать самостоятельно, что является интереснейшей технической задачей для одних, но и неразрешимой проблемой для других. Решение вопроса возможно только при полном понимании принципа работы и устройства генератора.
Устройство генератора на ферритовых магнитах включает неподвижный статор, состоящий из обмоток, числом кратным трем. Вращающийся ротор состоит из площадки с разнонаправленными магнитами, которые создают переменное магнитное поле и возбуждают в обмотках статора ЭДС. На первый взгляд все просто, но проблема состоит в том, чтобы все сделать аккуратно, точно и с минимальными зазорами или отклонениями. Кроме того, надо обеспечить соосность статора и ротора, защитить их от проникновения воды, пыли, устранить прочие внешние воздействия.
Вариантов конструкции таких генераторов довольно много, лучшие образцы изготовлены на довольно солидной производственной базе. При этом, имеются и совсем кустарные изделия, собранные на кусках фанеры, залитые эпоксидной смолой, которые способны демонстрировать вполне приемлемые результаты.
В настоящее время для изготовления таких устройств активно используются неодимовые магниты, обладающие магнитным полем, многократно превосходящим ферритовые образцы. Возможности генератора на таких магнитах гораздо выше, что сразу же было высоко оценено конструкторами.
Практически все перешли на использование неодимовых магнитов, хоть это и потребовало некоторого изменения конструкции — количества витков обмоток, расстояние между ними и т.д. Результаты, которые показывают такие генераторы, высоки, они делают ветрогенераторы более перспективными устройствами.
Испытания самодельного устройства
Испытания готового ветрогенератора следует производить при полностью собранной, установленной и надежно закрепленной конструкции. Искушение попробовать ветряк в деле велико, часто заставляет людей совершать непродуманные действия, в результате чего возникают поломки, разрушения, травмы.
Проверку на работоспособность отдельных узлов (например, генератора) можно произвести при помощи электродрели с регулируемой скоростью вращения. Возможности ветряка также могут испытываться отдельно, без присоединения генератора, чтобы получить данные о его рабочих качествах без нагрузки. Все остальные испытания или пробы требуют качественной сборки или подключения по всем правилам.
Как сделать ветрогенератор из асинхронного электродвигателя
Чтобы получать бесплатную электроэнергию, очень выгодно использовать ветрогенератор, там где нет стационарной сети. В отличие от солнечных панелей, он может генерировать электричество даже ночью, главное, чтобы был достаточный ветер. Собрать ветрогенератор можно из обычного асинхронного электродвигателя с минимумом затрат, и получать в итоге 220 В после преобразования для питания бытовых приборов.
Материалы:
- Электродвигатель асинхронный;
- неодимовые магниты — http://ali.pub/4yy1yd
- диодный мост 50 А — 2 шт. — http://alii.pub/5nfe4v
- конденсаторы — 2 шт.;
- аккумуляторы 12 В – 4 шт.;
- пластиковая канализационная труба 110 мм;
- фанера 10 мм;
- инвертор 220В — старый бесперебойник.
Процесс изготовления установки
Генератор изготавливается из обычного асинхронного электродвигателя на 220 В.
Нужно снять его якорь, и вырезать в сердечнике полости для мощных неодимовых магнитов. Для этого делаются надпилы, затем металл высверливается и стачивается.
Магниты вклеиваются в пазы с чередованием полярности.
В таком виде генератор сможет производить переменный ток, напряжением около 12-50 В на низких оборотах, но с большими скачками напряжения. Нужно преобразить его в постоянный ток, чтобы подзаряжать аккумуляторы.
Для этого собирается предложенная схема из диодных мостов и конденсаторов.
Из пластиковой канализационной трубы вырезаются лопасти для ветрогенератора.
Под этот двигатель их длина делается 42 см, ширина с одной стороны 9 см, а с другой 3 см. Нужно вырезать 3 лопасти. Если генератор сделан из большого мотора, который сложно раскрутить, то длина и ширина лопастей увеличивается.
Из фанеры с помощью корончатого сверла высверливается диск для крепления лопастей. С двух сторон он укрепляется меньшими дисками. Заготовка размечается и просверливается, затем к ней прикручиваются лопасти.
Полученная крыльчатка прикручивается к валу генератора. В последнем предварительно сверлится отверстие, и нарезается резьба под болт.
Ветрогенератор с крыльчаткой устанавливается на верху в хорошо продуваемом месте. Через собранную из диодных мостов схему от него заряжаются 4 аккумулятора по 12В, соединенные последовательно.
Накопленный на них заряд преобразуется в 220 В переменного тока с помощью инвертора, который подходит для питания бытовых приборов.
Смотрите видео
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)
| Баллы Бофорта | Словесное определение силы ветра | Средняя скорость ветра | ||
| м/с | км/ч | узлов | ||
| 0 | Штиль | 0—0,2 | < 2 | 0—1 |
| 1 | Тихий | 0,3—1,5 | 2—5 | 1—3 |
| 2 | Лёгкий | 1,6—3,3 | 6—11 | 4—6 |
| 3 | Слабый | 3,4—5,4 | 12—19 | 7—10 |
| 4 | Умеренный | 5,5—7,9 | 23-28 | 11—16 |
| 5 | Свежий | 8,0—10,7 | 29—38 | 17—21 |
| 6 | Сильный | 10,8—13,8 | 39—49 | 22—27 |
| 7 | Крепкий | 13,9—17,1 | 50—61 | 28—33 |
| 8 | Очень крепкий | 17,2—20,7 | 62—74 | 34—40 |
| 9 | Шторм | 20,8—24,4 | 75—88 | 41—47 |
| 10 | Сильный шторм | 24,5—28,4 | 89—102 | 48—55 |
| 11 | Жестокий шторм | 28,5—32,6 | 103—117 | 56—63 |
| 12 | Ураган | 33 и более | 118 и более | 64 и более |
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.
Источник https://energo.house/veter/dvigatel-dlya-vetrogeneratora.html
Источник https://sdelaysam-svoimirukami.ru/8022-kak-sdelat-vetrogenerator-iz-asinhronnogo-jelektrodvigatelja.html
Источник https://habr.com/ru/company/ruvds/blog/546046/