Надежный двигатель для ветрогенератора: электроника самодельного ветряка из подручных материалов, усовершенствования и доработка

Обновлено: 14 января 2021

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.

Источник

Как сделать ветрогенератор своими руками

Ветер – это бесплатная энергия! Так давайте же её использовать в личных целях. Если создание ВЭС в промышленных масштабах это очень дорого, потому что кроме генератора нужно провести ряд исследований и расчётов, государство не берет на себя такие расходы, а инвесторам в странах бывшего СССР – это, почему-то не вызывает особого интереса. То в частном порядке можно сделать мини-ветряк для собственных нужд. Стоит понимать, что проект перевода вашего дома на альтернативную энергию очень дорогое занятие.

Как уже было сказано: нужно произвести длительные наблюдения и расчёты, чтобы подобрать оптимальное соотношение размеров ветряного колеса и генератора, подходящее к вашему климату, розе ветров и среднегодовой скорости ветра.

Эффективность ветроэлектрической установки в пределах одного региона может отличаться в разы, это связано с тем, что движение ветра зависит не только от климатического пояса, но и от рельефа местности.

Однако вы можете узнать, что такое ветроэнергетика с минимальными затратами собрав бюджетную установку для питания маломощной нагрузки, типа смартфона, лампочек или радиоприёмника. При должном подходе вы можете обеспечить электроэнергией небольшой дом или дачный участок.

Давайте рассмотрим каким образом можно сделать простейшую ветроэлектрическую установку своими руками.

Содержание статьи

Маломощные ветряки из подручных средств

Компьютерный кулер представляет собой бесколлектроный двигатель, который в своем первоначальном виде не представляет практической ценности.

Его нужно перемотать, так как в оригинале обмотки соединены неподходящим образом. Мотать катушки поочередно:

По часовой стрелке;

Против часовой стрелки;

По часовой стрелке;

Против часовой стрелки.

Соединять соседние катушки нужно последовательно, а еще лучше мотать одним куском провода переходя от одного паза к другому. Толщину провода в этом случае подбирать произвольно, лучше будет если вы намотаете как можно больше витков, а это возможно при использовании наименее тонким проводом.

Выходное напряжение с такого генератора будет переменным, а его величина будет зависеть от оборотов (скорости ветра), установите диодный мост из диодов Шоттки, чтобы выпрямить его до постоянного, обычные диоды подойдут, но будет хуже, т.к. на них упадёт напряжение от 1 до 2-х вольт.

Лирическое отступление, немного теории

Запомните величина ЭДС равняется:

где L – длина проводника помещенного в магнитное поле; V – скорость вращения магнитного поля;

При модернизации генератора вы можете влиять только на длину проводника, то есть на количество витков каждой из катушек. Количество витков – определяет выходное напряжение, а толщина провода – максимальную токовую нагрузку.

На практике влиять на скорость ветра нельзя. Однако из этой ситуации тоже есть выход, можно, узнав типовую скорость ветра для вашей местности спроектировать подходящий по оборотам винт для ветроэлектрической установки, а также редуктор или ременную передачу, для обеспечения достаточных оборотов для генерации нужного по величине напряжения.

ВАЖНО: Быстрее не значит лучше. При слишком большой скорости вращения ветрогенератора сократиться его ресурс, ухудшаться смазочные свойства втулок или подшипников ротора, и он заклинит, а быстрее всего произойдет пробой изоляции обмоток в генераторе.

Генератор состоит из:

Промышленные конструкции ветрогенераторов:

Увеличиваем мощность генератора из компьютерного кулера

Во-первых, чем больше лопастей и диаметр колеса – тем лучше, поэтому присмотритесь к 120-мм кулерам.

Во-вторых, мы уже сказали, что напряжение зависит и от магнитного поля, дело в том, что промышленные генераторы высокой мощности имеют обмотки возбуждения, а низкой мощности – сильные магниты. В кулере магниты крайне слабые и не позволяют добиться хороших результатов от генератора, да и зазор между ротором и статором весьма велик – порядка 1 мм, и это при и без того слабых магнитах.

Решение этой проблемы кардинально изменить конструкцию генератора. Вернее, от кулера потребуется только крыльчатка, в качестве самого генератора применим моторчик от принтера или любой другой бытовой техники. Наиболее часто встречаются щеточные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов.

В результате это будет выглядеть так.

Мощности подобного генератора хватит, чтобы запитать светодиоды, радиоприемник. Для подзарядки телефона его не хватит, телефон будет отображать процесс заряда, но ток будет крайне мал, до 100 Ампер, при ветре 5-10 метров в секунду.

Шаговые двигатели в роли ветрогенератора

Шаговый двигатель очень часто встречается в компьютерной и бытовой технике, в различных проигрывателях, флоппи-дисководах (интересны старые модели 5.25”), принтерах (особенно матричных), сканерах и т.д.

Данные двигатели без переделок могут работать в роли генератора, они представляют собой ротор с постоянными магнитами, и статор с обмотками, типовая схема подключения шагового двигателя в режиме генератора изображена на рисунке.

В схеме установлен линейный стабилизатор на 5 Вольт, типа L7805, что позволит без опасения подключать мобильные телефоны к такому ветряку для их зарядки.

На фото генератор из шагового двигателя с установленными лопастями.

Двигатель в конкретном случае с 4-мя выходными проводами, схема соответственно под него. Двигатель с такими габаритами в режиме генератора выдаёт примерно 2 Вт при слабом ветре (скорость ветра около 3 м/с) и 5 м/с при сильном (до 10 м/с).

Кстати вот аналогичная схема со стабилитроном, вместо L7805. Позволяет заряжать Li-ion батареи.

Доработка самодельного ветряка

Чтобы генератор работал эффективнее нужно сделать ему направляющий хвостовик и закрепить его на мачте подвижно. Тогда при изменении направления ветра – будет изменяться направление ветрогенератора. Тогда возникает следующая проблема – кабель, идущий от генератора к потребителю будет закручиваться вокруг мачты. Чтобы это решить нужно обеспечить подвижный контакт. На Ebay и Aliexpress продаётся готовое решение.

Нижних три провода – неподвижны идут вниз, а верхний пучок проводов – подвижен, внутри установлен скользящий контакт или щеточный механизм. Если у вас нет возможности купить, проявите смекалку, и, вдохновившись решением конструкторов автомобиля Жигули, а именно реализацией подвижного контакта кнопки сигнала на руле и сделайте что-то похожее. Или воспользуйтесь контактной площадкой от электрочайника.

Соединив разъёмы, вы получите подвижный контакт.

Мощный ветрогенератор из подручных средств.

Для получения большей мощности вы можете использовать два варианта:

1. Генератор из шуруповерта (10-50 Вт);

2. Ветрогенератор из автомобильного генератора.

Из шуруповерта понадобиться только моторчик, вариант аналогичен предыдущему, в качестве винта вы можете использовать лопасти от вентилятора, это увеличит итоговую мощность вашей установки.

Вот пример реализации такого проекта:

Обратите внимание как здесь реализована шестеренчатая повышающая передача – вал ветрогенератора расположен в трубе, на его конце расположена шестерня, которая передаёт вращение меньшей шестерне закрепленной на валу двигателя. Повышение оборотов двигателя имеет место и в промышленных ветряных электроустановках. Редуктора применяются повсеместно.

Однако в условиях самоделки изготовить редуктор становиться большой проблемой. Вы можете извлечь редуктор из электроинструмента, он там нужен чтобы понизить высокие обороты на валу коллекторного двигателя в нормальные обороты патрона на дрели, или диска болгарки:

В дрели установлен планетарный редуктор;

В болгарке установлен угловой редуктор (станет полезным для монтажа некоторых установок и уменьшит нагрузку с хвоста ВЭУ);

Редуктор от ручной дрели.

Такой вариант самодельного ветрогенератора уже может заряжать 12 В аккумуляторы, однако нужен преобразователь для формирования зарядного тока и напряжения. Эту задачу можно упростить применив автомобильный генератор.

Ветрогенератор из автомобильного генератора

Автомобильный генератор состоит из статора с трёхфазной обмоткой, и ротора со щёточным узлом и катушкой возбуждения. К нагрузке такой генератор подключается через диодный мост собранный по схеме Ларионова, он обычно расположен на задней крышке генератора.

Преимущество такого генератора – возможность использовать его для зарядки автомобильных аккумуляторов, в принципе он для этого и предназначен. Автогенераторы имеют встроенное реле-регулятор напряжения, что избавляет от необходимости покупать дополнительные стабилизаторы или преобразователи.

Однако автолюбители знают, что на низких холостых оборотах, примерно 500-1000 Об/мин мощность такого генератора мала, и он не обеспечивает должного тока для заряда аккумулятора. Это приводит к необходимости подключения к ветроколесу через редуктор или ременную передачу.

Отрегулировать количество оборотов при нормальной для ваших широт скорости ветра можно с помощью подбора передаточного числа либо с помощью правильно спроектированного ветроколеса.

Полезные советы

Пожалуй, самая удобная для повторения конструкция мачты для ветряка – изображена на картинке. Такая мачта растягивается на тросах, закрепленных на держателях в земле, что обеспечивает устойчивость.

Важно: Высота мачты должна быть как можно большей примерно 10 метров. На большей высоте ветер сильнее, потому что для него нет препятствий в виде наземных сооружений, холмов и деревьев. Ни в коем случае не устанавливайте ветрогенератор на крыше своего дома. Резонансные колебания крепежных конструкций могут вызвать разрушение его стен.

Позаботьтесь о надёжности несущей мачты, ведь конструкция ветряка на базе такого генератора значительно утяжеляется и представляет собой уже довольно серьезное решение, которое может осуществлять автономное электроснабжение дачи с минимальным набором электрических приборов. Устройства, которые работают от 220 Вольт можно запитать от инвертора 12-220 В. Самый распространённый вариант такого инвертора – блок бесперебойного питания для ПК.

Лучше использовать генераторы от дизельных, в т.ч. грузовых автомобилей, ведь они рассчитаны для работы на низких оборотах. В среднем дизельный двигатель крупного грузовика работает в диапазоне оборотов от 300 до 3500 об/мин.

Современные генераторы выдают 12 или 24 Вольт, а ток в 100 Ампер – уже давно стал нормальным. Проведя несложные вычисления можно определить, что такой генератор максимально выдаст вам до 1 кВт мощности, а генератор от жигулей (12 В 40-60 А) 350-500 Вт, что уже довольно приличная цифра.

Каким должно быть ветроколесо для самодельной ВЭУ?

Я упомянул в тексте о том, что ветроколесо должно быть большим и с большим количеством лопастей, на самом деле это не так. Это утверждение было справедливо для тех микро-генераторов, которые не претендуют на звание серьезных электрических машин, а скорее экземпляры для ознакомления и досуга.

На самом деле проектирование, расчёт и создание ветроколеса – это очень сложная задача. Энергия ветра будет использоваться рациональнее, если оно выполнено очень точно и идеально выведен «авиационный» профиль, при этом он должен быть установлен с минимальным углом к плоскости вращения колеса.

Реальная мощность ветроколес с одинаковым диаметром и разным количеством лопастей – одинаково, разница лишь в скорости их вращения. Чем меньше крыльев – тем больше оборотов в минуту, при том же ветре и диаметре. Если вы собираетесь добиться максимальных оборотов вы должны максимально точно смонтировать крылья с минимальным углом к плоскости их вращения.

Ознакомьтесь с таблицей из книги 1956 года «Самодельная ветроэлектростанция» изд. ДОСААФ Москва. На ней показана связь диаметра колеса, мощности и оборотов.

Диаметр ветроколеса (м)	1,6	2,0	2,5	3,0	4,0	5,0
Число оборотов в минуту (при ветре 7 — 8 м/с)	670	450	360	300	225	180
Мощность (при ветре 7—8 м/сек) (ватт)	65 — 80	100 — 130	200	300	500	1000

В домашних условиях эти теоретические выкладки дают мало толку, любители делают ветроколеса из подручных средств, в ход идёт:

Пластиковые канализационные трубы.

Собрать своими руками быстроходное 2-4 лопастное ветроколесо можно из канализационных труб, кроме них нужна ножовка или любой другой режущий инструмент. Использование этих труб обусловлено их формой, после обрезки они имеют вогнутую форму, что обеспечивает высокую отзывчивость к потокам воздуха.

После обрезки их закрепляют с помощью БОЛТОВ на металлической, текстолитовой или фанерной болванке. Если вы собрались делать её из фанеры – лучше переклейте и скрутите саморезами с обеих сторон несколько слоев фанеры, тогда у вас получится добиться жесткости.

Вот идея двух лопастной цельной крыльчатки для генератора из шагового двигателя.

Выводы

Вы можете сделать ветроэлектрическую установку начиная от малых мощностей – единиц Ватт, для питания отдельных светодиодных светильников, маячков и мелкой техники, до хороших значений мощности в единицах киловатт, накапливать энергию в аккумуляторе, использовать её в исходном виде или преобразовывать до 220 Вольт. Стоимость такого проекта будет зависеть от ваших потребностей, пожалуй, самым дороги элементом является мачта и аккумуляторы, может оказаться в пределах 300-500 долларов.

Источник