Как сделать ветрогенератор своими руками?

Ветряной генератор для выработки электроэнергии – незаменимый источник электричества там, где солнечного света не так много, нет поблизости рек, а централизованные электросети отсутствуют.

Принцип действия ветрогенератора – превращение энергии ветра в электрическую.

В системах, где для получения электричества нужна тепловая энергия, используют:

• двигатель, работающий на газе, бензине или солярке;
• тепловыделение от пластин и блоков ядерного реактора, чьё тепло применяют для превращения воды в пар – в паровой турбине;
• различные виды сжигаемого топлива в ТЭЦ, заменяющие тепло, жар от ядерного реактора.

Особняком стоят солнечные батареи, где в качестве исходной энергии используют свет, а не тепло или механическую энергию.

Но вернёмся к «ветрякам», чей принцип работы состоит в следующем. Сила ветра вращает пропеллер, приводящий в движение вал мотора-генератора. Вместе с валом синхронно крутится ротор двигателя, на котором установлены постоянные магниты. Магнитное поле, проходя через обмотку статора, наводит в ней переменный ток за счёт изменения силы магнитного потока, проходящего через витки катушек, из которых и собрана обмотка. Переменное электрическое напряжение подаётся на электронную схему, где оно преобразуется в постоянное. От постоянного тока и работают многочисленные приборы и устройства, которым он и нужен.

Генератор для дачи или походных условий, вырабатывающий переменный ток напряжением 220 В, изготовить сможет каждый. Чем внушительные габариты конструкции, тем большую эффективность отдачи получит конкретный пользователь. Не проблема изготовить генератор, вырабатывающий один или несколько киловатт электроэнергии в час. Электричество, получаемое от такой установки, способно запитать практически все электроприборы в доме, включая и садово-огородную технику.

Установка отдалённо напоминает флюгер с пропеллером, благодаря чему данная конструкция поворачивается туда, куда дует ветер. Это необходимо, чтобы максимально задействовать его силу, скорость.

Горизонтальный пропеллер поворачивается при помощи хвостовика, расположенного на задней части установки. Вертикальному же хвостовик не нужен – его лопасти располагаются таким образом, что сам пропеллер заведётся практически с пол-оборота, с какой бы стороны ни подул ветер.

Чтобы ветряная установка работала с максимальной эффективностью, необходима частота вращения от 3000 оборотов в минуту. Для генераторов, производящих переменный ток, такая частота соответствует значению в 50 герц, характерному для отечественных промышленных энергоустановок. Раскрутив мотор-генератор, весящий порядка 10 кг, не проблема получать 2 кВт ежечасно.

Основной элемент любой модели ветряной электростанции – мотор-генератор. Он работает как мотор – постоянный или переменный ток заставляет крутиться ротор (а с ним и вал) установки. Работа наоборот – в качестве генератора – также возможна.

Среди двигателей, использующихся и как генераторы, различают коллекторно-щёточные, бесколлекторные асинхронные и шаговые. Именно эти три типа моторов пользуются популярностью у любителей, собирающих ветроустановки своими руками.

В коллекторном двигателе обмотки ротора (якоря) располагаются в постоянном магнитном поле статорных магнитов. Постоянное напряжение, снимаемое с выводов такого двигателя при раскручивании его вала с якорем, передаётся от токоведущих контактов якоря через щётки. Сами щётки и являются слабым местом такого двигателя – они быстро вырабатывает свой ресурс. Как правило, такой генератор находится под постоянной нагрузкой, при движении якоря щётки искрят. Несколько дней непрерывной работы такой установки способны полностью износить щётки, вследствие чего потребуется замена последних.

Лучшим вариантом является бесщёточный движок. В нём ротор с магнитами вращается в пространстве между статорными обмотками. Сами обмотки остаются неподвижными, им не нужны скользящие контакты. Благодаря такому простому решению установка может работать десятилетиями — важно лишь раз в сезон или в полгода смазывать подшипники двигателя, отвечающие за идеальное, без люфта, вращение ротора. Популярные решения на основе бесколлекторного двигателя – асинхронный или шаговый – доступны практически каждому домашнему «самодельщику».

Асинхронный двигатель применяется в электроинструментах – например, в точильном станке. Шаговый можно встретить в самых разнообразных устройствах – от мотор-колеса велосипеда до механического привода принтера или дисковода.

Особняком стоит переменный щёточный двигатель, используемый в перфораторах, болгарках, шуруповёртах, электролобзиках, электрорубанках. Их недостаток – необходимость удаления щёток и проточка ротора под неодимовые магниты. В результате из действующих обмоток остаётся лишь обмотка статора — роторная же удаляется полностью.

Ветряной генератор, изготовленный из вентилятора, потребует проточки ротора под неодимовые магниты. Конструкция мотора бытового вентилятора не рассчитана на получение электрического тока путём раскручивания ротора. Под такую же переделку подпадает и компьютерный кулер (охладитель микросхем) — вентилятор системного блока ПК или ноутбука.

Тракторный или автомобильный генератор использует дополнительную обмотку возбуждения, питающуюся от аккумулятора самой машины. Чтобы генератор выдал, например, переменный ток в 135 ампер напряжением 15 вольт, роторная обмотка возбуждения после включения зажигания потребляет постоянный ток от 3 А напряжением 12,6-14 В. Основным источником энергии для генератора по-прежнему является коленвал двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине, дизельном топливе или метане/пропане. Тракторный или автомобильный генератор потребует удаления обмотки возбуждения и установки вместо неё неодимовых магнитов.

Наиболее распространённый вариант — использовать для самодельного генератора двигатель стиральной машины. Если в наличии нет старой «стиралки», найти такой движок можно у старьёвщиков на хозяйственном рынке, в ближайшем сервис-центре бытовой техники или специализированном магазине. Не проблема заказать такой двигатель из Китая.

И новый, и бывший в употреблении проработают долго. Мощность на 200 ватт легко переделывается под киловатт и более.

Для сборки генератора, кроме мотора, нужны:

• неодимовые магниты размером 20, 10 и 5 мм (всего 32);
• выпрямительные диоды или диодный мост с током на десятки ампер (соблюдайте правило двукратного запаса по мощности);
• эпоксидный клей;
• холодная сварка;
• наждачка;
• жесть от боковины консервной банки.

Магниты заказываются по сети из Китая.

Ускорит процесс изготовления следующий инструментарий:

• токарный станок;
• ножницы;
• отвёртка с насадками;
• пассатижи.

Генератор как устройство вырабатывает переменный ток, который необходимо преобразовать в постоянный, довести до требуемой величины напряжения. Если мотор-генератор выдаёт, скажем, 40 В, то вряд ли это будет подходящим значением для большинства бытовой электроники, потребляющей 5 или 12 вольт постоянного тока либо 127/220 вольт переменного.

Проверенная временем и миллионами пользователей схема всей установки включает в себя выпрямитель, контроллер, аккумулятор и инвертор. В качестве буферного накопителя запасаемой энергии применяют автомобильный аккумулятор ёмкостью 55-300 ампер-часов. Его рабочее напряжение — 10,9-14,4 В при циклическом заряде (полный цикл заряда-разряда) и 12,6-13,65 при буферном (порционном, дозированном, когда нужно дозарядить частично разряженную батарею).

Контроллер преобразует, к примеру, те же 40 вольт в 15. Его КПД по вольт-амперажу колеблется в пределах 80-95% — без учёта потерь на выпрямителе.

Наибольшую эффективность имеет трёхфазный генератор — его отдача на 50% больше, чем у однофазного, он не вибрирует при работе (вибрация расшатывает конструкцию, делая её недолговечной).

Катушки в обмотке каждой из фаз чередуются друг с другом и соединены последовательно — как и полюса магнитов, обращённые одной из сторон к катушкам.

Современная бытовая техника и электроника способны работать, начиная со 110 вольт (американский стандарт бытовых сетей) вплоть до 250 – больше давать сетевым приборам и устройствам не рекомендуется. Все преобразователи — импульсные, по сравнению с линейными их потери на тепло значительно меньше.

Для изменения конструкции асинхронного мотора сделайте следующее.

1. Разберите мотор и выньте ротор.
2. Удалите пластины с якоря ротора. Подрежьте их на глубину до 2 мм.
3. Проточите пазы глубиной до 5 мм — под магниты.
4. Разметьте полосу жести под магниты. Они должны одинаково отступать друг от друга — это предотвратит ненужную потерю мощности установки.
5. Прикрепите их к этой полосе жести на суперклей. Зафиксируйте полосу с магнитами на якоре.
6. Заполните пространство между магнитами холодной сваркой или эпоксидным клеем.
7. Заусенцы и неровности на роторе удалите с помощью наждачной бумаги.
8. Проверьте — и при необходимости замените — подшипники и болты двигателя.

Соберите мотор-генератор. Устройство готово к дальнейшему монтажу. Для проверки устройства зажмите его вал в патроне дрели или шуруповёрта и разгоните до 1000 оборотов в минуту.

При меньшей величине ошибка кроется в неравномерном чередовании магнитов в любой точке окружности вращения якоря.

Для сборки ветроустановки сделайте следующее.

1. Из трубы ПВХ диаметром в 11-16 см вырежьте одинаковые куски, по длине соответствующие будущим лопастям.
2. На каждом отрезке проведите произвольную линию и отступите от неё с обеих сторон 22 мм. Соответственно, ширина одной лопасти достигнет 44 мм. Повторите это же действие для противоположного торца отрезка.
3. Соедините напрямик крайние точки с одной из сторон центральной линии.
4. Нанесите с другой стороны очертания будущей лопасти.
5. Вырежьте получившуюся лопасть и закруглите её свободный конец путём затачивания. Повторите вышеперечисленные действия для остальных лопастей.
6. Прикрепите лопасти к ступице, используя переходник-втулку. В качестве крепежа подойдут болты с гайками и пружинящими шайбами. Ширина каждой лопасти по всей длине колеблется от 44 до 88 мм.

Этого хватит, чтобы ветер со скоростью от 3 м/с закрутил крыльчатку. Полученная конструкция должна быть отбалансирована — правильная балансировка предотвратит образование мёртвых точек, тормозящих генератор при вращении пропеллера.

Мотор-генератор с установленной крыльчаткой может быть помещён в защитный рукав, предохраняющий его от атмосферных осадков. Оставаясь сухим при любой погоде, защищённый от дождя и снега генератор прослужит долгие годы. Для сборки защитного кожуха сделайте следующее:

1. в трубе диаметром от 7,5 см вырежьте продольную канавку шириной 2 см;
2. обрежьте задний конец разрезанной трубы под углом в 45 градусов;
3. поместите мотор-генератор с пропеллером в эту трубу и зафиксируйте её на нём.

Для свободного поворота двигателя потребуется шарнирное соединение на основе шарикоподшипников, наподобие имеющегося в бытовом вентиляторе. Оно может поворачиваться бесконечно в любую из сторон.

Чтобы кабель, с помощью которого снимаются наведённые в обмотке статора токи, не наматывался и не перекручивался, соединение в шарнире должно быть скользящим, но обеспечивающим надёжный, устойчивый электрический контакт мотора-генератора с далее расположенными функциональными узлами схемы.

Применение щёточно-графитного контакта неоправданно — графит имеет электрическое сопротивление на порядок выше, чем у алюминия и стали, и мощность установки заметно упадёт. Шарнир устанавливается на основе из куска профильной трубы. После сборки проверяют, не заедает ли получившийся поворотный механизм, не крутится и не перетирается ли кабель.

Обеспечив скользящий контакт и свободный поворот установки по ходу ветра, к дополнительному внешнему корпусу мотора крепят хвостовик, изготовленный, например, из пластиковой водопроводной трубы и куска листового пластика или алюминия.

В качестве опоры используют круглую или профильную трубу, один конец которой забетонирован в земле — не менее чем на метр. Чтобы опора не покосилась со временем от урагана, её дополняют тремя или шестью растяжками, сходящимися в центре под одним и тем же углом и направленными в разные стороны.

Закончив сборку мотор-генераторной части, рядом с мотором при необходимости монтируют диодный выпрямитель. Потери тока в проводах значительно можно снизить, применив повышающий трансформатор, расположенный вблизи генераторной установки — как в линиях, передающих на большие расстояния промышленную электроэнергию.

Контроллер заряда, батарею и инвертор включают далее по схеме. Ветроэлектрическая установка полностью собрана и готова к работе.

Самодельный ветряк для частного дома вырабатывает постоянное или переменное напряжение от нескольких десятков вольт, представляющее для человека повышенную опасность. Токоведущие контакты и провода должны быть надёжно заизолированы — дождевая вода является подкисленной средой, неплохо проводящей электрический ток.

Энергия ветра непостоянна. Лучшим решением окажется тихоходный генератор, имеющий не один десяток магнитов и катушек. Чем больше катушек – тем толще должен быть обмоточный провод. Слишком тонкое сечение из-за суммарного сопротивления в десятки ом снизит полезную мощность генератора ещё в несколько раз. Для серьёзной нагрузки – например, от электроплиты или стиральной машины – при 220 вольтах потребуется ток до 10 А.

Конструкция самодельного генератора – если не используется переделанный под выработку электричества двигатель – должна быть идеально ровной и симметричной. Перед монтажом катушек и магнитов сама «вертушка» должна быть отцентрована. Не имеет значения, что используется – отслужившие своё компакт-диски или самодельная уменьшенная копия ветряной мельницы, малейший дисбаланс уже недопустим.

Старайтесь добиться минимального шума – в идеале он должен отсутствовать. Если на вашу, не смазанную в месте подшипников установку пожалуются из-за постоянного скрипа и стука при вращении, подобная жалоба может повлечь проблемы с законом, особенно ночью. Остальные поводы заявить на вас как на владельца ветроустановки незначительны – ветряки полностью законны, т. к. владелец данного устройства не производит с его помощью электричество в промышленных масштабах, как это делают в Европе и Америке.

Установка не должна оказаться слишком высокой – выше столбов, по которым проходят ЛЭПы. В каждом городе, дачном посёлке или сельском поселении действует ограничение на высоту сооружаемых конструкций.

Правильно и крайне ответственно подойдя к решению проблемы с электричеством при помощи ветрогенератора, потребитель избавится от простоев, связанных с перебоями электроснабжения. Всегда лучше сработать на опережение – в рамках закона – чем годами ждать обещанного властями.

Как сделать ветрогенератор своими руками, смотрите далее.