ЭТО ВЫ МОЖЕТЕ
Ветер всегда считался символом непостоянства, и попытки превратить его энергию в электрическую приводили чаще всего к результатам, не слишком обнадеживающим. Действительно, все ждут от источника электрической энергии стабильности: щелкнул выключателем — и зажглась лампочка. А ветер, увы, нестабилен. Однако сделать его надежным источником электроэнергии можно, если воспользоваться давно уже разработанной схемой с промежуточным накопителем энергии — аккумулятором. В течение дня ветродвигатель вращает электрогенератор, который с помощью электронного устройства заряжает аккумуляторную батарею. В зависимости от силы ветра и расхода энергии устанавливается оптимальный зарядный ток и стабилизируется напряжение питания независимо от частоты вращения генератора. В сегодняшней подборке читателям «th» предлагаются три ветроэлектростанции (ВЭС): — классическая — с горизонтальной и две роторные — с вертикальной осью вращения.
«ДИСК»
ВЭС собирается на базе автомобильных агрегатов — 12-вольтово-го генератора и аккумулятора, способного обеспечить дачный домик освещением (три-четыре 20-свече-вые лампы), а также энергией для питания портативного телевизора и других 12-вольтовых электроприборов.
Ветроэлектрогенератор «Диск»: 1 — электрогенератор типа Г-221, 2 — двухлопастное ветроколесо, 3 — цепная передача мультипликатора, 4 — консольная ось вращения ветроколеса, 5 — обтекатель ступицы ветроколеса, 6 — ступица ветроколеса (тормозной барабан мотоцикла), 7 — тормозной щит с тормозными колодками, 8 — кронштейн консольной оси ветроколеса, 9 — рама, 10 — поворотно-коллекторный узел, 11 — опора, 12 — направляющие кили, 13 — лопастное аэродинамическое тормозное устройство.
Чтобы привести во вращение генератор (например, «жигулевский», имеющий ток отдачи 42 А при частоте вращения 5000 об/мин), потребуется ветроколесо диаметром 1500... 1800 мм. Привод генератора осуществляется через цепной мультипликатор (ускоряющий редуктор) с передаточным числом 3...4.
Лопасти ветроколеса лучше всего сделать из березового или соснового бруска. Сначала вырезается заготовка воздушного винта, представляющая собой его плановую проекцию с 5-мм припуском. На ней раз-
ПУСТЬ
РАБОТАЕТ
ВЕТЕР
мечаются контуры лопастей с плоскостями контрольных сечений. Будьте внимательны при изготовлении профиля воздушного винта — от того, насколько точно он изготовлен, зависит коэффициент полезного действия ветроустановки, или, что то же самое, энергоотдача электрогенератора.
Чтобы получить лопасть нужного профиля, сначала следует на заготовку винта нанести линии задней и передней кромки лопасти, определяющие крутку каждого из сечений. Далее с помощью полукруглых стамес-
У96 «TechnoHOBBY» ц
Геометрическая схема двухлопастного ветроколеса.
Поворотно-коллекторный узел:
1 — опора ветроэлектрогенератора, 2 — опорная плита (стальной лист толщиной 5 мм), 3 — стойка коллекторных щеток (стальной швеллер сечением 30x50 мм), 4 — неподвижная стойка поворотного устройства (стальная труба 40 мм), 5 — подвижная стойка поворотного устройства (стальная труба 50 мм), 6 — шайба-ограничитель (фторопласт или капрон), 7 — опорная пятка, 8 — шаровой шарнир, 9 — усиливающая косынка, 10 — стыковочная площадка (стальной лист толщиной 5 мм), 11 — изоляционная втулка коллекторного кольца, 12 — болт с гайкой, шайбой и втулкой-изолятором, 13 — коллекторное кольцо, 14 — стягивающая пружина, 15 — щетка коллекторного устройства, 16 — изолирующая прокладка.
ки и рашпиля прорезать «маячки» — участки профиля в зонах контрольных сечений и закрасить их цветным карандашом. Между «маячками» выбирается древесина; при этом правильность профиля лопасти контролируется с помощью линейки, накладываемой на соседние дужки. Окрашенные цветным карандашом сечения при обработке должны оставаться нетронутыми.
Готовый воздушный винт вышку-ривается и закрепляется на ступице, в качестве которой используется тормозной барабан мотоциклетного колеса: это позволяет иметь не только компактный подшипниковый узел, но и несложное автоматическое тормозное устройство.
После установки на ступицу воз-.душного винта последний необходимо отбалансировать. Для этого ось вращения винта закрепляется в тисках и с помощью рашпиля и шкурки облегчается более тяжелая лопасть. Правильно сбалансированный винт должен останавливаться после вращения в любом положении.
Готовый винт покрывается несколькими слоями паркетного лака с промежуточным вышкуриванием и окончательно закрепляется на ступице.
Рама ветродвигателя сваривается из стальных уголков сечением 3x40x40 мм. Из таких же уголков со-
Принципиальная электрическая схема БЭС:
1 — автомобильный генератор типа Г-221,
2 — электронный выпрямитель-регулятор типа БПВ-14-10, 3 — аккумуляторная батарея (12 В и 50...60 А-ч), 4 — предохранитель, 5 — потребители. С1, С2 и СЗ — фазы статорной обмотки генератора; М1 и М2 — обмотка возбуждения генератора; -Х1 — «минус» обмотки возбуждения; -Х2 — «минус» аккумуляторной батареи; ХЗ — плюсовой вывод на контрольную лампу; Х4, Х5 и Х7 — фазы статорной обмотки генератора; +Х8 — «плюс» аккумуляторной батареи.
бирается и кронштейн, в котором фиксируется ось вращения воздушного винта. Направляющие кили («хвост») ветряка вырезаются из фанеры толщиной около 6 мм. Шарнир поворотного устройства представляет собой стальной шар, установленный между опорной пятой, запресованной в неподвижную стойку, и стыковочной площадкой подвижной стойки. На свободном конце последней установлена капроновая втулка.
Как уже упоминалось, вращение от ветроколеса к генератору передается через цепной мультипликатор с передаточным числом 3...4. Для этого используются велосипедные звездочки: между ступицей и воздушным винтом — ведущая, а на валу электрогенератора — ведомая. Крепление генератора с помощью штатных кронштейнов позволяет обеспечить оптимальное натяжение цепи.
Ветрогенератор необходимо оснастить автоматическим тормозом, препятствующим увеличению частоты вращения воздушного винта выше допустимого уровня при резком усилении ветра. Наиболее простой вариант — с использованием мотоциклетного тормозного устройства. Для этого на ось кулачка вместо тормозного рычага надевается втулка с приваренной к ней трубчатой штангой. На последней закрепляются две фа-
It «ТехноХОББИ >• 5*96
нерные лопасти. Штатная пружина, стягивающая тормозные колодки, заменяется другой, менее жесткой. Параметры пружины подбираются в зависимости от площади лопастей тормозного устройства и длины штанги. Торможение ступицы винта должно начинаться при скорости ветра 12... 15 м/с, ну а при очень сильном ветре ветроколесо само остановится.
Электронный блок выпрямитель-стабилизатор БПВ-14-10 (такой используется на мотоциклах типа «Иж» и некоторых автомобилях) выпрямляет переменный трехфазный ток, вырабатываемый генератором, а также стабилизирует напряжение при токе до 10 А. Кроме того, блок обеспечивает зарядку аккумулятора и переключение потребителей с питания от аккумулятора на генератор и наоборот при изменении частоты вращения последнего или мощности нагрузки.
Выпрямитель-стабилизатор крепится на раме рядом с генератором.
Можно, конечно, оснастить ветросиловую установку еще одним электронным блоком, преобразующим постоянный ток в переменный напряжением 220 В, однако коэффициент полезного действия такого устройства не слишком велик, и это будет еще один источник потерь в цепи преобразования энергии.
Передача электроэнергии от выпрямителя-стабилизатора к аккумулятору, установленному под мачтой ветрогенератора, осуществляется с помощью простейшего коллектора, состоящего из пары колец на поворотном устройстве мачты, и пары контактных щеток. Разумеется, «плюсовое» кольцо коллектора и соответствующая контактная щетка должны быть надежно изолированы от «массы». Для исключения попа-
дания влаги коллектор закрывается пластиковым «зонтиком».
Основанием ветроэлектростан-ции может служить сварная мачта, деревянный или железобетонный столб, подобный тем, что используются для линий электропередачи. Если в качестве опоры выбран столб, необходимо закрепить его по меньшей мере тремя растяжками из стального троса или проволоки.
Следует учесть, что высота установки ветроколеса зависит от наличия препятствий (деревьев, зданий и других сооружений), находящихся в непосредственной близости от него. В идеальном случае лопасть ветроколеса должна быть выше близкорасположенного препятствия не менее чем на два метра. Необходимо учитывать, что влияние препятствия на воздушный поток распространяется на расстояние, равное пятнадцатикратной его высоте.
«РОТОР»
Ветроэлектростанция с горизонтальной осью вращения, несмотря на достаточно высокий коэффициент полезного действия, имеет свои недостатки. В частности, передача большого тока через коллектор вызывает ощутимые потери энергии и может привести к неприятностям как из-за нарушения контактов при их окислении, так и из-за снижения упругости пластин щеточного устройства. И еще: ветроколесо такого типа обладает качествами гироскопа — волчка, стремящегося сохранить в пространстве ориентацию оси враще-
ния. Именно поэтому при изменениях направления ветра возникает значительная нагрузка на подшипники, что сокращает срок их службы.
Во многих случаях более выгодной окажется роторная ВЭС, у которой ветроколесо имеет вертикальную ось вращения и может работать при любом направлении ветра.
Известно несколько типов роторных ветродвигателей. Одним из самых простых и эффективных являет-
ся вингротор, представляющий разрезанный по диаметральной плоскости полый цилиндр со смещенными друг относительно друга частями. Такой ротор хотя и тихоходнее ветроколеса, но имеет больший крутящий момент и способен работать при незначительных скоростях ветра. Главное же его достоинство — способность вращаться при любом направлении ветра и как следствие— отсутствие поворотного устройства и коллектора.
Ветроэлектрогене-ратор «Ротор»:
I — электрогенератор типа Г-221, 2, 4, 6, 17 — аэродина -мические шайбы роторного ветроколеса, 3, 5, 18 — лопатки ротора, 7 — цепная передача мультипликатора, 8 — ступица ветроколеса (тормозной барабан мотоцикла), 9, 16 —лопатки аэродинамического тормозного устройства, 10 — ось вращения роторного ветроколеса,
II — опора, 12 — ушки крепления растяжек, 13—кронштейн крепления электрогенератора, 14 — усиление нижней аэродинамической шайбы (деревянный брусок 40x40 мм), 15-кронштейн (уголок 2x30x30 мм, дюралюминий).
5'96 uT«chnoHOBBY» 13
4 Технохобби № 5
К числу достоинств ВЭС с вингро-тором относится и простота ее конструкции.
Роторный ветрогенератор монтируется на столбе или мачте. О том, как это делается, читателям уже известно из описания ВЭС типа «Диск». Основание сваривается из стальных уголков сечением 4x40x40 мм. В верхней его части приваривается ступенчатый вал, на котором устанавливается тормозной барабан от колеса мотоцикла «Урал» или «Иж».
Ротор изготавливается из фанеры. Потребуются три диска диаметром 1000 мм и толщиной 10 мм — для аэродинамических шайб-перегородок и четыре пластины размером 500x1050 мм толщиной 4...5 мм — для лопаток ротора. Стыковка всех этих элементов производится с помощью дюралюминиевых уголков сечением 2x30x30 мм, согнутых так, как показано на рисунках, и винтов М5 с гайками и шайбами. Ротор усилен стяжками из стальных стержней диаметром 6 мм с резьбой на концах. Нижняя шайба укреплена
деревянными брусками сечением 40x40 мм.
После предварительного монтажа ротор разбирается, фанерные элементы два-три раза пропитываются горячей олифой, после чего он собирается уже окончательно и окрашивается алкидной эмалью.
На подшипниковый узел (тормозной барабан от мотоцикла) ротор монтируется с помощью дистанционных втулок и болтов М8 с гайками и шайбами. Между узлом и ротором устанавливается самодельная ведущая звездочка цепного мультипликатора, а на вал генератора — ведомая (малая звездочка от двигателя Д8 или V-50). Ведущая звездочка вырезается из дюралюминиевого листа толщиной 4 мм по известной технологии, когда на ее делительной окружности сначала размечаются центры отверстий, образующие впадины зубьев, а затем с помощью сверла, ножовки и напильников формируются сами зубья. Передаточное число мультипликатора i = 5...6.
Автомобильный генератор устанавливается на кронштейн, составляющий вместе с основанием вин-гротора единый сварной узел. Крепление генератора к кронштейну — штатное, как на автомобиле: с помощью шарнира и резьбового фиксатора-натяжителя.
Роторный ветрогенератор оснащен почти таким же тормозным устройством, как и на ВЭС типа «Диск». Привод его также аэродинамический: на оси тормозного кулачка закрепляется стальная втулка с четырьмя приваренными трубчатыми штангами. На концах каждой расположены полуцилиндрические фанерные лопасти. Пружина, стягивающая тормозные колодки, заменяется другой, с меньшей жесткостью. Срабатывать такое устройство должно при скорости ветра выше 10 м/с.
Электронная схема роторной ВЭС ничем не отличается от той, что используется на ветрогенераторе «Диск».
«АВТОМАТ»
Эта ветроэлектростанция — также роторного типа. Несомненное достоинство ее конструкции — наличие оригинального автоматического устройства, устанавливающего лопатки ротора в оптимальное положение в зависимости от скорости ветра. Ветродвигатель можно использовать в качестве привода генератора или насоса. При скорости ветра до 30 км/ч его мощность составит около 700 Вт.
Лопасти ротора делаются из 3-мм фанеры, слоистого пластика или
дюралюминия толщиной 0,5...0,8 мм на деревянном или металлическом каркасе.
Верхняя и нижняя крестовины крепления лопаток ротора изготавливаются из стальных полос толщиной 5 мм и собираются с помощью сварки. Нижняя крестовина для большей жесткости усиливается стальными 5-мм подкосами, которые привариваются снизу. Крестовины крепятся на валу двигателя стопорными винтами М8.
Автомат установки лопаток обеспечивает постоянную скорость вращения ротора вне зависимости от силы ветра. Он состоит из трех частей — крестовины, тяги и пружины.
Принцип действия автомата прост. При небольшой скорости ветра пружина, сжимаясь, ставит лопатки ротора в положение, при котором максимально используется сила ветра. По мере увеличения частоты вращения ротора тяги, выполняющие одновременно функции грузов-балансиров, под действием центробежной силы начинают поворачивать лопатки ротора внутрь. Таким образом достигается стабильность вращения ротора.
При изготовлении автомата главное внимание нужно уделить балансировке всей конструкции. Жескость пружины, работающей на растяжение, подбирается опытным путем. В случае необходимости устанавливаются дополнительные грузы на стороны лопаток, обращенные к оси ротора. Они обеспечивают срабатывание автомата при увеличении скорости вращения ротора.
Ветрогенератор:
1 — верхняя крестовина, 2 — лопатки ротора, 3 — нижняя крестовина, 4 — тяга-балансир, 5 — крестовина автомата установки лопаток, 6 — пружина, 7 — вал ротора, 8 — основание ветродвигателя, 9 — шкив.
14 «Т«хноХОББИ» 5'96
Рама привода ветряного двигателя делается из стальных уголков сечением 5x50x50 мм. Площадки для установки корпусов подшипников вырезаются из стального листа толщиной 5 мм. Последние крепятся на площадке с помощью сварки, причем нижняя площадка делается подвижной — для центровки вала ротора. Подшипники можно использовать № 106 и № 206.
Электрогенератор под ветродвигатель лучше использовать от легковой машины. Подключать его к потребителям следует так, как это уже описывалось в материалах «Диск» и «Ротор». Следует отметить, что такой ветродвигатель неплохо работает в паре с насосом, поднимая воду из скважины или колодца в водонапорную башню. Для этого понадобится автомобильный топливный насос либо водяная помпа от стиральной машины. Первый приводится в действие с помощью одного или не-скояьких-кулачков, расположенных на валу ветродвигателя, вторая — с помощью клиноременной передачи.
5*96 «TechnoHOBBY» |S
