«ВЕТЕР, ВЕТЕР! ТЫ МОГУЧ…»

К теме альтернативных источников электрической энергии наш журнал обращается регулярно. Несмотря на то, что линии электропередач протянулись ныне практически повсюду, у многих не утихает стремление иметь собственные, независимые ни от кого источники питания. Одни делают это из экономии, другие — устав от перебоев в подаче электричества, третьи из спортивного, точнее, технического интереса… Предлагаем очередной такой проект, пришедший в почту редакции.

Хочу рассказать читателям «Моделиста-конструктора» о придуманной мной ветряной электростанции оригинальной конструкции. Ротор у нее расположен вертикально. Он состоит из вала, на котором жестко насажена втулка с закрепленными на нем восемью кронштейнами лопастей. На эти лопасти и давит ветер. Чтобы увеличить мощность системы, на одном валу целесообразно установить несколько ярусов, конструктивно идентичных друг другу. Прилагаемое фото наглядно показывает устройство одного из них, а на чертеже показана «четырехэтажная» станция. Можно сделать и с двумя этажами, тогда для сохранения примерно той же мощности будет необходимо увеличить диаметр лопастей.

Каждая лопасть представляют собой сектор сферы (чашку). При строительстве такой электростанции очень важно, чтобы ветер одновременно давил на две лопасти каждого яруса, то есть они не должны перекрывать друг друга. Это определяется графически, путем проведения горизонтальной линии между нижним и верхним краями лопастей на виде сверху. Если лопасти на чертеже изображены в масштабе, то можно вычислить габариты всей конструкции. Именно поэтому мною не указаны размеры, они зависят от диаметра имеющихся лопастей. Допустим, он составляет 500 мм, тогда размах ротора будет 2600 мм, если 1000 мм — то 5200 мм, при 2000 мм — 10 400 мм.

Самостоятельно изготовить сферические лопасти довольно сложно, конечно, — я воспользовался готовыми, приобретя в хозяйственном магазине круглые пластиковые тазы диаметром около полуметра, и закрепил их шурупами, прижав донышки к кронштейнам из деревянного бруса сечением 50×50 мм. Напомню, что в центре кронштейны соединяются на втулках. Вал — это стальная труба, проточенная на токарном станке, чтобы минимизировать возможное биение ротора.

Сверху и снизу вал вращается в опорах с шарикоподшипниками, установленными на раме, возведенной вокруг каркаса. Снизу следует поставить радиальноупорный подшипник.

Ротор со сферическими лопастями напоминает анемометр — прибор для определения скорости ветра. Я подумал, что если закрыть от ветра лопасти, движущиеся против него, то эффективность работы ветряной электростанции возрастет. Поэтому я оснастил свою конструкцию устройством слежения за направлением ветра, которое автоматически закрывает от ветра «теневые» лопасти. Каркас поворачивающегося экрана также собран из деревянных брусков 50 х 50 мм, а по внешнему диаметру он зашит легким ветронепроницаемым материалом (толстой пленкой, например). Сверху, с одного края, с учетом направления вращения ротора, вертикально установлен стабилизатор. Он должен быть тем крупнее, чем больше размах ротора. Экран может поворачиваться вокруг оси ротора, поскольку ребра его деревянного каркаса, сходясь к центру, сидят в своем верхнем подшипниковом узле. Консольно закрепить экран на верхней опоре проблематично (особенно, если он большого размера), поэтому внутри по окружности на нем установлены ролики, которые опираются на кольцо, расположенное на раме электростанции (на приведенном фото этого кольца нет. — Прим. ред.). Благодаря стабилизатору экран всегда ориентируется по ветру, закрывая при этом половину окружности ротора, на которой находятся «паразитные» лопасти.

Теперь перейдем к описанию электрической части установки. Электрический ток вырабатывается трехфазным генератором. Я сделал его из обычного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором мощностью 3,5 кВт. Обмотки статора перемотал, чтобы число пар полюсов получилось равным 6. Установив параллельно обмоткам по два конденсатора МБГО-1 (20 мкФ, 500 В), получил генератор. Следует заметить, что применение генераторов с конденсаторным возбуждением мощностью свыше 20 кВт не имеет смысла из-за увеличения реактивной мощности (вызывающей нагрев обмоток статора) сверх допустимой величины. При шести парах полюсов генерирование электрического тока напряжением 220/380 В и частотой 50 Гц происходит при 550 об/мин. Для ротора ветряка это слишком высокие обороты, особенно если еще учесть его размеры, а значит, и момент инерции. Поэтому требуется повышающий редуктор. При заданном числе оборотов я использовал редуктор с передаточным отношением 1:10, то есть увеличивающий обороты ротора генератора в 10 раз. Если, например, число пар полюсов будет равным 12, то обороты начала выработки электроэнергии снизятся до 275 об/мин, и, соответственно, понадобится редуктор с отношением 1:5. Генератор и редуктор размещены в основании ветряка в закрытом отсеке.

Напряжения открытия динисторов

Очевидно, что с усилением силы ветра ротор станции будет раскручиваться все быстрее, и чтобы избежать роста напряжения электрического тока, вырабатываемого генератором, необходимо регулировать обороты. Это происходит автоматически за счет включения параллельно нагрузке водяных ТЭНов. Напряжение одной фазы подается на понижающий трансформатор, выпрямляется и поступает на тиристорнорелейный блок. Пять параллельно установленных тиристоров (если быть точным, то динисторов) последовательно открываются по мере роста напряжения на них. При этом срабатывают реле (от одного до пяти), включающие в свою очередь обмотки силовых реле, к контактам которых подключены ТЭНы. Дополнительная нагрузка в цепи нагружает генератор, что ведет к торможению его ротора, а следовательно, и ветряка. Попутно мы получим теплую воду, которую можно использовать в хозяйстве. При снижении оборотов напряжение падает, контакты реле размыкаются, и ТЭНы отключаются. Суммарная мощность ТЭНов должна быть в два раза больше номинальной мощности генератора.

Ветряная электростанция предназначена для работы в автономном режиме. При необходимости можно подключить ее к имеющейся электросети, установив блок автоматической синхронизации.

Владимир МАЙКОВ для сайта modelist-konstruktor.com, с. Яльчики (Чувашская респ.)

От редакции. Конструкция, предложенная автором, безусловно, оригинальна. Возможно, она будет интересна любителям экспериментов, задумывающимся об альтернативных источниках электроэнергии. Однако, как нам удалось выяснить, в полном объеме данный проект реализован не был, и полноценные испытания ветряка не проводились.

Также стоит отметить, что использование асинхронного электродвигателя в качестве генератора неэффективно, поскольку реактивная мощность, создаваемая дополнительно подключенными конденсаторами, заметно снижает КПД системы и ведет к нагреву обмоток статора электромашины. Вызывает сомнение и работоспособность предложенной схемы автоматического регулирования оборотов. Ток закрытия динистора намного ниже тока открытия, поэтому отключения реле группы ТЭНов в нужный момент может не произойти (особенно при двухполупериодном выпрямлении, как показано на приведенной схеме). Для получения генератора приемлемой мощности потребуется асинхронный электродвигатель в несколько раз большей мощности. Впрочем, автор вскользь касается этой особенности. Правильнее было бы использовать синхронный генератор, но его, в отличие от асинхронного электродвигателя, найти сложнее, а покупка «серьезных» комплектующих сразу резко увеличит затраты.