ПУСТЬ РАБОТАЕТ ВЕТЕР

Ветер всегда считался символом непостоянства, и попытки превратить его энергию в электрическую приводили чаще всего к результатам, не слишком обнадёживающим. Действительно, все ждут от источника электрической энергии стабильности: щёлкнул выключателем — и зажглась лампочка. А ветер, увы, переменчив. Однако сделать его надёжным 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 предлагаются две ветроэлектростанции (ВЭС): классическая — с горизонтальной и роторная — с вертикальной осью вращения.

«Диск»

ВЭС собирается на базе автомобильных агрегатов — 12-вольтового генератора и аккумулятора, способного обеспечить дачный домик освещением (три-четыре 20-свечёвые лампы), а также энергией для питания портативного телевизора и других 12-вольтовых электроприборов.

Чтобы привести во вращение генератор (например, жигулёвский, 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 берёзового или соснового бруска. Сначала вырезается заготовка воздушного винта, представляющая собой его плановую проекцию с 5-мм припуском. На ней размечаются 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 кромок лопасти, определяющие угол атаки каждого из сечений. Далее с помощью полукруглых стамески 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.

Ветроэлектростанция «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—поворотноколлекторный узел; 11—опора; 12—направляющие кили; 13—автоматическое тормозное устройство

Готовый воздушный винт вышкуривается 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 воздушного винта последний необходимо отбалансировать. Для этого ось вращения винта закрепляется в тисках и с помощью рашпиля и шкурки облегчается более тяжёлая 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 40x40x3 мм. Из таких же уголков собирается 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 между опорной пятой, запрессованной в неподвижную стойку, и стыковочной площадкой подвижной стойки. На свободном конце последней установлена капроновая втулка.

Как уже упоминалось, вращение от ветроколеса к генератору передаётся через цепной мультипликатор с передаточным числом 3…4. Для этого используются велосипедные звёздочки: 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 фанерные лопасти. Штатная пружина, стягивающая тормозные колодки, заменяется другой, менее жёсткой 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 трёхфазный 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.

Поворотно-коллекторный узел:

1—опора ветроэлектрогенератора; 2—опорная плита (стальной лист толщиной 5 мм); 3 — стойка коллекторных щёток (стальной швеллер сечением 30×50 мм); 4—неподвижная стойка поворотного устройства (стальная труба d40 мм); 5 — подвижная стойка поворотного устройства (стальная труба d50 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—щётка коллекторного устройства; 16—изолирующая прокладка

Принципиальная электрическая схема ВЭС:

1 —автомобильный генератор типа Г-221; 2—электронный выпрямитель-регулятор типа БПВ-14-10; 3 — аккумуляторная батарея (12 В и 50…60 А ч); А — предохранитель; 5—потребители.

СІ, С2 и СЗ—фазы статорной обмотки генератора; М1 и М2 обмотка возбуждения генератора; -XI —«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

Можно, конечно, оснастить ветросиловую установку ещё одним электронным блоком, преобразующим постоянный ток в переменный напряжением 220 В, однако коэффициент полезного действия такого устройства не слишком велик, и это будет ещё 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 щёток. Разумеется, «плюсовое» кольцо коллектора и соответствующая контактная щётка должны быть надёжно изолированы от «массы». Для исключения попадания влаги коллектор закрывается пластиковым «зонтиком».

Опорой ветроэлектростанции кроме сварной мачты может служить 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.

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 щёточного устройства. И ещё: ветроколесо такого типа обладает качествами гироскопа — волчка, стремящегося сохранить в пространстве ориентацию оси вращения. Именно поэтому при изменениях направления ветра возникает значительная нагрузка на подшипники, что сокращает срок их службы.

«Ротор»

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 является вингротор, представляющий разрезанный по диаметральной плоскости полый цилиндр со смещёнными 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.

К числу достоинств ВЭС с вингрото-ром относится и простота её 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 размерами 500х 1050 мм толщиной 4…5 мм — для лопаток ротора. Стыковка всех этих элементов производится с помощью дюралюминиевых уголков сечением 30x30x2 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 40×40 мм.

Теоретический чертёж двухлопастного ветроколеса

Ветроэлектростанция «Ротор»:

1—электрогенератор типа Г-221; 2,4,6,17—аэродинамические 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; 11—опора; 12—ушки крепления растяжек; 13—кронштейн крепления электрогенератора; 14—усиление нижней аэродинамической шайбы (деревянный брусок 40×40 мм); 15—кронштейн (уголок 30x30x2 мм, дюралюминий)

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 звёздочка цепного мультипликатора, а на вал генератора — ведомая (малая звёздочка от двигателя Д8 или V-50). Ведущая звёздочка вырезается из дюралюминиевого листа толщиной 4 мм по известной технологии, когда на её 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 винтротора единый сварной узел. Крепление генератора к кронштейну — штатное, как на автомобиле: с помощью шарнира и резьбового фиксатора-натяжителя.

Роторный ветрогенератор оснащён 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 жёсткостью. 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».