Всякий ли ветер… ветер?

Что надо знать для того, чтобы построить ветроэлектродвигатель? Разобраться в чертежах, изготовить крылья, приладить передачу, правильно собрать электросхему — и ветер принялся за работу? Не тут-то было, потому что не всякий ветер — ветер.

В радиосводках то и дело слышишь: «ветер слабый», «ветер умеренный», «порывистый до сильного». Моряки, которым во времена парусного флота пришлось работать с ветром, как говорится, «в непосредственном контакте», разработали целую систему наименований и характеристик ветров — муссоны, пассаты, норды…

Перед тем как браться за выбор конструкции ветроэлектродвигателя, придется и вам заняться определением «качеств» ветров, дующих в вашей местности. Что получится, если этого не сделать? В одном случае ветряк просто не будет работать: у потока воздуха не хватит силы раскрутить его. В другом — ветер в щепки разнесет лопасти пропеллера, который конструкторы таких электродвигателей называют ветроколесом.

Основное качество ветра — скорость. Ее выражают в метрах в секунду (м/сек) и определяют с помощью прибора анемометра (рис. 1). Их выпускает завод «Метприбор». Но можно сделать их и самостоятельно. Наиболее простой в изготовлении привел один из наших выдающихся ученых, член-корреспондент ВАСХНИЛ профессор Е. М. Фатеев.

ФЛЮГЕР-АНЕМОМЕТР

Устройство прибора несложно. На неподвижной мачте, где укреплена роза ветров, указывающая направление стран света, в подшипнике установлен вращающийся шест с флюгером. Причем флюгер под действием потоков воздуха все время старается стать вдоль их, а укрепленная вверху на оси металлическая дощечка весом 200 г и размерами 150X300 мм в результате оказывается поперек. Под действием ветра она отклоняется. Насколько — можно зафиксировать по шкале.

По очень простой таблице, сняв показания прибора, можно определить мгновенную скорость ветра в данном месте (таблица 1).

Измерив скорости ветра в течение ряда промежутков времени, нетрудно вычислить и среднюю скорость ветра. Она-то и понадобится нам при выборе размеров агрегата.

ПОДСКАЗКИ ПРИРОДЫ

Таблица 2 для тех, кто не хочет утруждать себя дополнительной работой. Скорость ветра с ее помощью определяется, правда, приблизительно, но все же достаточно надежно. Ее помогают определить природные факторы.

При ветре 16 м/сек надо убрать мачту с ветроколесом и перейти на пользование аккумуляторами.

ПОСТОЯННОЕ НЕПОСТОЯНСТВО

Мы недаром предупреждали: показания анемометра надо снимать регулярно и длительное время — иначе все наши отправные данные для строительства ветродвигателя будут неверны. Ветер обладает завидным непостоянством. Налетел порыв — и штиль, а то по нескольку суток дует и дует равномерно, заставляя вращаться ветряк, заряжая аккумуляторы, и вдруг перерастает в бурю.

Словом, сначала надо измерить, на какую работу он способен в вашей местности. А для этого нужно установить, какова его повторяемость. Теоретически зависимость повторяемости от среднегодовых скоростей ветра установлена еще в конце прошлого века русским ученым М. М. Поморцевым. Для жителей средней зоны европейской части СССР определена в результате такого расчета на основании таблицы скорость 8 м/сек. Она, кстати, оптимальна для работы ветродвигателя. Распределялись скорости ветра по количеству часов так (таблица 3).

Получается, что полного штиля здесь не бывает совсем, а большую часть времени дует ветер, вполне способный раскрутить даже сравнительно небольшое ветроколесо.

Тем же, кто живет в других районах, помимо собственных наблюдений с анемометром, неплохо обратиться к метеорологам — уж у них-то имеются точные таблицы на этот счет.

ВЛИЯНИЕ ПРЕПЯТСТВИЙ

Ветер, проносящийся мимо домов, деревьев и других препятствий, из прямолинейного движения переходит в беспорядочное. Воздушные струи, непосредственно обтекающие края препятствий, закручиваются в вихревые кольца и уносятся в направлении воздушного потока. Понятно, что там, где образуются вихри, ветер теряет свою скорость и направление. Вихревое движение ветра, появляясь на гранях препятствия, далеко за ним постепенно затухает и совершенно прекращается на расстоянии приблизительно пятнадцатикратной высоты препятствия. Вообще вихри образуются вследствие трения движущегося воздуха о поверхность земли, постройки, деревья и т. п. Поэтому вблизи поверхности скорость ветра меньше, чем на высоте.

Об этом необходимо помнить при выборе места для установки ветродвигателя (рис. 2). Ветроколесо двигателя должно быть вынесено выше препятствий, где поток ветра ничем не нарушается. Вообще ветроколесо должно быть вынесено возможно выше, так как с увеличением высоты увеличивается скорость ветра, а вместе с этим увеличивается и мощность ветродвигателя. Например, при увеличении высоты положения ветроколеса в два раза его мощность увеличится примерно в полтора раза. Однако при выборе высоты необходимо учитывать удобства обслуживания ветродвигателя при эксплуатации. Минимальная высота башни под ветродвигатель должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы нижний конец крыла ветроколеса был на 1,5—2 м выше ближайшего препятствия.

„Светлячок“ — Простейший ветроэлектрический агрегат

ВЕТРОКОЛЕСО

От диаметра ветроколеса зависят мощность и обороты, развиваемые ветродвигателем. Все эти компоненты связаны между собой очень тесно и поддаются выражению в строгих и точных математических формулах. Наша задача проще: построить ветроколесо наиболее распространенного типа, диаметром 1,3 м, позволяющее получить от двигателя максимум энергии и в то же время достаточно простое.

Как видно из таблицы 1, колесо Ø 1,3 м более всего подходит для ветродвигателя мощностью 100 — 150 вт. Для пересчета его мощности в квт необходимо величину в лошадиных силах, взятую по таблице, умножить на переводной коэффициент 0,736.

N kbt = N л. с.*0,736 = 0,2X0,736 = = 0,147 квт, где N квт — мощность в киловаттах.

N л. с. — мощность в лошадиных силах.

Принимая к.п.д. генератора равным 0,7, получаем полезную мощность равной:

N квт = 0,147 * 0,7 ≈ 0,1 квт.

Так как обороты ветроколеса при скорости ветра 8 м/сек будут близки необходимым для выхода генератора на полную мощность, то в данном случае ветроколесо можно устанавливать непосредственно на валу генератора без промежуточного редуктора. Это позволяет построить самый простой и удобный в эксплуатации ветроэлектрический агрегат.

Для достижения указанных в таблице 1 оборотов и мощностей необходимо при изготовлении лопастей ветроколеса руководствоваться размерами, указанными в таблице 2.

КОНСТРУКЦИЯ

Общий вид агрегата показан на 1-й странице вкладки. Двухлопастное ветроколесо 1 (рис. 1) вращает вал генератора 3, закрепленного на поворотной опоре 4. Поворотная опора насажена на неподвижную стойку 8, установленную в растяжках 9 и являющуюся мачтой ветроэлектрического агрегата. Установка ветроколеса на ветер автоматическая — с помощью флюгера-хвоста 5. Для остановки применен небольшой колодочный тормоз 6, действующий на тормозной барабан 2.

ГЕНЕРАТОР — один из важнейших узлов ветроэлектрического агрегата. В этой роли можно использовать генераторы марок Г-12, Г-15Б и Г-21, устанавливаемые на автомобилях «Волга», ЗИЛ-150 и ГАЗ-51. Старые генераторы такого типа можно найти в любом гараже или автомастерской. Их номинальная мощность 220 вт. Они отличаются простотой и надежностью в эксплуатации, не требуют частых регулировок и доступны ремонту в домашних условиях.

ПОВОРОТНАЯ ОПОРА служит для закрепления генератора и его беспрепятственного вращения вокруг своей вертикальной оси. Она изготавливается из отрезка двухдюймовой трубы длиной 250 мм. В верхней части опоры привариваются уголки размерами 40х40 мм, образующие седло генератора, и вкладывают стальную шайбу 2, служащую «пяткой» опорной втулки мачты. Конструкция седла и хомутов 1 крепления генератора ясна из рисунка 2.

НЕПОДВИЖНАЯ СТОЙКА, являющаяся мачтой установки, делается из полуторадюймовой трубы длиной 1000—1500 мм. В ее верхней части крепится опорная втулка мачты, а на расстоянии 250 мм от верхнего конца закрепляется кольцо, предотвращающее чрезмерную качку поворотной опоры.

С помощью хомутов неподвижная стойка крепится к продолжению мачты, изготовленному из более толстой трубы или деревянного столба.

Точка крепления растяжек должна быть расположена на 2/3 общей высоты мачты с агрегатом.

ХВОСТ агрегата, устанавливающий ветроколесо на ветер, делается из полосовой стали сечением 4х20 мм и листового железа толщиной 1 — 2 мм. Штанга хвоста закрепляется к седлу генератора болтами или приваривается.

ТОРМОЗ, служащий для остановки ветроколеса, состоит из тормозного барабана 2, рычага 6 и тяги привода 7.

Тормозной барабан вытачивается из стали. Можно сделать его, использовав какую-нибудь готовую деталь подходящей формы и размера. Рычаг — из полосовой стали сечением 4х20 мм. Тяга привода из стальной проволоки Ø 4 — 5 мм.

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ. Нормальная работа генератора обеспечивается установкой регулятора напряжения и аккумуляторной батареи. Для указанных типов генераторов могут быть использованы реле-регуляторы марок РР-12А, РР-12Б и РР-128 совместно с аккумуляторными батареями типа 6-СТ-54, 6-СТ-68 и другими 12-вольтовыми аккумуляторами.

Для улучшения характеристики генератора можно рекомендовать домотать обмотки статора тем же проводом, что и в основной обмотке.

В обмотку добавляют 30 — 40 витков. Это позволяет при меньших оборотах генератора получить более высокое напряжение.

Соединение генератора и реле-регулятора показано на принципиальной схеме.

Работа ветроагрегата сопровождается постоянным изменением числа оборотов генератора. Изменение оборотов якоря генератора будет сопровождаться изменением напряжения на его клеммах, если не приняты меры к поддержанию на постоянном уровне. Повышение напряжения генератора может чрезмерно повысить ток в цепях потребителей, что приведет их к повреждению (перегорание ламп). Вызванное той же причиной повышение зарядного тока выведет из строя аккумуляторную батарею.

Во избежание этого напряжение генератора поддерживают постоянным при помощи специального аппарата, называемого регулятором напряжения. При постоянном напряжении, поддерживаемом регулятором, сила тока, отдаваемая генератором (ток нагрузки), с увеличением числа включенных потребителей будет увеличиваться. Чрезмерное увеличение тока нагрузки может вызвать перегрев и выход генератора из строя. Величина тока, отдаваемого генератором, ограничивается обычно при помощи отдельного аппарата, называемого ограничителем тока. Указанный выше регулятор напряжения действует в рабочем диапазоне оборотов якоря генератора. При переходе к очень малым оборотам действие регулятора прекращается и напряжение на клеммах генератора падает. В таких условиях ток начал бы поступать из аккумулятора в обмотки генератора. При этом разрядный ток батареи достиг бы значительной величины, что вызвало бы быструю ее разрядку и сильный нагрев обмоток генератора. Для предотвращения этого в цепь генератор — батарея включают специальный аппарат — реле обратного тока, который замыкает цепь генератор — батарея, когда напряжение генератора становится выше напряжения батареи, и размыкает ее, когда напряжение генератора ниже напряжения батареи.

РАЗМЕРЫ ЛОПАСТИ И ЕЕ ПРОФИЛЕЙ

Все указанные аппараты, действующие автоматически, обычно смонтированы на общем основании и называются реле-регулятором.

Для долговечной и надежной работы агрегата необходимо проводить его регулярное техническое обслуживание. Через каждые 400—500 часов работы смазывать подшипники генератора, а через 1500 часов полностью заменять смазку. Через 100—150 часов работы осматривают коллектор генератора и при необходимости шлифуют его поверхность мелкой наждачной бумагой. Уход за аккумуляторными батареями надо вести в соответствии со стандартными инструкциями по эксплуатации.

В ПОИСКАХ ОПТИМУМА

Обязательно ли делать ветроколесо двухлопастным! Не будет ли ветроагрегат мощнее, удобнее в пуске и надежнее в эксплуатации, если у него станет не две лопасти, а, скажем, четыре… или восемь. Или винт заменится ротором!

Казалось бы, чем больше лопастей, тем лучше. Но вот что говорит об этом опыт конструкторов ветроэлектростанций.

МНОГОЛОПАСТНЫЕ ВЕТРОКОЛЕСА (рис. 1). Они обладают большим пусковым моментом, что существенно для районов, где скорость ветра большее количество дней не превышает 3—5 м/сек. При резких колебаниях ветра они значительно более стабильно, чем двухлопастные, держат постоянные обороты, что, естественно, не может не сказаться на качестве работы всего агрегата. Обладают довольно высоким к.п.д. — До 30%. Всегда применяются с редуктором, что, конечно, усложняет конструкцию. Важное преимущество: при очень простой геометрии рабочих профилей винта можно получить хорошие результаты.

РОТОРНЫЕ ВЕТРОКОЛЕСА СИСТЕМЫ САВОНИУСА (рис. 2). Это тихоходные агрегаты с коэффициентом полезного действия до 18%. Чаще всего применяются как механические двигатели — для вращения насосов, небольших жерновов.

Есть и некоторые преимущества. Вы уже, наверное, заметили, что у роторного колеса нет «хвоста», то есть он работает практически при любом направлении ветра. Кроме того, в некоторых конструкциях бывает удобно иметь вертикальную ось вращения, что дает ротор Савониуса.

КОЛЕСА БАРАБАННОГО ТИПА (рис. 3). Обладают большим пусковым моментом (см. описание многолопастных колес), тихоходные, что весьма ограничивает их применение. К.п.д. — низкий, до 10%.

Причина тихоходности? Она — в конструктивных особенностях. Если все остальные ветроколеса способны развивать в крайних точках лопастей скорость выше скорости ветра, то у барабанных максимум — это скорость набегающего потока.

КАРУСЕЛЬНЫЕ ветроколеса (рис. 4). Это самый примитивный тип конструкции. Обладают всеми «недугами» перечисленных выше ветроколес: малые обороты, низкая удельная мощность. Но они и самые простые по устройству, имеют вертикальную ось вращения. К.п.д. не превышает 10%.

***

Ветряные двигатели для орошения полей и размола зерна применялись в Древнем Египте еще за 3600 лет до нашей эры. За пятьдесят пять веков конструкция ветряных мельниц не претерпела сколь-нибудь значительных изменений. В Англии есть ветряк, постройку которого датируют 1665 годом. Он работает и сейчас.

***

Голландские ветряки с поворачивающимися против ветра шатрами обладают мощностью до 50 л. с. каждый.

В США были широко распространены многолопастные тихоходные ветряки. Однако аэродинамические формулы замечательного русского ученого Н. Е. Жуковского позволили доказать, что быстроходные ветродвигатели имеют оптимальные параметры конструкции и эффективный режим работы.

***

Самый быстроходный ветроэлектродвигатель ЦАГИД-30 был построен в Крыму близ Балаклавы и имел мощность 100 квт, которую отдавал в общую сеть Симферополя. Во время войны он был разрушен.

***

Наиболее крупная ветроэлектростанция была построена в 1941 году в штате Вермонт (США). Она имела мощность 1250 квт.

***

Шагом вперед в области создания ВЭС было изобретение французского инженера Арно. В его ветродвигателе крылья полые, с отверстиями на концах. С полостями сочленяется труба, ведущая вниз, на землю. У входа в трубу установлена турбина.

Ветер вращает ветроколесо. Центробежная сила выбрасывает воздух из полых крыльев наружу и создает вакуум. Снизу по трубе устремляется воздух, который, проходя через лопасти турбины, начинает ее вращать. На оси с турбиной находится электрогенератор, дающий ток потребителям.

На скалистом берегу Южной Англии по схеме Арно была построена и работает с 1954 года ветроэлектростанция мощностью 100 квт.

***

В Казахстане и в других республиках Советского Союза работают мощные ветроэлектростанции, построенные на базе конструкций, разработанных Уфимцевым.

***

По данным ЮНЕСКО на всем земном шаре сейчас эксплуатируется около 600 тысяч ветроустановок.

ЛИТЕРАТУРА

Андрианов В.Н., Быстрицкий Д.Н., Вашкевич К. П., Ветроэлектрические станции. М., Госэнергоиздат, 1960.

Фатеев Е. М., Ветродвигатели и ветроустановки. М., Сельхозгиз, 1956.

Шефтер Я. И., Рождественский И. В., Печковский Г. А., Монтаж, эксплуатация и ремонт ветроустановок. М., Сельхозгиз, 1960.

Зотов Б. С., Ильин Н. М., Электрооборудование автомобилей и тракторов. М., Автотрансиздат, 1956.

Р. ОГАРКОВ, инженер