Вітер завжди вважався символом непостійності, і спроби перетворити його енергію на електричну призводили найчастіше до результатів, не надто обнадійливих. Справді, всі очікують від джерела електричної енергії стабільності: клацнув вимикачем — і засвітилася лампочка. А вітер, на жаль, мінливий. Однак зробити його надійним джерелом електроенергії можна, якщо скористатися давно вже розробленою схемою з проміжним накопичувачем енергії — акумулятором.
Протягом дня вітродвигун обертає електрогенератор, який за допомогою електронного пристрою заряджає акумуляторну батарею. Залежно від сили вітру та витрати енергії встановлюється оптимальний зарядний струм і стабілізується напруга живлення незалежно від частоти обертання генератора. У сьогоднішній добірці читачам пропонуються дві вітроелектростанції (ВЕС): класична — з горизонтальною і роторна — з вертикальною віссю обертання.
«Диск»
ВЕС збирається на базі автомобільних агрегатів — 12-вольтового генератора і акумулятора, здатного забезпечити дачний будиночок освітленням (три-чотири 20-свічові лампи), а також енергією для живлення портативного телевізора та інших 12-вольтових електроприладів.
Щоб привести в обертання генератор (наприклад, жигулівський, що має струм віддачі 42 А при частоті обертання 5000 об/хв), знадобиться вітроколесо діаметром 1500…1800 мм. Привід генератора здійснюється через ланцюговий мультиплікатор (прискорюючий редуктор) з передавальним числом 3…4.
1 — електрогенератор типу Г-221; 2 — дволопатеве вітроколесо; 3 — ланцюгова передача мультиплікатора; 4 — консольна вісь обертання вітроколеса; 5 — обтікач маточини вітроколеса; 6 — маточина вітроколеса (гальмівний барабан мотоцикла); 7 — гальмівний щит з гальмівними колодками; 8 — кронштейн консольної осі вітроколеса; 9 — рама; 10 — поворотно-колекторний вузол; 11 — опора; 12 — напрямні кілі; 13 — автоматичний гальмівний пристрій
Лопаті вітроколеса найкраще зробити з березового або соснового бруска. Спочатку вирізається заготовка повітряного гвинта, що представляє собою його планову проекцію з 5-мм припуском. На ній розмічаються контури лопатей з площинами контрольних перерізів. Будьте уважні при виготовленні профілю повітряного гвинта — від того, наскільки точно він виготовлений, залежить коефіцієнт корисної дії вітроустановки, або, що те саме, енерговіддача електрогенератора.
Щоб отримати лопать потрібного профілю, спочатку слід на заготовку гвинта нанести лінії задньої та передньої кромок лопаті, що визначають кут атаки кожного з перерізів. Далі за допомогою напівкруглих стамески та рашпіля прорізати «маячки» — ділянки профілю в зонах контрольних перерізів і зафарбувати їх кольоровим олівцем. Між «маячками» вибирається деревина; при цьому правильність профілю лопаті контролюється за допомогою лінійки, що накладається на сусідні дужки. Пофарбовані кольоровим олівцем перерізи при обробці повинні залишатися недоторканими.
Готовий повітряний гвинт вишкурюється і закріплюється на маточині, в якості якої використовується гальмівний барабан мотоциклетного колеса: це дозволяє мати не тільки компактний підшипниковий вузол, але й нескладний автоматичний гальмівний пристрій.
Після встановлення на маточину повітряного гвинта останній необхідно збалансувати. Для цього вісь обертання гвинта закріплюється в лещатах і за допомогою рашпіля та шкурки полегшується важча лопать. Правильно збалансований гвинт повинен зупинятися після обертання в будь-якому положенні.
Готовий гвинт покривається кількома шарами паркетного лаку з проміжним вишкурюванням і остаточно закріплюється на маточині.
Рама вітродвигуна зварюється зі сталевих куточків перерізом 40x40x3 мм. З таких самих куточків збирається і кронштейн, в якому фіксується вісь обертання повітряного гвинта. Напрямні кілі («хвіст») вітряка вирізаються з фанери товщиною близько 6 мм. Шарнір поворотного пристрою представляє собою сталеву кулю між опорною п’ятою, запресованою в нерухому стійку, і стиковочним майданчиком рухомої стійки. На вільному кінці останньої встановлена капронова втулка.
Як вже згадувалося, обертання від вітроколеса до генератора передається через ланцюговий мультиплікатор з передавальним числом 3…4. Для цього використовуються велосипедні зірочки: між маточиною та повітряним гвинтом — ведуча, а на валу електрогенератора — ведена. Кріплення генератора за допомогою штатних кронштейнів дозволяє забезпечити оптимальне натягнення ланцюга.
Вітрогенератор необхідно оснастити автоматичним гальмом, що перешкоджає збільшенню частоти обертання повітряного гвинта вище допустимого рівня при різкому посиленні вітру. Найпростіший варіант — з використанням мотоциклетного гальмівного пристрою. Для цього на вісь кулачка замість гальмівного важеля надівається втулка з привареною до неї трубчастою штангою. На останній закріплюються дві фанерні лопаті. Штатна пружина, що стягує гальмівні колодки, замінюється іншою, менш жорсткою. Параметри пружини підбираються залежно від площі лопатей гальмівного пристрою та довжини штанги. Гальмування маточини гвинта повинно починатися при швидкості вітру 12… 15 м/с, ну а при дуже сильному вітрі вітроколесо само зупиниться.
1 — автомобільний генератор типу Г-221; 2 — електронний випрямляч-регулятор типу БПВ-14-10; 3 — акумуляторна батарея (12 В і 50…60 А·год); 4 — запобіжник; 5 — споживачі.
C1, С2 і С3 — фази статорної обмотки генератора; M1 і М2 обмотка збудження генератора; -X1 — «мінус» обмотки збудження; -Х2 — «мінус» акумуляторної батареї; Х3 — плюсовий вивід на контрольну лампу; Х4, Х5 і Х7 — фази статорної обмотки генератора; +Х8 — «плюс» акумуляторної батареї
Електронний блок випрямляч-стабілізатор БПВ-14-10 (такий використовується на мотоциклах типу «Іж» і деяких автомобілях) випрямляє змінний трифазний струм, що виробляється генератором, а також стабілізує напругу при струмі до 10 А. Крім того, блок забезпечує зарядку акумулятора та перемикання споживачів з живлення від акумулятора на генератор і, навпаки, при зміні частоти обертання останнього або потужності навантаження. Випрямляч-стабілізатор кріпиться на рамі поруч із генератором.
Можна, звичайно, оснастити вітросилову установку ще одним електронним блоком, що перетворює постійний струм на змінний напругою 220 В, однак коефіцієнт корисної дії такого пристрою не надто великий, і це буде ще одне джерело втрат у ланцюзі перетворення енергії.
Передача електроенергії від випрямляча-стабілізатора до акумулятора, встановленого під щоглою вітрогенератора, здійснюється за допомогою найпростішого колектора, що складається з пари кілець на поворотному пристрої щогли, і пари контактних щіток. Зрозуміло, «плюсове» кільце колектора та відповідна контактна щітка повинні бути надійно ізольовані від «маси». Для виключення потрапляння вологи колектор закривається пластиковим «парасолькою».
Опорою вітроелектростанції крім зварної щогли може служити дерев’яний або залізобетонний стовп, подібний тим, що використовуються для ліній електропередач. Якщо в якості опори обрано стовп, необхідно закріпити його, принаймні, трьома розтяжками зі сталевого троса або дроту.
1 — опора вітроелектрогенератора; 2 — опорна плита (сталевий лист товщиною 5 мм); 3 — стійка колекторних щіток (сталевий швелер перерізом 30×50 мм); 4 — нерухома стійка поворотного пристрою (сталева труба Ø40 мм); 5 — рухома стійка поворотного пристрою (сталева труба Ø50 мм); 6 — шайба-обмежувач (фторопласт або капрон); 7 — опорна п’ятка; 8 — кульовий шарнір; 9 — підсилююча косинка; 10 — стиковочний майданчик (сталевий лист товщиною 5 мм); 11 — ізоляційна втулка колекторного кільця; 12 — болт з гайкою, шайбою та втулкою-ізолятором; 13 — колекторне кільце; 14 — стягувальна пружина; 15 — щітка колекторного пристрою; 16 — ізолююча прокладка
Слід врахувати, що висота встановлення вітроколеса залежить від наявності перешкод (дерев, будівель та інших споруд), що знаходяться в безпосередній близькості від нього. В ідеальному випадку лопать вітроколеса повинна бути вище близькорозташованої перешкоди не менше ніж на два метри. Необхідно враховувати, що вплив перешкоди на повітряний потік поширюється на відстань, рівну п’ятнадцятикратній його висоті.
Вітроелектростанція з горизонтальною віссю обертання, незважаючи на досить високий коефіцієнт корисної дії, має свої недоліки. Зокрема, передача великого струму через колектор викликає відчутні втрати енергії і може призвести до неприємностей як через порушення контактів при їх окисленні, так і через зниження пружності пластин щіткового пристрою. І ще: вітроколесо такого типу володіє якостями гіроскопа — дзиги, що прагне зберегти в просторі орієнтацію осі обертання. Саме тому при змінах напрямку вітру виникає значна навантаження на підшипники, що скорочує термін їх служби
«Ротор»
У багатьох випадках більш вигідною виявиться роторна ВЕС, у якої вітроколесо має вертикальну вісь обертання і може працювати при будь-якому напрямку вітру.
Відомо кілька типів роторних вітродвигунів. Одним з найпростіших і найефективніших є вінгротор, що представляє розрізаний по діаметральній площині порожній циліндр зі зміщеними один відносно одного частинами. Такий ротор хоча й тихохідніший вітроколеса, але має більший крутний момент і здатний працювати при незначних швидкостях вітру. Головне ж його перевага — здатність обертатися при будь-якому напрямку вітру і як наслідок — відсутність поворотного пристрою та колектора.
До числа переваг ВЕС з вінгротором належить і простота її конструкції.
Роторний вітрогенератор монтується на стовпі або щоглі. Про те, як це робиться, читачам вже відомо з опису ВЕС типу «Диск». Основа зварюється зі сталевих куточків перерізом 4x40x40 мм. У верхній його частині приварюється ступінчастий вал, на якому встановлюється гальмівний барабан від колеса мотоцикла «Урал» або «Іж».
1 — електрогенератор типу Г-221; 2,4,6,17 — аеродинамічні шайби роторного вітроколеса; 3,5,18 — лопатки ротора; 7 — ланцюгова передача мультиплікатора; 8 — маточина вітроколеса (гальмівний барабан мотоцикла); 9,16 — лопатки аеродинамічного гальмівного пристрою; 10 — вісь обертання роторного вітроколеса; 11 — опора; 12 — вушка кріплення розтяжок; 13 — кронштейн кріплення електрогенератора; 14 — підсилення нижньої аеродинамічної шайби (дерев’яний брусок 40×40 мм); 15 — кронштейн (куточок 30x30x2 мм, дюралюміній)
Ротор виготовляється з фанери. Потрібні три диски діаметром 1000 мм і товщиною 10 мм — для аеродинамічних шайб-перегородок і чотири пластини розмірами 500х 1050 мм товщиною 4…5 мм — для лопаток ротора. Стикування всіх цих елементів виробляється за допомогою дюралюмінієвих куточків перерізом 30x30x2 мм, зігнутих так, як показано на рисунках, і гвинтів М5 з гайками та шайбами. Ротор підсилений стяжками зі сталевих стержнів діаметром 6 мм з різьбою на кінцях. Нижня шайба зміцнена дерев’яними брусками перерізом 40×40 мм.
Після попереднього монтажу ротор розбирається, фанерні елементи дві-тричі просочуються гарячою оліфою, після чого він збирається вже остаточно і фарбується алкідною емаллю.
На підшипниковий вузол (гальмівний барабан від мотоцикла) ротор монтується за допомогою дистанційних втулок і болтів М8 з гайками та шайбами. Між вузлом і ротором встановлюється саморобна ведуча зірочка ланцюгового мультиплікатора, а на вал генератора — ведена (мала зірочка від двигуна Д8 або V-50). Ведуча зірочка вирізається з дюралюмінієвого листа товщиною 4 мм за відомою технологією, коли на її ділильній окружності спочатку розмічаються центри отворів, що утворюють западини зубів, а потім за допомогою свердла, ножівки та напильників формуються самі зуби. Передавальне число мультиплікатора I = 5…6.
Автомобільний генератор встановлюється на кронштейн, що становить разом з основою вінгротора єдиний зварний вузол. Кріплення генератора до кронштейна — штатне, як на автомобілі: за допомогою шарніра та різьбового фіксатора-натягувача.
Роторний вітрогенератор оснащений майже таким самим гальмівним пристроєм, як і на ВЕС типу «Диск». Привід його також аеродинамічний: на осі гальмівного кулачка закріплюється сталева втулка з чотирма привареними трубчастими штангами. На кінцях кожної розташовані напівциліндричні фанерні лопаті. Пружина, що стягує гальмівні колодки, замінюється іншою, з меншою жорсткістю. Спрацьовувати таке пристроєння повинно при швидкості вітру вище 10 м/с.
Електронна схема роторної ВЕС нічим не відрізняється від тієї, що використовується на вітрогенераторі «Диск».