Затем доработаем кончик, используя инструмент «Dome» из вкладки «Features». Для этого выберите торец и задайте нужную длину кончика, в нашем примере это 2,5 мм, что является вполне достаточным размером.
Ветрогенератор на заднем дворе
Строительство полноценного ветрогенератора может обойтись в значительную сумму, особенно если его планируется применять для выполнения простых домашних задач, не требующих больших мощностей. Если вам нужно лишь немного энергии для LED-освещения или для проекта, который основывается на Raspberry Pi Zero, то тратиться на полноценный ветряк становится неоправданным. Даже за небольшую модель придется заплатить довольно солидную сумму. Это также относится к школьным экспериментам, где организаторы стараются сократить как временные, так и финансовые затраты. Многие школы находятся в условиях ограниченного бюджета.
В данной статье мы поделимся информацией о том, как создать собственный компактный ветрогенератор. Мы будем использовать велосипедные запчасти и доступные в строительных магазинах материалы. Полная стоимость проекта составит приблизительно от $80 до $150. На его создание потребуется от 8 до 16 часов. При условии наличия небольшого ветра, который чуть превышает пороги шкалы Бофорта, наш ветрогенератор способен производить около 1 ватта мощности. С такой мощностью возможно подзарядить небольшую батарею, что позволит использовать энергию даже в безветренные дни.
Домашний ветрогенератор
Представленная в этой статье небольшая ветряная турбина является по сути экспериментальным проектом, благодаря которому можно познать основы ветроэнергетики. Однако учтите, что нельзя считать эту турбину надежным источником энергии. Не стоит ожидать от данного устройства чудес! Также важно помнить, что сильные порывы ветра могут нанести вред нашей турбине. Она не предназначена для функционирования в условиях сильного ветра, который, скорее всего, приведет к ее разрушению. По этой причине, в плохую погоду рекомендуется убирать турбину на хранение. Важно учесть, что обломки, выставленные на порывы ветра, могут нанести травму.
В отличие от традиционных коммерческих ветряков с горизонтальной осью вращения, которые имеют три лопасти, закрепленные на горизонтальном валу, в нашем проекте используется вертикальный вал ротора. Это избавляет нас от необходимости в механизме, который учитывает направление ветра, и значительно упрощает конструкцию турбины. Наш ветрогенератор представляет собой велосипедное колесо, сконструированное на вертикальной стойке, которое выступает в связке с электрическим генератором. В качестве лопастей ротора используются восемь полутруб, вырезанных из недорогих пластиковых (ПВХ) канализационных труб и прикрепленных к ободу колеса.
Турбина начинает вращаться, когда сила ветра достигает примерно 2 баллов по шкале Бофорта (около 6 км/ч). При достижении силы ветра 5 баллов по шкале Бофорта (около 30 км/ч) турбина генерирует примерно 1 ватт мощности (по нашим измерениям – 147 мАч при 6,7 В).
Шкала Бофорта (по данным Википедии)
| Баллы Бофорта | Словесное определение силы ветра | Средняя скорость ветра | ||
| м/с | км/ч | узлов | ||
| 0 | Штиль | 0—0,2 | < 2 | 0—1 |
| 1 | Тихий | 0,3—1,5 | 2—5 | 1—3 |
| 2 | Лёгкий | 1,6—3,3 | 6—11 | 4—6 |
| 3 | Слабый | 3,4—5,4 | 12—19 | 7—10 |
| 4 | Умеренный | 5,5—7,9 | 23-28 | 11—16 |
| 5 | Свежий | 8,0—10,7 | 29—38 | 17—21 |
| 6 | Сильный | 10,8—13,8 | 39—49 | 22—27 |
| 7 | Крепкий | 13,9—17,1 | 50—61 | 28—33 |
| 8 | Очень крепкий | 17,2—20,7 | 62—74 | 34—40 |
| 9 | Шторм | 20,8—24,4 | 75—88 | 41—47 |
| 10 | Сильный шторм | 24,5—28,4 | 89—102 | 48—55 |
| 11 | Жестокий шторм | 28,5—32,6 | 103—117 | 56—63 |
| 12 | Ураган | 33 и более | 118 и более | 64 и более |
Материалы и инструменты
- Переднее велосипедное колесо диаметром 28 дюймов и электрический генератор. Я приобрел новый генератор на eBay за 40 евро, но в Европе зачастую можно найти подержанные генераторы. В США также можно просмотреть eBay или приобрести динамо-втулку Shimano по приемлемой цене и установить её в старое колесо.
- Две 4-дюймовые ПВХ-трубы (условный проход трубы — 110 мм) длиной по 2 метра. Я использовал тонкостенные трубы, но их характеристики не столь критичны.
- Шестнадцать крепежных винтов с гайками и большими шайбами. Длина и диаметр винтов определяются характеристиками обода колеса.
- Стальная водопроводная оцинкованная труба диаметром 1 и 1/2 дюйма с резьбой по обоим концам. Длина этой трубы (высота мачты ветряка) выбирается на основании условий, в которых будет работать генератор.
- Стальная арматура для водопроводной трубы диаметром 1 и 1/2 дюйма. Необходима торцевая заглушка и тройник (по желанию).
- Повышающе-понижающий преобразователь DC-DC, например, Mesa #DSN6009 на 4 А. Рекомендуется использовать преобразователь с выходной мощностью 30 Вт.
- Два электролитических конденсатора по 2200 мкФ, минимум на 12 В.
- Мостовой выпрямитель с минимальным током 500 мА.
- Диод 1N4007.
- Термоусаживаемые трубки или изолента.
- Проволочные тросы и винты с петлями (по желанию). Они могут понадобиться для закрепления мачты.
- Мешок цемента (по желанию). Может понадобиться для достижения устойчивости мачты.
- Ножовка или электролобзик для резки тонких ПВХ-труб.
- Дрель со свёрлами для работы с пластиком и металлом.
- Отвёртка и/или гаечный ключ, а также комплект насадок, подходящих для используемых винтов, гаек и болтов.
- Паяльник и припой.
Как изготовить самые простые лопасти ветрогенератора
При сборке ветрогенератора, который должен производить бесплатную электроэнергию, возникает сложность в создании лопастей, способных реагировать даже на самые слабые порывы ветра. Даже хорошо сконструированный заводской генератор не сможет нормально функционировать без эффективных лопастей. Однако лопасти можно изготовить весьма дешево, используя доступные материалы.
Что потребуется:
- Крыльчатка вентилятора радиатора от автомобиля;
- Пластиковая канализационная труба диаметром 100 мм;
- Болты, гайки и шайбы.
Для основы лопастей ветрогенератора будет использоваться крыльчатка вентилятора радиатора. Ее можно приобрести очень дешево на любой авторазборке. Это значительно проще, чем создавать самодельное крепление. Чтобы крыльчатка могла функционировать в качестве ветрогенератора, необходимо лишь немного удлинить её лопасти.
Для этого потребуется отрезок канализационной трубы длиной от 50 до 100 см, в зависимости от размеров генератора.
На трубе нужно сделать разметку для получения четырёх равных продольных частей и разрезать её по линиям разметки.
Полученные сегменты складываются вместе и фиксируются по краям саморезами, что позволяет обрабатывать их одновременно.
Такой подход, во-первых, ускорит процесс, а во-вторых, обеспечит идеальную идентичность лопастей, что критически важно для их балансировки. Для упрощения обработки лучше воспользоваться изолентой вместо плохо заметной разметки: это даст возможность точно обрезать заготовки по ней.
Заготовки нужно обрезать так, чтобы получить оптимальную форму для захвата ветра. В частности, ближе к основанию они должны быть широкими, а к кончикам — сужаться. На начальном этапе лопастей просверливаются два монтажных отверстия.
После этого края заготовок обрезаются для удаления части, где находятся саморезы.
Затем необходимо обработать кромки обрезанных заготовок с помощью наждачной бумаги или напильника, чтобы они лучше скользили по воздуху. Готовые лопасти прикручиваются к автомобильной крыльчатке с использованием 2-3 креплений с шайбами, чтобы предохранить пластик от разрушительных порывов ветра.
Рекомендуется также обрезать выступающую часть лопастей крыльчатки радиатора, поскольку они увеличивают вес конструкции и не вносят значительного вклада в работу устройства. Если крыльчатка рассчитана на 8 лопастей, то они могут быть изготовлены из 2-х отрезков труб. При этом важно, чтобы при создании формы все 8 заготовок складывались вместе и фиксировались для получения идентичных лопастей.
Какая форма лопасти является оптимальной?
Одним из основных элементов ветрогенератора являются лопасти.
Существует несколько факторов, влияющих на эффективность работы этих компонентов:
- вес;
- размер;
- форма;
- материал;
- количество.
При проектировании лопастей для самодельного ветряка вам необходимо учесть все вышеперечисленные параметры. Некоторые люди ошибочно считают, что чем больше лопастей, тем больше энергии можно генерировать. То есть, считается, что чем больше — тем лучше.
Однако это не так. Каждая отдельная лопасть перемещается, преодолевая сопротивление воздуха. Таким образом, если лопастей много, то для одного оборота ветряк нуждается в большей силе ветра.
Форма лопастей для ветряного генератора также зависит от ветряной активности и их размещения относительно доминирующих направлений потоков воздуха.
В районах с высокой ветряной нагрузкой лопасти могут быть выполнены в виде обычных или слегка изогнутых планок.
В локализациях с низкой активностью ветра для активации системы требуется специфическая форма лопастей, учитывающая аэродинамические характеристики местности. Это может быть конструкция в виде спаренного крыла с перемычками, или же использование турбины.
Если ветряк успешно запускается и работает постоянно, в изготовлении лопастей нет необходимости прибегать к каким-либо специальным формам.
Кроме того, избыточное количество широких лопастей может привести к образованию воздушной «шапки» перед винтом, когда поток воздуха проходит мимо ветряка, а не проникает в него.
Форма лопастей крайне важна. Она непосредственно влияет на скорость вращения винта. Плохое обтекание ведет к образованию вихрей, которые замедляют работу ветряк.
Наиболее эффективным вариантом является однолопастной ветрогенератор. Однако его изготовление и балансировка самостоятельно может быть довольно сложной задачей. Такая конструкция оказывается ненадежной, несмотря на высокий коэффициент полезного действия. На основании опыта многочисленных пользователей и производителей ветряков, самой оптимальной для работы считается трехлопастная модель.
Вес лопасти определяется её размером и материалом, из которого она создается. Размер следует подбирать аккуратно, опираясь на специальные расчетные формулы. Кромки лучше обрабатывать так, чтобы с одной стороны они имели более закругленную форму, в то время как обратная сторона была острой.
Правильно подобранная форма лопасти ветрогенератора является основой его эффективной работы.
Для самодельных проектов идеальными являются следующие варианты:
Лопасти парусного типа представляют собой простые широкие полосы, аналогичные тем, что используются на ветряных мельницах. Эта модель наиболее очевидна и проста в изготовлении, однако ее КПД столь низок, что такая форма практически не используется в современных ветрогенераторах. Коэффициент полезного действия в данном случае составляет только около 10-12%.
Значительно более эффективной оказывается форма лопастей с профилем, схожим с крылом. Здесь используются аэродинамические принципы, которые позволяют поднять в воздух большие самолеты. Винт такой формы легче приводится в движение и вращается быстрее. Обтекание воздухом значительно уменьшает сопротивление, с которым ветряк сталкивается на своем пути.
Из чего делают лопасти в домашних условиях?
Материалы, хорошие для создания ветрогенератора, это в первую очередь легкие металлы, пластик, древесина и современное решение — стеклоткань. Основной вопрос, который стоит задать: сколько времени и усилий вы готовы вложить в изготовление ветряка.
Выбор материала для самостоятельного производства лопастей ветряка зависит от вашего опыта работы с ними, а также от того, насколько они выдерживают ветровые нагрузки, удобно ли их резать и сверлить.
По прочности и способности лучше выдерживать воздействия ветра лидирует листовой металл. Его можно гнуть, придавая аэродинамическую форму.
Полимерные трубы являются самым простым и доступным вариантом. Они легко резаться и сверлятся, однако могут быстро потерять устойчивость. Замена таких деталей не станет трудностью ни для вашего проекта, ни для вашего бюджета.
Работать с фанерой, ОСП, МДФ не составит труда, однако стоит помнить, что такие материалы со временем под эффектом атмосферных воздействий потеряют свои полезные свойства.
Канализационные трубы из поливинилхлорида
Наиболее распространенным материалом для производства пластиковых лопастей ветрогенератора являются простые ПВХ-трубы. Для большинства самодельных генераторов, где диаметр винта не превышает 2 метров, достаточно использовать трубы диаметром 160 мм.
К преимуществам данного подхода можно отнести:
- низкую цену;
- широкую доступность;
- простоту обработки;
- обилие схем и чертежей в сети, а также большой практический опыт использования.
ПВХ-трубы бывают различных типов. Это знают не только те, кто занимается самодельными ветряными электростанциями, но и все, кто соприкасался с монтажом водопровода или канализации. Эти трубы различаются по толщине, материалу и производителю. Цена трубу невысока, поэтому не имеет смысла пытаться сэкономить на ПВХ-трубах.
Неудовлетворительное качество пластиковых труб может привести к тому, что лопасти лопнут уже при первом же испытании, что сведёт на нет все усилия.
Сначала важно определиться с шаблоном. Существует множество вариантов, и каждая форма имеет свои плюсы и минусы. Возможно, стоит сначала поэкспериментировать, прежде чем резать окончательный вариант.
Поскольку стоимость труб невысока, а их можно найти практически в любом строительном магазине, данное сырье идеально подходит для первых шагов в создании лопастей. Если что-то пойдет не так, вы всегда сможете купить другую трубу и попробовать ещё раз, не нанеся значительного вреда своему бюджету.
Опытные пользователи, работающие с ветряной энергией, заметили, что для лопастей лучше использовать оранжевые, а не серые трубы. Они превосходно сохраняют форму, не гнутся после формовки и служат гораздо дольше.
Конструкторы-любители предпочитают ПВХ-трубы, так как, проводя испытания, сломанные лопасти могут быть заменены на новые, сделанные всего за 15 минут на месте, при наличии подходящего шаблона. Это просто, быстро и, что главное, доступно.
Фото-инструкция по изготовлению лопастей ветряка из полимерных труб поможет визуально освоить последовательность и шаги этого процесса:
Шаг 3: Разбиение на участки
Проведите вертикальные линии по концам лопасти. Затем разделите чертеж на несколько частей. Например, стыкуйте винт на 6 участков, используя команду Linear Sketch Pattern во вкладке Sketch. Отметьте места пересечений вертикальных линий с контуром лопасти точками. Затем удалите вертикальные линии, оставив лишь небольшие отрезки на концах лопасти. Теперь, используя инструменты Lines, Arcs или Splines, обведите контур изображения, используя точки в качестве соединений линий. Удалите вставленный рисунок, и у вас останется только контур, созданный с помощью инструментов SolidWorks.
Шаг 5: Создание кривых
На выбранной плоскости добавьте эскиз. Эскиз на плоскости 1 будет представлять собой полукруг с одной стороны и такой же полукруг с другой стороны; это станет концом лопасти, соединяющимся со ступицей винта.
Эскизы на плоскостях со 2 по 7 будут иметь одну прямую сторону и одну кривую, похожую на самолетное крыло, создающее подъемную силу. Более прямая линия из двух длинных краёв, которые мы обводили, называется входной (ведущей) кромкой. Когда винт вращается, именно этот край пересекает воздух. Поэтому его следует сделать более «резким», чем ведомую (заднюю) кромку. Мы воспользуемся инструментом Splines по четырем точкам для каждой линии; этого количества точках достаточно для создания нужной формы кривой.
Ветряные электростанции
Существует много различных конструкций ветрогенераторов, которые можно классифицировать по базовым признакам:
- расположение оси вращения: вертикальное и горизонтальное;
- количество лопастей: чаще от 1 до 6, но встречаются и конструкции с большим числом;
- тип конструкции лопасти: в виде крыла или паруса;
- материал, из которого изготовлены лопасти: дерево, алюминий, ПВХ;
- конструкция ветряного колеса: с фиксированным или переменным шагом.
Эффективность работы ветрогенератора в большой степени зависит от лопастей: насколько правильно выбраны их размеры, количество и материалы для изготовления.
Изготовить лопасти самостоятельно не будет сложно, однако перед началом работы следует ознакомится с несколькими важными моментами:
- Длинные лопасти легче двигаются на ветру, даже при его минимальных порывах. Тем не менее, длина может замедлить скорость вращения винта.
- Количество лопастей влияет на чувствительность ветряка: чем больше их количество, тем проще начинается вращение. Однако это увеличивает нагрузку и снижает скорость и мощность, и такое устройство не подходит для генерации электроэнергии, но может быть полезно для подъемных работ.
- Диаметр и скорость вращения ветряного колеса определяют уровень шума, который создает система. Это стоит иметь в виду при прокладке ветрогенератора вблизи жилых домов.
- Максимальное количество энергии от ветра можно получить, установив ветряк как можно выше от уровня земли (оптимально от 6 до 15 м). Поэтому часто их устанавливают на крышах зданий или на высоких мачтах.
Готовые лопасти для ветрогенератора
Также вас может заинтересовать статья о том, как сделать печь капельницу на дровах своими руками.
А в следующей статье мы расскажем, как собрать коптильню из бочки.
Создание лопастей поэтапно
При проведение самостоятельного проектирования лопастей важно учитывать следующие нюансы:
- Начните с определения формы лопасти. Для домашнего горизонтального ветрогенератора наиболее удачным решением является форма крыла. Благодаря своей конструкции она предлагает меньшее аэродинамическое сопротивление. Это достигается благодаря отличиям в площади внешних и внутренних поверхностей элемента, что и создает разницу давления воздуха по сторонам. Форма паруса обладает большим сопротивлением и потому менее эффективна.
На изображении отображено, как сопротивление ветра зависит от различных форм лопастей.
- Следующим шагом необходимо определиться с количеством лопастей. Для местностей, где постоянные ветры не редкость, можно использовать быстроходные ветрогенераторы. Таким устройствам достаточно 2-3 лопастей для максимального раскручивания движка. В других условиях такая установка будет неэффективной в безветренные дни. Недостатком трёхлопастных ветрогенераторов также является высокий уровень шума, который напоминает звук вертолетов. Поэтому такие устройства не рекомендуются для установки вблизи густонаселённых районов.
Для наших широт, где возникают слабые и умеренные ветры, идеально подойдут ветряки с пятью или шестью лопастями, так как они смогут эффективно улавливать слабый ветер и обеспечивать стабильную работу системы.
Это интересно: при правильно проведенных расчетах можно добиться эффективного производства электроэнергии как при помощи одного, так и при помощи двух-трех лопастей. Однако даже при наличии единственной лопасти система будет функционировать, даже при отсутствии ветра!
- Расчет мощности ветряного устройства. Посчитать точный показатель невозможно, поскольку мощность прямо зависит от метеоусловий и ветровой активности. Тем не менее имеет место прямая зависимость между диаметром ветряного колеса и количеством лопастей, что влияет на мощность оборудования.
Представленные данные показывают взаимосвязь факторов для средней скорости ветра 4 м/с (уменьшить, нажав на изображение).
Разобравшись с данными в таблице и синтезировав взаимосвязь, вы сможете через правильный выбор конструкции ветряного колеса повлиять на мощность вашей будущей конструкции.
- Выбор материала для создания лопастей. Выбор материалов для создания лопастей достаточно широк: можно использовать ПВХ, стекловолокно, алюминий и др. Однако каждый вариант имеет свои плюсы и минусы. Остановимся на выборе материала подробнее.
Лопасти для ветрогенератора из стеклопластика
Лопасти из ПВХ-трубы
