Opłata za prąd stanowi dziś znaczący udział w kosztach utrzymania mieszkania. W budynkach mieszkalnych jedynym sposobem na zaoszczędzenie pieniędzy jest przejście na technologie energooszczędne i optymalizacja kosztów dla systemów wielotaryfowych (tryb nocny jest opłacany po obniżonych cenach). A jeśli masz osobistą działkę, możesz nie tylko zaoszczędzić na zużyciu, ale także zorganizować niezależne zasilanie dla prywatnego domu.
Jest to normalna praktyka, która powstała w Europie i Ameryce Północnej, a od kilkudziesięciu lat jest aktywnie wprowadzana w Rosji. Jednak sprzęt do autonomicznego zasilania jest dość drogi, zwrot „do zera” następuje nie wcześniej niż po 10 latach. W niektórych krajach możliwy jest zwrot energii do sieci publicznych po stałych stawkach, co skraca czas zwrotu. W Federacji Rosyjskiej „cashback” wymaga szeregu procedur biurokratycznych, więc większość użytkowników „darmowej” energii woli budować generator wiatrowy własnymi rękami i używać go tylko do własnych potrzeb.
Prawna strona problemu
Domowy generator wiatrowy do domu nie jest zabroniony, jego produkcja i użytkowanie nie pociąga za sobą sankcji administracyjnych ani karnych. Jeśli moc generatora wiatrowego nie przekracza 5 kW, należy do sprzętu AGD i nie wymaga zgody lokalnego zakładu energetycznego. Co więcej, nie musisz płacić żadnych podatków, jeśli nie czerpiesz zysku ze sprzedaży energii elektrycznej. Ponadto domowa turbina wiatrowa generująca, nawet o takich parametrach, wymaga skomplikowanych rozwiązań inżynieryjnych: łatwo jest zrobić to dla technologii. Dlatego moc domowych produktów rzadko przekracza 2 kW. W rzeczywistości ta moc zwykle wystarcza do zasilania prywatnego domu (oczywiście, jeśli nie masz kotła i wydajnego klimatyzatora).
W tym przypadku mówimy o ustawodawstwie federalnym. Dlatego przed podjęciem decyzji o wykonaniu turbiny wiatrowej własnymi rękami nie będzie zbyteczne sprawdzenie obecności (braku) przedmiotowych i miejskich aktów prawnych, które mogą nakładać pewne ograniczenia i zakazy. Na przykład, jeśli Twój dom znajduje się na specjalnie chronionym obszarze przyrodniczym, wykorzystanie energii wiatru (będącej surowcem naturalnym) może wymagać dodatkowych zgód.
Problemy z prawem mogą pojawić się, gdy są niespokojni sąsiedzi. Wiatraki przydomowe to pojedyncze budynki, więc również podlegają pewnym ograniczeniom:
Odmiany generatorów
Zanim zdecydujesz, jak zrobić generator wiatru własnymi rękami, rozważ cechy konstrukcyjne:
Dzięki lokalizacji generatora urządzenie może być poziome lub pionowe
Przy nominalnym generowanym napięciu
Typowe przykłady domowych turbin wiatrowych
Urządzenie generatora wiatrowego jest takie samo, niezależnie od wybranego schematu.
- Śmigło, które można zamontować bezpośrednio na wale generatora lub za pomocą paska (łańcuch, koło zębate).
- Sam generator. Może to być gotowe urządzenie (na przykład z samochodu) lub konwencjonalny silnik elektryczny, który po obróceniu wytwarza prąd elektryczny.
- Falownik, regulator napięcia, stabilizator - w zależności od wybranego napięcia.
- Element buforowy - akumulatory zapewniające ciągłość wytwarzania niezależnie od obecności wiatru.
- Konstrukcja montażowa: maszt, wspornik dachowy.
Śmigło
Może być wykonany z dowolnego materiału: nawet z plastikowych butelek. To prawda, że elastyczne ostrza znacznie ograniczają moc.
Wystarczy wyciąć w nich ubytki, aby nabrać wiatru.
Dobrą opcją jest domowa turbina wiatrowa z chłodni. Otrzymujesz kompletny projekt z profesjonalnie wykonanymi ostrzami i zrównoważonym silnikiem elektrycznym.
Podobna konstrukcja wykonana jest z chłodnicy do zasilaczy komputerowych. Co prawda moc takiego generatora jest skąpa - chyba, że zapalisz lampkę na diodach LED lub naładujesz telefon komórkowy.
Niemniej jednak system jest całkiem funkcjonalny.
Całkiem dobre ostrza uzyskuje się z blach aluminiowych. Materiał jest dostępny, łatwo się kształtuje, śmigło jest dość lekkie.
Jeśli robisz śmigło obrotowe do generatora pionowego, możesz użyć pociętych puszek. W przypadku systemów o dużej wytrzymałości stosuje się połówki stalowych beczek (do pojemności 200 litrów).
Oczywiście będziesz musiał bardzo uważać na kwestię niezawodności. Mocna rama, wał na łożyskach.
Generator
Jak wspomniano powyżej, możesz użyć gotowego samochodu lub silnika elektrycznego z przemysłowych instalacji elektrycznych (sprzęt AGD). Jako przykład: turbina wiatrowa ze śrubokręta. Wykorzystana jest cała konstrukcja: silnik, skrzynia biegów, uchwyt ostrza.
Kompaktowy generator wywodzi się z silnika krokowego drukarki. Ponownie moc wystarcza tylko do zasilania lampy LED lub ładowarki do smartfona. Outdoor to niezastąpiona rzecz.
Jeśli czujesz się komfortowo z lutownicą i jesteś dobry w inżynierii radiowej, możesz sam złożyć generator. Popularny schemat: generator wiatrowy z magnesami neodymowymi. Zalety konstrukcyjne - możesz samodzielnie obliczyć moc pod obciążeniem wiatru w Twojej okolicy. Dlaczego magnesy neodymowe? Kompaktowość przy dużej mocy.
Możesz przerobić wirnik istniejącego generatora.
Lub stwórz własny projekt z produkcją uzwojeń.
Sprawność takiej turbiny wiatrowej jest o rząd wielkości wyższa niż w przypadku zastosowania obwodu z silnikiem elektrycznym. Kolejną niepodważalną zaletą jest kompaktowość. Generator neodymowy jest płaski i można go umieścić bezpośrednio w środkowej tulei śruby napędowej.
Maszt
Produkcja tego elementu nie wymaga znajomości elektroniki, ale żywotność całego generatora wiatrowego zależy od jego wytrzymałości.
Na przykład maszt o wysokości 10-15 metrów wymaga dobrze zaprojektowanych odciągów i przeciwwag. W przeciwnym razie silny podmuch wiatru może przytłoczyć konstrukcję.
Jeśli moc generatora nie przekracza 1 kW, ciężar konstrukcji nie jest tak duży, a kwestie wytrzymałości masztu schodzą na dalszy plan.
Wynik
Domowy generator wiatrowy nie jest tak skomplikowany, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Biorąc pod uwagę wysoki koszt produktów fabrycznych, można sporo zaoszczędzić, wykonując przydomową farmę wiatrową i łatwo dostępne materiały. Biorąc pod uwagę niskie koszty budowy turbiny wiatrowej, szybko się to zwróci.
Powiązane wideo
Zawsze miałem słabość do turbin wiatrowych z osią V ze względu na korzyści, jakie oferują. Niestety większość z nich, jak np. Savonius, nie jest zbyt wydajna, ale może pracować przy słabym wietrze.Zacząłem szukać innych, które wykorzystywały zasadę Savonius. Skończyło się na tym, że zbudowałem to również i znalazłem podobne cechy, ale ten również wydawał się mieć trochę niską wydajność, mimo to znów przewyższał Savinousa.
Zacząłem bawić się małymi klockami i zbudowany z puszek po kawie może symulować, co skończyło się osiąganiem 700 RPM i było zatytułowane "700 RPM Coffee Possible". To tak naprawdę nie generowało dużo energii, będąc tak małym, jak było i było w zasadzie wycięte. Poniżej obrazek z puszką kawy, którą możesz poeksperymentować domowa turbina wiatrowa z pionową osią obrotu... Jeśli zdecydujesz się spróbować, doradzę, metal jest bardzo ostry i musisz nosić rękawice przestrzegając wszelkich środków bezpieczeństwa ... 
Na dole podzieliłem go na 4 sekcje, wyciąłem dwa i z powrotem taśmą klejącą w puszkę na dwóch pozostałych sekcjach. Osiągał 700 obr/min przy wietrze 12,5 mil na godzinę.
Postanowiłem zbudować duże turbiny wiatrowe w budownictwie stosowano plastikowe wiaderka i podobne techniki. To był prawdziwy bałagan! To w ogóle nie działało. Po zastanowieniu się, dlaczego to nie zadziałało, postanowiłem wypróbować okrągły bęben pośrodku. Ułożyłem kilka dużych pojemników z kawą jeden na drugim i przykleiłem je taśmą klejącą. Zmiana przepływu powietrza przez urządzenie nie działała jednak zbyt dobrze.
Po wypróbowaniu wielu różnych bębnów i kształtów, zdecydowałem się na nieco bardziej naukowy test zamiast symulowania turbin wiatrowych.
Byłem zaintrygowany tym, co się dokładnie dzieje. Zacząłem robić statyczne testy przepływu powietrza przez pionową oś obrotu w różnych pozycjach, ale bez wirowania. Za pomocą ręcznego anemometru sprawdziłem prędkość wiatru przed i za blokiem oraz wewnątrz. Powietrze przepływające przez rotację było w rzeczywistości szybsze niż powietrze wchodzące do układu hamulcowego. Znalazłem formułę Venturiego i zacząłem sprawdzać kształty łopat domowej turbiny wiatrowej. Uznałem, że mam wystarczająco dużo informacji, aby zaprojektować coś większego i uzyskać lepsze wyniki testów.
Korzystając z kombinacji pomysłów Savinous na projekty turbin wiatrowych wraz z teorią zwężki Venturiego, opracowałem projekt, który różni się nieco od mojego zwykłego projektu.
Konstrukcja została zamontowana mimo łopatek typu Darrieus, Savonius i trójkątnego bębna pośrodku kierującego przepływem powietrza. Zbudowałem kilka pomniejszonych wersji do testów, a wyniki wyglądały obiecująco i pokazały, że wydaje mi się, że jestem na dobrej drodze. Należało zbudować większy. Poniżej ostatni budynek do tego pomysłu... Prosta produkcja z wykorzystaniem sklejki i aluminium. 
Kolejny projekt turbiny wiatrowej Lenz wykonany ręcznie
Poniżej wystaw początek drugiej wersji. Używając części z pierwszego i pobieżnego olinowania do skrzydeł, zacząłem testować blok. Alternator to maszyna 12-biegunowa, którą wykonałem specjalnie na potrzeby tego projektu.
Zajęło mi trochę majstrowania, aby osiągnąć to, co według mnie powinno być, z dobrymi i niezbyt dobrymi wynikami.
Ponieważ blok był nieco inny niż oryginał, moje ostrza nie osiągnęły rzeczywistej prędkości. Bawiłem się jednym skrzydłem na maszynie, aby dowiedzieć się, gdzie jest moment obrotowy, gdy postępuje około 360 pomiarów co 10 stopni. Zorientowałem się, że moment obrotowy nie był tam, gdzie myślałem, i znów zacząłem bawić się kątami skrzydeł. W końcu został nastawiony na 9 stopni i działał idealnie z maksymalną wydajnością!
Czas uzbroić się do prawdziwych testów.
Zamontowałem to na ładowaczu czołowym mojego podajnika i przetestowałem na wietrze.
Poniżej kilka eksperymentalnych danych ...
Rozpocznij napełnianie 5,5 mph
7,1 mil na godzinę 3,32 watów
8,5 mil na godzinę 5,12 watów
9 mil na godzinę 5,63 watów
9,5 mil na godzinę 6,78 watów
Nieźle jak na turbinę wiatrową o niewielkich rozmiarach 2 stopy i 2 stopy.
Czas zbudować większy, aby zobaczyć, czy można go rozbudować i nadal zachować efektywną wydajność.
Stworzyłem blok o większej średnicy 3 stopy x 4 stopy pokazany poniżej.
Nie będę się zagłębiał w szczegóły, ale robi 52 remisy przy wietrze 12,5 mil na godzinę. Nie da się łatwo ostemplować, ta maszyna zdecydowanie mnie ostemplowała. Teraz nadszedł czas, aby przenieść to na inny poziom….
Konstrukcja łopat turbiny wiatrowej Lenz o wymiarach 3 na 4 stopy
Kilka szczegółów dotyczących konstrukcji turbiny Lenz2 o średnicy 3 stóp i wysokości 4 stóp ...
Poniżej rysunek żeber skrzydeł wyciętych ze sklejki 3/4”.
Uwaga: powyższy rysunek pokazuje, że tylko 6 żeber jest wymaganych, aby faktycznie mieć 9 żeber. Pierwotnie projektowałem to tylko od końca żebra w miejscu ze wspornikiem usztywniającym pośrodku. Trzecie żebro faktycznie czyni je znacznie silniejszymi.
Łopaty turbin wiatrowych domowej roboty są w większości zbudowane ze sklejki 3/4”, a żebra i podłużnice zostały wycięte z przetworzonego 2x4. Podłużnice wkleja się w szczelinę, a następnie wierci pod wkręty do drewna. Po prostu chwyć podłużnice w rowki i nałóż klej, aby zainstalować. Po nałożeniu kleju można osłonić błotniki blachą aluminiową. Użyłem również arkusza PCV o grubości 1/8", który może być tańszy niż aluminium. Blacha aluminiowa o grubości 0,025 była i jest w rzeczywistości lżejsza niż blacha PCV. Można również użyć innych lekkich materiałów do produkcji łopat do generatora wiatrowego.
Powyżej znajduje się kolejne ujęcie łopaty turbiny wiatrowej.
Nity aluminiowe o długości 1/8" i 3/4 do 1".
Zaczynam zginać pod kątem 90 stopni wzdłuż krawędzi natarcia i aluminiowego nitu na zewnętrznej krawędzi natarcia ramy skrzydła. Przerzuć arkusz aluminium na krawędzi ramy. Zamocuj go do krawędzi spływu. Rozpocznij umieszczanie nitów równomiernie rozmieszczając się wokół, upewniając się, że aluminium jest mocno naciągnięte na żebro.
Gdy aluminium jest przymocowane do ramy, zagnij krawędź spływu, aby utworzyć zagięcie tylnego podłużnicy.
Poniżej znajduje się zdjęcie końcówki generatora turbiny zamontowanej na ramie z rury 1 cala kwadratowego ... 
Rama turbiny została wykonana ze standardowych stalowych rur kwadratowych 1x1 zespawanych ze sobą w kształt „pudełka” z dużą ilością dekoracji po bokach. Na powyższym zdjęciu widać dwie stalowe płyty tuż powyżej, wskazujące, że są one przyspawane do ramy, aby utrzymać stojan na miejscu. Górna i dolna tarcza obracają się, a stojan po prostu znajduje się w środku szczeliny powietrznej między nimi.
Domowa turbina wiatrowa będzie działać znacznie lepiej na wysokich platformach w czystym, nieturbulentnym powietrzu.
Działa to bardzo dobrze tam, gdzie się znajduje, ale będzie działać znacznie lepiej i zapewni wyższą wydajność w lepszej lokalizacji.
Skalowanie domowej turbiny wiatrowej i montaż skrzydła pokazano na poniższym rysunku ...
Poniżej znajduje się kilka wzorów, które pomogą znaleźć prędkość obrotową, jaką może pracować przy danym wietrze, a także ile mocy można oczekiwać od urządzenia….
Moc w watach = 0,00508 x powierzchnia x prędkość wiatru ~ 3 Wydajność Powierzchnia kwadratowa (wysokość x szerokość)
Prędkość wiatru w mph
Przykład: opisany powyżej 3 x 4 dla wiatru o prędkości 15 mil na godzinę i alternator będą o 75% bardziej wydajne pod względem mocy wyjściowej;
0,00508 x (3x4) x 15 ^ 3 x (0,41 X,75) = 63,26 W
Wydajność będzie zależeć od klimatyzacji i sprzętu budowlanego. Udowodniono, że turbina działa z wydajnością 41% na wale. Wydajność generatorów będzie się zmieniać w zależności od obciążenia. Jeśli masz generator wystający 90%, turbinę 40%, to ogólna wydajność maszyny będzie o 0,9 x 0,4 = 0,36 lub 36% bardziej wydajna. Jeśli generator jest tylko o 50% bardziej wydajny, to ogólna sprawność wyniesie 0,5 x 0,4 = 20%. Jak widać sprawność generatora odgrywa dużą rolę w ogólnej sprawności lub w tym, co widzisz podczas ładowania.
Jak duży będzie musiał być, aby gęstość mocy
być na tym wietrze...
W / (0,00508 x prędkość wiatru ^ 3 x wydajność) = całkowita powierzchnia metrów kwadratowych
Przykład: Powiedzmy, że chcemy uzyskać 63 waty przy wietrze o prędkości 15 mil na godzinę, używając cyfrowego na górze;
63 W / (0,00508 x 15 ^ 3 x (0,75 x 41)) = 11,94 stopy kwadratowej (lub 3 stopy średnicy x 4 stopy wysokości)
Jak szybko będzie działać przy danej prędkości wiatru...
Prędkość wiatru x 88 / (średnica x 3,14) x TSR
Prędkość wiatru w mph
„88” po prostu przelicz mph na stopy na minutę
TSR (stosunek prędkości obwodowej) dla tej maszyny dla mocy szczytowej wynosi 0,8. Ponieważ jest to maszyna hybrydowa typu winda / drag, aby pobierać energię zarówno z wiatru, jak i z wiatrem za pomocą skrzydeł, musi działać nieco wolniej niż z wiatrem. 0,8 wydaje się być optymalnym czasem ładowania, chociaż będzie działać na 1,6 bez obciążenia.
Przykład: ta sama turbina 15 mph wiatr obciążony do 0.8 TSR ...
15 mph x 88 / (3 x 3,14) x 0,8 = 112 obr/min
lub wkłady - 15 x 88 / (3 x 3,14) x 1,6 = 224
Kilka rzeczy do rozważenia przy projektowaniu… jeśli generator jest słaby, turbina „ucieknie” lub przekroczy prędkość przy silnym wietrze. Musi być dobrze wyważony, aby poradzić sobie z tymi warunkami, w przeciwnym razie może wibrować i spowodować uszkodzenie, a także spalenie generatora. Lepiej trochę rozbudować generator. Powinieneś uwzględnić sposób kontrolowania prędkości, taki jak zwarcie przełącznika lub zrobienie przerwy, aby zwolnić, a nawet zatrzymać ją przy silnym wietrze. Wyłącznik zwarciowy jest po prostu podłączony do przewodów wyjściowych alternatora i zwarć AC. To mocno obciąża turbinę, nie powstrzyma jej przed obracaniem się, ale będzie się obracać bardzo wolno, przy dużym obciążeniu - wszystko zależy od zastosowanego alternatora. Ponieważ VAWT nie może „wijać się” od wiatru, muszą mieć kontrolę.
Zaprojektowałem turbinę tak, aby działała bardzo dobrze przy słabym wietrze i działała ze znacznie bezpieczniejszą prędkością niż niektórzy jego koledzy. Ten projekt skrzydła jest bardzo brudny przy wietrze powyżej 20 mil na godzinę, a wydajność spada znacznie powyżej wiatru, chociaż będzie nadal wytwarzać więcej mocy wraz ze wzrostem prędkości wiatru.
Opracowaliśmy projekt turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu. Poniżej znajduje się szczegółowy przewodnik po jego produkcji, po uważnym przeczytaniu możesz samodzielnie wykonać pionowy generator wiatrowy.
Generator wiatrowy okazał się dość niezawodny, o niskich kosztach utrzymania, niedrogi i łatwy w produkcji. Nie jest konieczne podążanie za listą szczegółów przedstawioną poniżej, możesz dokonać własnych poprawek, coś ulepszyć, użyć czegoś własnego, ponieważ nie wszędzie można znaleźć dokładnie to, co jest na liście. Staraliśmy się używać niedrogich i wysokiej jakości części.
Użyte materiały i sprzęt:
| Nazwa | Ilość | Notatka |
| Lista zużytych części i materiałów do wirnika: | ||
| Wstępnie przycięta blacha | 1 | Wytnij ze stali 1/4" za pomocą strumienia wody, lasera itp. |
| Piasta samochodowa (piasta) | 1 | Powinien zawierać 4 otwory o średnicy około 4 cali |
| Magnes neodymowy 2"x1"x1/2" | 26 | Bardzo kruche, lepiej zamówić dodatkowo |
| Spinka do włosów 1/2 "-13tpi x 3" | 1 | TPI - Gwinty na cal |
| 1/2" nakrętka | 16 | |
| Podkładka 1/2" | 16 | |
| 1/2 "hodowca | 16 | |
| 1/2 ".- nakrętka kołpakowa 13tpi | 16 | |
| 1 "podkładka | 4 | Aby zachować szczelinę między wirnikami |
| Lista zużytych części i materiałów do turbiny: | ||
| Rura ocynkowana 3 "x 60" | 6 | |
| Plastik ABS 3/8" (1,2x1,2m) | 1 | |
| Magnesy równoważące | Jeśli potrzebne | Jeśli ostrza nie są wyważone, do wyważenia przymocowane są magnesy. |
| 1/4" śruba | 48 | |
| Podkładka 1/4" | 48 | |
| 1/4" hodowca | 48 | |
| 1/4" nakrętka | 48 | |
| 2 rogi "x 5/8" | 24 | |
| 1 "narożniki | 12 (opcjonalnie) | Jeśli ostrza nie zachowują kształtu, możesz dodać dodatkowe. rogi |
| śruby, nakrętki, podkładki i rowki do 1" narożnika | 12 (opcjonalnie) | |
| Lista zużytych części i materiałów do stojana: | ||
| Epoksyd z utwardzaczem | 2 litry | |
| 1/4" śruba ze stali nierdzewnej | 3 | |
| podkładka 1/4" ul. | 3 | |
| 1/4 "nakrętka ze stali nierdzewnej | 3 | |
| Końcówka pierścieniowa 1/4" | 3 | Na e-mail znajomości |
| 1/2 "-13tpi x 3" szpilka do włosów ul. | 1 | św. stal nie jest ferromagnetyczna, więc wirnik nie „hamuje” |
| 1/2" nakrętka | 6 | |
| Włókno szklane | Jeśli potrzebne | |
| Emalia 0,51 mm. drut | 24AWG | |
| Lista zużytych części i materiałów do montażu: | ||
| Śruba 1/4 "x 3/4" | 6 | |
| Kołnierz rurowy 1-1 / 4 " | 1 | |
| 1-1 / 4" rura ocynkowana L-18" | 1 | |
| Narzędzia i wyposażenie: | ||
| Spinka do włosów 1/2 "-13tpi x 36" | 2 | Używany do przeciskania |
| 1/2" śruba | 8 | |
| Wiatromierz | Jeśli potrzebujesz | |
| 1 "blacha aluminiowa | 1 | W razie potrzeby do produkcji przekładek |
| Zielona farba | 1 | Do malowania plastikowych uchwytów. Kolor nie jest ważny |
| Niebieska piłka z farbą. | 1 | Do malowania wirnika i innych części. Kolor nie jest ważny |
| Multimetr | 1 | |
| Lutownica i lutownica | 1 | |
| Wiertarka | 1 | |
| Brzeszczot | 1 | |
| Kern | 1 | |
| Maska | 1 | |
| Okulary ochronne | 1 | |
| Rękawice | 1 | |
Turbiny wiatrowe z pionową osią obrotu nie są tak wydajne jak ich poziome odpowiedniki, ale pionowe turbiny wiatrowe są mniej wymagające w miejscu ich zainstalowania.
Produkcja turbin
1. Element łączący - przeznaczony do połączenia wirnika z łopatami generatora wiatrowego.
2. Układ łopatek - dwa przeciwległe trójkąty równoboczne. Zgodnie z tym rysunkiem łatwiej będzie wtedy ustawić rogi mocowania ostrzy.
Jeśli nie jesteś czegoś pewien, szablony kartonowe pomogą Ci uniknąć błędów i dalszych przeróbek.
Kolejność etapów produkcji turbiny:
- Produkcja podpór dolnych i górnych (podstaw) ostrzy. Zaznacz i użyj wyrzynarki, aby wyciąć okrąg z tworzywa ABS. Następnie zakreśl go i wytnij drugą podporę. Powinieneś otrzymać dwa absolutnie identyczne koła.
- Wytnij otwór o średnicy 30 cm w środku jednej podpory, która będzie górną podporą ostrzy.
- Weź piastę (piasta samochodowa) i zaznacz i wywierć cztery otwory na dolnym wsporniku, aby zamontować piastę.
- Wykonaj szablon do rozmieszczenia ostrzy (obrazek powyżej) i zaznacz na dolnej podporze punkty mocowania rogów, które połączą podporę z ostrzami.
- Ostrza ułożyć w stos, mocno je związać i przyciąć na wymaganą długość. W tej konstrukcji łopaty mają długość 116 cm, im dłuższe łopatki, tym więcej energii wiatru otrzymują, ale wadą jest niestabilność przy silnym wietrze.
- Zaznacz ostrza do mocowania rogów. Dotknij, a następnie wywierć w nich otwory.
- Używając wzoru ostrzy pokazanego na powyższym obrazku, przymocuj ostrza do wspornika za pomocą kątowników.
Produkcja wirników
Sekwencja czynności do produkcji wirnika:
- Umieść dwie podstawy rotorów jedna na drugiej, wyrównaj otwory i użyj pilnika lub markera, aby zrobić mały znak po bokach. W przyszłości pomoże to prawidłowo zorientować je względem siebie.
- Wykonaj dwa papierowe wzory magnesów i przyklej je do podstaw.
- Oznacz bieguny wszystkich magnesów markerem. Jako "tester polaryzacji" możesz użyć małego magnesu owiniętego w szmatkę lub taśmę. Przechodząc przez duży magnes, będzie wyraźnie widoczne, czy jest odpychane, czy przyciągane.
- Przygotuj żywicę epoksydową dodając utwardzacz. I nałóż go równomiernie od spodu magnesu.
- Bardzo ostrożnie przyłóż magnes do krawędzi podstawy wirnika i przesuń go na swoje miejsce. Jeśli magnes jest zainstalowany na górze wirnika, duża moc magnesu może go ostro namagnesować i może pęknąć. I nigdy nie wkładaj palców ani innych części ciała między dwa magnesy lub magnes i żelazko. Magnesy neodymowe są bardzo silne!
- Nadal przyklejaj magnesy do wirnika (pamiętaj, aby posmarować je żywicą epoksydową), naprzemiennie między biegunami. Jeśli magnesy zostaną oderwane przez siłę magnetyczną, dla bezpieczeństwa umieść między nimi kawałek drewna.
- Po zakończeniu jednego wirnika przejdź do drugiego. Używając wcześniej zaznaczonego znaku, umieść magnesy dokładnie naprzeciw pierwszego wirnika, ale w innej polaryzacji.
- Umieść wirniki z dala od siebie (aby się nie namagnesowały, w przeciwnym razie nie będziesz ich później usuwać).
Produkcja stojana to bardzo pracochłonny proces. Możesz oczywiście kupić gotowy stojan (spróbuj ponownie znaleźć je u nas) lub generator, ale nie to, że są odpowiednie do konkretnej turbiny wiatrowej z własnymi indywidualnymi cechami
Stojan generatora wiatrowego to element elektryczny składający się z 9 cewek. Cewka stojana jest pokazana na powyższym zdjęciu. Cewki są podzielone na 3 grupy, po 3 cewki w każdej grupie. Każda cewka jest nawinięta drutem 24AWG (0,51mm) i zawiera 320 zwojów. Więcej zwojów, ale cieńszy drut da wyższe napięcie, ale mniejszy prąd. Dlatego parametry cewek można zmieniać w zależności od tego, jakie napięcie na wyjściu generatora wiatrowego jest potrzebne. Poniższa tabela pomoże Ci zdecydować:
320 zwojów, 0,51 mm (24AWG) = 100 V przy 120 obr./min.
160 zwojów, 0,0508 mm (16 AWG) = 48 V przy 140 obr./min.
60 zwojów, 0,0571 mm (15AWG) = 24 V przy 120 obr./min.
Ręczne nawijanie szpul jest nudne i trudne. Dlatego, aby ułatwić proces nawijania, radziłbym wykonać proste urządzenie - nawijarkę. Co więcej, jego konstrukcja jest dość prosta i może być wykonana ze złomu.
Zwoje wszystkich cewek należy nawinąć w ten sam sposób, w tym samym kierunku i zwrócić uwagę lub zaznaczyć gdzie jest początek a gdzie koniec cewki. Aby zapobiec odwijaniu się cewek, są one owinięte taśmą elektryczną i pokryte żywicą epoksydową.
Oprawa składa się z dwóch kawałków sklejki, wygiętej spinki do włosów, kawałka rury PCV i gwoździ. Przed wygięciem kołka podgrzej go palnikiem.
Mały kawałek rury pomiędzy deskami zapewnia pożądaną grubość, a cztery gwoździe zapewniają wymagane wymiary zwoju.
Możesz wymyślić własny projekt maszyny do nawijania, a może masz już gotowy.
Po nawinięciu wszystkich cewek należy je sprawdzić pod kątem tożsamości. Można to zrobić za pomocą wagi, a także zmierzyć rezystancję cewek za pomocą multimetru.
Nie podłączaj odbiorników domowych bezpośrednio z generatora wiatrowego! Przestrzegaj również środków ostrożności podczas obchodzenia się z energią elektryczną!
Proces podłączenia cewki:
- Przeszlifuj końce każdego przewodu cewki.
- Połącz cewki, jak pokazano na powyższym obrazku. Powinieneś otrzymać 3 grupy, 3 cewki w każdej grupie. Przy takim schemacie połączeń uzyskany zostanie trójfazowy prąd przemienny. Przylutuj końce cewek lub użyj zacisków.
- Wybierz jedną z następujących konfiguracji:
A. Konfiguracja " gwiazda". Aby uzyskać wysokie napięcie na wyjściu, połącz ze sobą piny X, Y i Z.
B. Konfiguracja „trójkąt”. W przypadku wysokiego prądu podłącz X do B, Y do C, Z do A.
C. Aby umożliwić przyszłą rekonfigurację, przedłuż wszystkie sześć przewodów i wyciągnij je. - Na dużym arkuszu papieru narysuj schemat lokalizacji i połączenia cewek. Wszystkie cewki muszą być równomiernie rozmieszczone i pasować do położenia magnesów wirnika.
- Przymocuj szpule taśmą do papieru. Przygotować żywicę epoksydową z utwardzaczem do zalewania stojana.
- Za pomocą pędzla nałóż żywicę epoksydową na włókno szklane. W razie potrzeby dodaj małe kawałki włókna szklanego. Nie napełniaj środka wężownic, aby zapewnić wystarczające chłodzenie podczas pracy. Staraj się unikać tworzenia się bąbelków. Celem tej operacji jest zabezpieczenie cewek na miejscu i spłaszczenie stojana, który zostanie umieszczony między dwoma wirnikami. Stojan nie będzie obciążoną jednostką i nie będzie się obracał.
Aby było to jaśniejsze, spójrzmy na cały proces na zdjęciach:
Gotowe szpule umieszczane są na woskowanym papierze z narysowanym wcześniej układem. Trzy małe kółka w rogach na powyższym zdjęciu to lokalizacje otworów do mocowania wspornika stojana. Środkowy pierścień zapobiega przedostawaniu się żywicy epoksydowej do środkowego okręgu.
Cewki są zabezpieczone na miejscu. Wokół cewek umieszcza się włókno szklane w małych kawałkach. Przewody cewki mogą być poprowadzone do wewnątrz lub na zewnątrz stojana. Nie zapomnij zostawić wystarczającego zapasu. Pamiętaj, aby dokładnie sprawdzić wszystkie połączenia i zadzwonić za pomocą multimetru.
Stojan jest prawie gotowy. W stojanie wywiercone są otwory do mocowania wspornika. Podczas wiercenia otworów należy uważać, aby nie dostać się do przewodów cewki. Po zakończeniu operacji odetnij nadmiar włókna szklanego i, jeśli to konieczne, przeszlifuj powierzchnię stojana papierem ściernym.
Wspornik stojana
Rurka do mocowania osi piasty została przycięta do wymaganego rozmiaru. Wywiercono w nim otwory i wycięto nitki. W przyszłości zostaną w nie wkręcone śruby, które utrzymają oś.
Na powyższym zdjęciu widać wspornik, do którego będzie przymocowany stojan, znajdujący się między dwoma wirnikami.
Zdjęcie powyżej przedstawia kołek z nakrętkami i tuleją. Cztery z tych kołków zapewniają wymagany prześwit między wirnikami. Zamiast tulei możesz użyć większych nakrętek lub samodzielnie wyciąć podkładki z aluminium.
Generator. Montaż końcowy
Małe wyjaśnienie: mała szczelina powietrzna pomiędzy wiązką wirnik-stojan-wirnik (która jest ustalana za pomocą sworznia z tuleją) zapewnia większą moc wyjściową, ale ryzyko uszkodzenia stojana lub wirnika przy przekrzywieniu osi, co może wystąpić przy silnym wietrze, wzrasta.
Zdjęcie poniżej przedstawia wirnik z 4 kołkami zapewniającymi prześwit i dwoma aluminiowymi żebrami (które zostaną później usunięte).
Rysunek po prawej przedstawia zmontowany i pomalowany na zielono stojan.
Proces kompilacji:
1. Wywierć 4 otwory w górnej płycie wirnika i nawlecz je na kołek. Jest to konieczne do płynnego opuszczenia wirnika na miejsce. Wciśnij 4 kołki w sklejone wcześniej aluminiowe płytki i zamontuj górny rotor na kołkach.
Wirniki będą przyciągane do siebie z bardzo dużą siłą, dlatego takie urządzenie jest potrzebne. Wyrównaj wirniki natychmiast względem siebie, korzystając z wcześniej zaznaczonych znaków na końcach.
2-4. Obracając kołki na przemian kluczem, równomiernie opuść wirnik.
5. Po zetknięciu się wirnika z tuleją (zapewniając luz), odkręć śruby dwustronne i zdejmij aluminiowe lamele.
6. Zamontuj piastę (piasta) i przykręć ją.
Generator jest gotowy!
Po zamontowaniu kołków (1) i kołnierza (2) twój generator powinien wyglądać mniej więcej tak (patrz obrazek powyżej)
Śruby ze stali nierdzewnej służą do zapewnienia kontaktu elektrycznego. Wygodne jest stosowanie końcówek oczkowych na przewodach.
Nakrętki kołpakowe i podkładki służą do zabezpieczenia połączenia. deski i wsporniki ostrzy do generatora. Tak więc turbina wiatrowa jest w pełni zmontowana i gotowa do testów.
Na początek najlepiej zakręcić wiatrakiem ręką i zmierzyć parametry. Jeśli wszystkie trzy zaciski wyjściowe są zwarte, turbina wiatrowa powinna obracać się bardzo mocno. Może to być wykorzystane do wyłączenia turbiny wiatrowej w celach serwisowych lub bezpieczeństwa.
Generator wiatrowy może służyć nie tylko do dostarczania prądu do domu. Na przykład ta instancja jest wykonana tak, aby stojan generował wysokie napięcie, które jest następnie wykorzystywane do ogrzewania.
Rozważany powyżej generator wytwarza napięcie trójfazowe o różnych częstotliwościach (w zależności od siły wiatru), a na przykład w Rosji stosowana jest sieć jednofazowa 220-230 V o stałej częstotliwości sieci 50 Hz. Nie oznacza to, że generator ten nie nadaje się do zasilania urządzeń AGD. Prąd przemienny z tego generatora można przekształcić w prąd stały o stałym napięciu. A prąd stały może być już używany do zasilania lamp, podgrzewania wody, ładowania akumulatorów lub może być dostarczony konwerter do konwersji prądu stałego na prąd przemienny. Ale to już wykracza poza zakres tego artykułu.
Powyższy rysunek to prosty 6-diodowy obwód prostownika mostkowego. Zamienia prąd przemienny na prąd stały.
Miejsce instalacji generatora wiatrowego
Opisywana tutaj turbina wiatrowa jest zamontowana na 4 metrowym wsporniku na skraju góry. Kołnierz rurowy, który jest montowany na dole generatora, zapewnia łatwy i szybki montaż generatora wiatrowego - wystarczy przykręcić 4 śruby. Chociaż dla niezawodności lepiej spawać.
Zazwyczaj wiatraki poziome „lubią” gdy wiatr wieje z jednego kierunku, w przeciwieństwie do wiatraków pionowych, gdzie dzięki wiatrowskazowi potrafią skręcać i nie przejmują się kierunkiem wiatru. Bo Ponieważ ta turbina wiatrowa jest zainstalowana na brzegu klifu, wiatr tam wytwarza turbulentne przepływy z różnych kierunków, co nie jest zbyt efektywne w przypadku tego projektu.
Innym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy wyborze miejsca, jest siła wiatru. Archiwum danych o sile wiatru dla twojego obszaru można znaleźć w Internecie, chociaż będzie to bardzo przybliżone, ponieważ wszystko zależy od konkretnej lokalizacji.
Również anemometr (urządzenie do pomiaru siły wiatru) pomoże w wyborze lokalizacji generatora wiatrowego.
Trochę o mechanice turbiny wiatrowej
Jak wiadomo, wiatr występuje z powodu różnicy temperatur między powierzchnią ziemi. Kiedy wiatr obraca turbiny turbiny wiatrowej, wytwarza trzy siły: unoszenie, hamowanie i impuls. Siła unosząca występuje zwykle na wypukłej powierzchni i jest konsekwencją różnicy ciśnień. Siła hamowania wiatrem powstaje za łopatami turbiny wiatrowej, jest niepożądana i spowalnia turbinę wiatrową. Siła impulsu wynika z zakrzywionego kształtu ostrzy. Kiedy cząsteczki powietrza odpychają łopatki od tyłu, nie mają dokąd pójść i zbierają się za nimi. W rezultacie popychają łopaty w kierunku wiatru. Im większe siły podnoszenia i impulsu oraz im mniejsza siła hamowania, tym szybciej obracają się ostrza. W związku z tym wirnik obraca się, co wytwarza pole magnetyczne na stojanie. W efekcie powstaje energia elektryczna.
Pobierz układ magnesów.
Obliczenie wiatraka pionowego zasadniczo nie różni się od obliczenia konwencjonalnego wiatraka poziomego. Ale obliczenia mają swoje osobliwości, ponieważ pionowe wiatraki typu „Bochka” działają nie z powodu siły nośnej, ale z powodu naporu wiatru na łopaty. Następnie podam ogólny przykład obliczania turbiny wiatrowej. Obliczenia, choć dość dokładne, dają ogólne pojęcie o mocy generatora wiatrowego, ale nie bierze się pod uwagę wielu czynników, które mogą znacząco wpłynąć na rzeczywisty wynik.
Domowa pionowa turbina wiatrowa
Na przykład zdjęcie wiatraka pionowego typu „Beczka”Na przykład chcemy wykonać turbinę wiatrową typu „Beczka” o szerokości 2 metrów i wysokości 3 metrów. Liczba ostrzy tak naprawdę nie ma znaczenia i załóżmy, że mamy 4 półokrągłe ostrza. Najpierw musimy dowiedzieć się, ile energii w ogóle możemy uzyskać z tego wirnika.
Istnieje prosty wzór do obliczeń:
P = 0,6 * S * V ^ 3
P- moc Wat
S- powierzchnia łopatek do rzucania mkw.
V ^ 3- Prędkość wiatru sześcienna m / s
0.6 to prędkość wiatru. Wiatr poruszający się w kosmosie jest traktowany jako jednostka, ale wiatr traci prędkość i moc, gdy zbliża się do jakiejkolwiek przeszkody. Ponieważ nie znamy utraty prędkości, przyjmiemy 0,6, biorąc pod uwagę fakt, że wiatr straci prędkość o 33%.
Dodatkowo wzór na obliczenie powierzchni koła S = πr2, gdzie
π - 3,14
r- promień okręgu w kwadracie
Ogólnie rzecz biorąc, wiatraki pionowe, podobnie jak billboardy, bardzo mocno spowalniają wiatr, a przed przeszkodą tworzy się poduszka powietrzna, w którą zderzają się nowe porcje wiatru po bokach, a 30-40% energii wiatru uchodzi bez biorąc udział w nacisku na ostrza. Dlatego ogólna sprawność, lub zgodnie z poprawnym KIJÓW, turbiny wiatrowej dla pionowych turbin wiatrowych jest dość niska i wynosi tylko 10-20% energii wiatru.
Z analizy własnoręcznie wykonanych pionowych turbin wiatrowych KIJÓW w zasadzie 10% wszystkich, ale jesteśmy optymistami, więc wezmę KIJÓW 0,2, chociaż sprawność generatora i transmisji nie jest tu jeszcze brana pod uwagę.
0,6 * 6 * 2 * 2 * 2 * 0,2 = 5,76 watów przy 2m / s
0,6 * 6 * 3 * 3 * 3 * 0,2 = 19,44 watów przy 3m / s
0,6 * 6 * 4 * 4 * 4 * 0,2 = 46,08 watów przy 4m / s
0,6 * 6 * 5 * 5 * 5 * 0,2 = 90 watów przy 5m / s
0,6 * 6 * 7 * 7 * 7 * 0,2 = 246 watów przy 7m / s
0,6 * 6 * 10 * 10 * 10 * 0,2 = 720 watów przy 10 m / s
Teraz jest jasne, do czego zdolny jest ten wirnik. Następnie musimy dopasować generator do tego wirnika, aby generator mógł generować maksymalną możliwą moc, jaka jest dostępna na wirniku, a jednocześnie nie przeciążać wirnika - aby mógł się obracać i jego prędkość nie spadała zbytnio . W przeciwnym razie nie będzie sensu, produkcja energii drastycznie spadnie. Aby dopasować generator, musimy znać prędkość wiatraka przy każdej prędkości wiatru.
W przeciwieństwie do poziomych turbin wiatrowych, w których końcówki łopat obracają się zwykle 5 razy szybciej niż prędkość wiatru, pionowa turbina wiatrowa nie może obracać się szybciej niż prędkość wiatru. Wynika to z faktu, że tutaj wiatr po prostu popycha pióro i zaczyna się poruszać z przepływem przelatującego wiatru. A śmigło poziome działa dzięki sile nośnej, która powstaje z tyłu łopaty i popycha łopatę do przodu, a tutaj obroty są ograniczone tylko właściwościami aerodynamicznymi łopaty i siłą podnoszenia.
Nie będziemy wchodzić w szczegóły i wrócimy do naszego wiatraka. Aby obliczyć obroty wirnika 2 * 3 metry, gdzie szerokość wirnika wynosi 2 metry, musisz znać obwód wirnika. 2 * 3,14 = 6,28 metra, czyli w jednym obrocie czubek ostrza pokonuje ścieżkę 6,28 metra. Oznacza to, że w idealnym przypadku wirnik wykona pełny obrót w przepływającym strumieniu wiatru o długości 6,28 metra. Ale ponieważ energia jest zużywana na obrót, na przekładnię, a nawet na obrót generatora - który jest obciążony akumulatorem, obroty zmniejszą się średnio o połowę. A wirnik wykona pełny obrót na 12 metrach przepływu wiatru.
Potem okazuje się, że jeśli wiatr ma 3m/s, to przy tym wietrze wirnik wykona 0,4 obrotu na sekundę, a za 4 sekundy pełny obrót. A przez minutę przy wietrze 3 m / s będzie to 60: 4 = 15 obr./min.
Przy 3 m / s 12: 3 = 4, 60: 4 = 15 obr./min
Przy 4m/s będzie to 12:4 = 3,60:3 = 20rpm.
Przy wietrze 5 m/s 12:5 = 2,4, 60: 2,4 = 25 obr/min.
Przy 7 m / s 12: 7 = 1,71, 60: 1,71 = 35 obr./min
Przy 10 m / s 12: 10 = 1,2, 60: 1,2 = 50 obr./min
Przy obrotach wiatraka myślę, że teraz jest jasne i są znane. Im większa średnica koła wiatrowego, tym mniejsza jego prędkość w stosunku do prędkości wiatru. Tak więc na przykład wiatrak o średnicy 1 metra będzie się kręcić dwa razy szybciej niż koło wiatrowe o średnicy 2 m.
Teraz potrzebujemy generatora, który przy tych prędkościach powinien generować moc już nie niż koło wiatrowe może ustąpić. A jeśli generator jest mocniejszy, to przeciąży wirnik i nie będzie w stanie rozkręcić się do swojej prędkości, w wyniku czego prędkość będzie niska, a całkowita moc będzie niska. Przy wietrze 3 m/s mamy 15 obr/min, a moc wiatraka to 19 watów, więc potrzebujesz generatora do obciążenia wirnika nie więcej niż 19 watów. Uwzględnia to sprawność skrzyni biegów (jeśli występuje) oraz sprawność samego generatora. Sprawność skrzyni biegów i generatora zwykle nie jest znana, ale mają też znaczne straty i generalnie traci się na tym 20-50% energii, a na wyjściu do akumulatora tylko 50% jest już zasilane, to w naszym przypadku wynosi około 10 watów.
Jeżeli generator przeciąży koło wiatrowe, to jego prędkość nie osiągnie wartości nominalnej i będzie znacznie niższa od prędkości wiatru. Od tego spadnie prędkość generatora i jego moc. Dodatkowo łopaty nadal znacznie wolniej poruszają się w stosunku do wiatru, znacznie zwolnią, a wiatr rozproszy się na boki, w wyniku czego moc wiatraka spadnie jeszcze bardziej. Tak więc przy zbyt potężnym generatorze energii bateria będzie kilka razy mniejsza niż mogłaby. Lub odwrotnie, gdy prądnica jest za słaba i przy 15 obr/min koło wiatrowe nie może w pełni obciążyć wiatraka, wtedy okazuje się, że pobieramy znacznie mniej energii z możliwego.
W efekcie generator musi odpowiadać mocy wiatraka, tylko w ten sposób możemy usunąć maksymalną możliwą moc wiatraka. Można powiedzieć, że jest to najtrudniejsze zadanie, ponieważ generator może mieć zupełnie inną charakterystykę napięcia i prądu do obrotów. Aby wybrać generator, należy go przekręcić na akumulator i zmierzyć dostarczoną energię lub obliczyć ją za pomocą wzorów. A następnie spróbuj dopasować go do koła wiatrowego.
Na przykład generator przy 300 obr./min ma 1 Ampet na akumulatorze 14 woltów, czyli około 14 watów, a koło wiatrowe wytwarza 19 watów przy 15 obr./min. Oznacza to, że mnożnik jest potrzebny 1:20, aby generator obracał się z prędkością 300 obr/min. Przy 5m/s prędkość wiatraka wynosi 25r/m, co oznacza, że generator będzie się obracał z prędkością 500r/m. Jednocześnie moc koła wiatrowego wynosi tylko 90 watów, a generator jest mocniejszy i daje 200 watów. Więc koło wiatrowe nie pójdzie, po prostu będzie się powoli obracać i nie wyda 90 watów - a tym bardziej 200 watów. Wyjściem jest albo poświęcenie początku ładowania i wykonanie skrzyni biegów 1:15, albo podwojenie wysokości wiatraka, aby koło wiatrowe mogło ciągnąć generator.
Dlatego konieczne jest, aby generator dopasowywał moc i prędkość w całym zakresie obrotu wiatraka. A jeśli generatorowi brakuje mocy, musisz albo zwiększyć przełożenie mnożnika, albo zmniejszyć wirnik, aby uzyskać równowagę między prędkością i mocą wiatraka i generatora. Często ludzie, bez żadnych obliczeń, wkładają generatory z tego, co znajdą, i budują koło wiatrowe po obejrzeniu filmiku z YouTube, ale w końcu okazuje się, że generator wiatrowy nie działa przy słabym wietrze i jest po prostu malutki pod względem moc.
Energia wiatrowa uderza różnorodnością i niezwykłą konstrukcją konstrukcji turbin wiatrowych. Dotychczasowe projekty generatorów wiatrowych, jak również proponowane projekty, stawiają energetykę wiatrową na tle konkurencji pod względem oryginalności rozwiązań technicznych w porównaniu z wszystkimi innymi minizespołami energetycznymi wykorzystującymi odnawialne źródła energii.
Obecnie istnieje wiele różnych projektów koncepcyjnych generatorów wiatrowych, które w zależności od rodzaju kół wiatrowych (wirniki, turbiny, śmigła) można podzielić na dwa główne typy. Są to turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu (łopatka) oraz pionowej (karuzela, tzw. turbiny w kształcie litery H).
Turbiny wiatrowe o osi poziomej... W turbinach wiatrowych o poziomej osi obrotu wał wirnika i generator znajdują się u góry, natomiast układ musi być skierowany w stronę wiatru. Małe wiatraki są prowadzone za pomocą systemów wiatrowskazowych, podczas gdy duże (przemysłowe) instalacje mają czujniki wiatru i serwonapędy, które obracają oś w wiatr. Większość przemysłowych turbin wiatrowych jest wyposażona w przekładnie, które umożliwiają dostosowanie systemu do aktualnej prędkości wiatru. Ze względu na to, że maszt tworzy za nim przepływy turbulentne, śmigło jest zwykle skierowane przeciw strumieniowi powietrza. Łopaty turbiny wiatrowej są wystarczająco mocne, aby nie uderzały w maszt pod wpływem silnych podmuchów wiatru. W przypadku turbin wiatrowych tego typu nie jest wymagana instalacja dodatkowych mechanizmów orientacji z wiatrem.
Koło wiatrowe osi poziomej
Koło wiatrowe może być wykonane z różną liczbą łopat: od jednołopatowych turbin wiatrowych z przeciwwagą do wielołopatowych (o liczbie łopat do 50 i więcej). Poziome koła wiatrowe osi obroty są czasami wykonywane w ustalonym kierunku, tj. nie mogą obracać się wokół pionowej osi prostopadłej do kierunku wiatru. Ten typ turbiny wiatrowej jest używany tylko wtedy, gdy istnieje jeden dominujący kierunek wiatru. W większości przypadków system, na którym mocowane jest koło wiatrowe (tzw. głowica) jest obrotowy, zorientowany zgodnie z kierunkiem wiatru. W małych turbinach wiatrowych stosuje się do tego celu jednostki ogonowe, aw dużych turbinach wiatrowych elektronika steruje orientacją.
W celu ograniczenia prędkości obrotowej koła wiatrowego przy dużych prędkościach wiatru stosuje się szereg metod, w tym ustawianie łopat w pozycji łopatek, stosowanie zaworów, które stoją na łopatach lub obracają się z nimi, itp. Łopaty można przymocować bezpośrednio do wał generatora lub moment obrotowy może być przenoszony z jego obręczy przez wał wyjściowy na generator lub inną maszynę roboczą.
Obecnie wysokość masztu przemysłowej turbiny wiatrowej waha się w granicach od 60 do 90 m. Koło wiatrowe wykonuje 10-20 obrotów na minutę. Niektóre systemy mają przekładnię typu plug-in, która pozwala turbinie wiatrowej obracać się szybciej lub wolniej, w zależności od prędkości wiatru, przy jednoczesnym utrzymaniu wytwarzania energii. Wszystkie nowoczesne turbiny wiatrowe wyposażone są w system ewentualnego automatycznego zatrzymania w przypadku zbyt silnego wiatru.
Główne zalety osi poziomej to: zmienny skok łopatek turbiny, co pozwala na maksymalne wykorzystanie energii wiatru w zależności od warunków atmosferycznych; wysoki maszt pozwala „dostać się” na silniejsze wiatry; wysoka sprawność ze względu na kierunek działania śmigła prostopadle do wiatru.
Jednocześnie oś pozioma ma kilka wad. Wśród nich są wysokie maszty do 90 m wysokości i długie łopaty, które są trudne do transportu, masywność masztu, konieczność nakierowania osi na wiatr itp.
Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu. Główną zaletą takiego systemu jest brak konieczności kierowania osi na wiatr, ponieważ turbina wiatrowa wykorzystuje wiatr z dowolnego kierunku. Ponadto konstrukcja jest uproszczona i zredukowane są obciążenia żyroskopowe, które powodują dodatkowe naprężenia w łopatach, układzie napędowym i innych elementach instalacji o poziomej osi obrotu. Takie instalacje są szczególnie skuteczne na obszarach o zmiennym wietrze. Turbiny pionowo-osiowe działają przy niskich prędkościach wiatru i w dowolnym kierunku wiatru bez orientacji na wiatr, ale mają niską wydajność.
Autorem pomysłu stworzenia turbiny o pionowej osi obrotu (turbina w kształcie litery H) jest francuski inżynier George Jean Marie Darius (Jean Marie Darier). Ten typ turbiny wiatrowej został opatentowany w 1931 roku. W przeciwieństwie do turbin z poziomą osią obrotu, turbiny w kształcie litery H „wychwytują” wiatr, gdy zmienia się jego kierunek, bez zmiany położenia samego wirnika. Dlatego generatory wiatrowe tego typu nie mają „ogonu” i na zewnątrz przypominają beczkę. Wirnik ma pionową oś obrotu i składa się z dwóch do czterech zakrzywionych łopatek.
Łopaty tworzą przestrzenną strukturę, która obraca się pod działaniem sił nośnych powstających na łopatach w wyniku przepływu wiatru. W wirniku Darrieusa współczynnik wykorzystania energii wiatru sięga 0,300,35. Ostatnio przeprowadzono rozwój silnika rotacyjnego Darrieus z prostymi łopatami. Teraz generator wiatrowy Darrieus można uznać za głównego konkurenta generatorów wiatrowych typu skrzydłowego.
Instalacja ma dość wysoką wydajność, ale jednocześnie na maszcie powstają poważne obciążenia. System ma również duży moment rozruchowy, który z trudem może być generowany przez wiatr. Najczęściej dzieje się to pod wpływem czynników zewnętrznych.
Wirnik Savonius
Innym typem koła wiatrowego jest wirnik Savonius, stworzony przez fińskiego inżyniera Sigurta Savoniusa w 1922 roku. Moment obrotowy powstaje, gdy strumień powietrza opływa wirnik z powodu różnych oporów wypukłych i wklęsłych części wirnika. Koło jest proste, ale ma bardzo niski stopień wykorzystania energii wiatru - tylko 0,1-0,15.
Główną zaletą pionowych turbin wiatrowych jest to, że nie potrzebują mechanizmu orientacji wiatru. Mają generator i inne mechanizmy znajdujące się na niewielkiej wysokości w pobliżu podstawy. Wszystko to znacznie upraszcza projekt. Elementy robocze znajdują się blisko podłoża, co ułatwia ich serwisowanie. Niska minimalna robocza prędkość wiatru (2-2,5 m/s) powoduje mniejszy hałas.
Jednak poważną wadą tych turbin wiatrowych jest znacząca zmiana warunków opływu skrzydła podczas jednego obrotu wirnika, który cyklicznie powtarza się podczas pracy. Ze względu na przeciwbieżne straty obrotowe większość turbin wiatrowych o osi pionowej jest prawie o połowę mniej wydajna niż turbiny wiatrowe o osi poziomej.
Poszukiwania nowych rozwiązań w energetyce wiatrowej trwają, a już istnieją oryginalne wynalazki, takie jak turbożagiel. Turbina wiatrowa jest zainstalowana w postaci długiej pionowej rury o wysokości 100 m, w której następuje silny przepływ powietrza ze względu na gradient temperatury między końcami rury. Sam generator wraz z turbiną proponuje się zainstalować w rurze, dzięki czemu przepływ powietrza zapewni rotację turbiny. Jak pokazuje praktyka obsługi takich generatorów wiatrowych, po rozwinięciu turbiny i specjalnym podgrzaniu powietrza na dolnej krawędzi rury, nawet przy cichym wietrze (i spokojnym), w rurze ustala się silny i stabilny przepływ powietrza . To sprawia, że takie turbiny wiatrowe są obiecujące, ale tylko na terenach niezamieszkałych (podczas pracy taka instalacja zasysa do rury nie tylko małe obiekty, ale także duże zwierzęta). Instalacje te otoczone są specjalną siatką ochronną, a układ sterowania znajduje się w odpowiedniej odległości.
Żagiel turbo
Eksperci pracują nad stworzeniem specjalnego urządzenia do uszczelniania wiatru - dyfuzora (uszczelnienie energii wiatru). Przez rok turbinie wiatrowej tego typu udaje się „złapać” 4-5 razy więcej energii niż konwencjonalna. Dużą prędkość obrotową śmigła uzyskuje się za pomocą dyfuzora. W jej wąskiej części przepływ powietrza jest szczególnie szybki, nawet przy stosunkowo słabych wiatrach.
Turbina wiatrowa z dyfuzorem
Jak wiadomo, prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością, co stwarza korzystniejsze warunki do użytkowania turbin wiatrowych. Latawce zostały wynalezione w Chinach około 2300 lat temu. Pomysł wykorzystania latawca do podnoszenia turbiny wiatrowej na wysokość jest stopniowo wdrażany.
Latająca turbina wiatrowa
Szwajcarscy projektanci firmy Etra zaprezentowali nowy projekt latawców nadmuchiwanych, które mogą unieść do 100 kg przy wadze skrzydła 2,5 kg. Mogą być używane do montażu na statkach oraz do podnoszenia turbin wiatrowych na duże wysokości (do 4 km). W 2008 roku podobny system był testowany podczas rejsu kontenerowca Beluga SkySails z Niemiec do Wenezueli (oszczędności paliwa wyniosły ponad 1000 USD/dobę).
Beluga SkySails
Na przykład w Hamburgu firma Beluga Shipping zainstalowała taki system na statku do przewozu ładunków suchych z silnikiem Diesla Beluga SkySails. Latawiec w formie paralotni o wielkości 160 m2 unosi się w powietrze na wysokość 300 m dzięki sile nośnej wiatru. Paralotnia podzielona jest na komory, do których na polecenie komputera sprężone powietrze jest doprowadzane elastycznymi rurkami. Beluga SkySails do 2013 roku wyposaży w taki system około 400 statków towarowych.
Wiatrołapy „Wietrołow”
Ciekawym rozwiązaniem jest konstrukcja wiatrownicy Vetrolov. Obrotowy korpus generatora jest dość długi (około 0,5 m), w środkowej części (w odstępie od kołnierza generatora do łopatek) znajduje się mechanizm składania łopatek. W zasadzie jest podobny do mechanizmu otwierania parasola automatycznego, a pióra przypominają skrzydło lotni. Aby ostrza nie opierały się o siebie podczas składania, osie ich mocowania są nieco przesunięte. Cztery ostrza (przez jedno) wchodzą do wewnątrz, a cztery - na zewnątrz. Po złożeniu powierzchnia oporu czołowego turbiny wiatrowej zmniejsza się prawie czterokrotnie, a współczynnik oporu aerodynamicznego – prawie dwukrotnie.
W górnej części podpory turbiny wiatrowej montowany jest „rocker” z pionową osią obrotu. Na jednym końcu znajduje się generator wiatrowy, a na drugim przeciwwaga. Przy słabym wietrze turbina wiatrowa jest podnoszona za pomocą przeciwwagi nad górną kreską podpory, a oś turbiny wiatrowej jest pozioma. Gdy wiatr wzmaga się, ciśnienie na koło wiatrowe rośnie i zaczyna spadać, obracając się wokół osi poziomej. Działa więc inny system „ucieczki” przed silnymi wiatrami. Konstrukcja umożliwia zabudowę wahaczy tak, aby turbiny wiatrowe były instalowane jedna po drugiej. Okazuje się, że jest to rodzaj girlandy z identycznych modułów, które przy słabym wietrze stoją jeden nad drugim, a przy silnym wietrze opadają, „chowając się” w „cieniu wiatru” koła wiatrowego. Zawiera również możliwość dostosowania systemu do obciążenia zewnętrznego.
Turbina wiatrowa Eolic
Projektanci Marcos Madia, Sergio Oashi i Juan Manuel Pantano opracowali przenośną turbinę wiatrową Eolic. Do wykonania urządzenia użyto wyłącznie aluminium i włókna węglowego. Po złożeniu turbina Eolic ma długość około 170 cm, aby wydobyć Eolic ze stanu złożonego, potrzeba 2-3 osób, a proces ten zajmie 15-20 minut. Ta turbina wiatrowa może być złożona do przenoszenia.
Designerska turbina wiatrowa Revolution Air
Obecnie istnieje wiele projektów i zmian konstrukcyjnych. W ten sposób francuski projektant Philippe Starck stworzył turbinę wiatrową Revolution Air. Projekt projektanta turbiny wiatrowej nosi nazwę „Demokratyczna Ekologia”.
Kula energii turbiny wiatrowej
Międzynarodowa grupa projektantów i inżynierów Home-energy zaprezentowała swój produkt - turbinę wiatrową Energy Ball. Główną cechą nowości jest ułożenie na niej ostrzy zgodnie z rodzajem kuli. Wszystkie są połączone z wirnikiem na obu końcach. Gdy wiatr przez nie przechodzi, wieje równolegle do wirnika, co zwiększa sprawność generatora. Energy Ball może działać nawet przy bardzo niskich prędkościach wiatru i wytwarza znacznie mniej hałasu niż konwencjonalne turbiny wiatrowe.
Generator wiatrowy Tretiakow
Unikalna turbina wiatrowa została stworzona przez projektantów z Samary. W środowisku miejskim jest tańszy, bardziej ekonomiczny i mocniejszy niż jego europejskie odpowiedniki. Generator wiatrowy Tretyakov to wlot powietrza, który wyłapuje nawet stosunkowo słabe prądy powietrza. Nowość zaczyna generować użyteczną energię już przy prędkości 1,4 m/s. Ponadto nie ma potrzeby kosztownej instalacji: urządzenie można postawić na budynku, maszcie, pomoście itp. Ma wysokość 1 mi długość 1,4 m. Sprawność jest stała - około 52%. Moc aparatury przemysłowej wynosi 5 kW. W odległości 2 m hałas z farmy wiatrowej wynosi mniej niż 20 dB (dla porównania: hałas wentylatorów wynosi od 30 do 50 dB).
Windtronics
Amerykańska firma Wind Tronics z Michigan opracowała kompaktową turbinę wiatrową do użytku w prywatnych gospodarstwach domowych. Deweloperem technologii jest Wind Tronics, a gigant produkcyjny Honeywell uruchomił produkcję turbin wiatrowych. Projekt ma być przyjazny dla środowiska.
W tym urządzeniu zastosowano bezprzekładniowy wirnik turbiny Blade Tip Power System (BTPS), który pozwala turbinie pracować w znacznie szerszym zakresie prędkości wiatru, jednocześnie zmniejszając opór mechaniczny i masę turbiny. Wind Tronics zaczyna kręcić się przy prędkości wiatru zaledwie 0,45 m/s i działa skutecznie do prędkości 20,1 m/s! Z obliczeń wynika, że taka turbina wytwarza energię elektryczną średnio o 50% częściej i dłużej niż tradycyjne turbiny wiatrowe. Nawiasem mówiąc, automatyczny sprzęt z podłączonym do niego anemometrem stale monitoruje prędkość i kierunek wiatru. Po osiągnięciu maksymalnej prędkości roboczej turbina po prostu obraca się w kierunku wiatru w opływowym kierunku na boki. Automatyka systemu natychmiast reaguje na marznący deszcz, który może powodować oblodzenie. Technologia została już opatentowana w ponad 120 krajach.
Na całym świecie rośnie zainteresowanie małymi turbinami wiatrowymi. Wiele firm pracujących nad rozwiązaniem tego problemu odniosło spore sukcesy w tworzeniu własnych pomysłowych rozwiązań.
Optiwind 300
Optiwind produkuje oryginalne turbiny wiatrowe Optiwind 300 (300 kW, koszt - 75 tys. euro) i Optiwind 150 (150 kW, koszt - 35 tys. euro). Przeznaczone są do zbiorowego oszczędzania energii na wsiach i w gospodarstwach (rys. 12). Główną ideą jest zbieranie energii wiatru przez spiętrzone konstrukcje z kilku turbin na przyzwoitej wysokości. Optiwind 300 jest wyposażony w 61-metrową wieżę, platforma akceleratora ma 13 metrów średnicy, a średnica każdej turbiny wynosi 6,5 metra.
GEDAYC
Konstrukcja turbiny GEDAYC ma nietypowy wygląd (rys. 13). Niska waga pozwala turbinie na sprawne obracanie generatora przy prędkości wiatru 6 m/s. Nowa konstrukcja ostrza wykorzystuje zasadę podobną do „systemu” latawca. Turbiny GEDAYC zostały już zainstalowane na trzech turbinach wiatrowych o mocy 500 kW, które zasilają wyrobiska kopalni. Montaż turbin GEDAYC oraz ich próbna eksploatacja wykazały, że dzięki nowej konstrukcji turbiny są lżejsze, łatwiejsze w transporcie i łatwiejsze w utrzymaniu.
Honeywell
Firma Earth Tronics opracowała nowy typ „domowej” turbiny wiatrowej Honeywell. System umożliwia generowanie prądu na czubkach łopatek, a nie na osi (jak wiadomo, prędkość obrotu końców łopatek jest znacznie wyższa niż prędkość obrotu osi). Tym samym turbina Honeywell nie wykorzystuje przekładni i generatora, jak w konwencjonalnych turbinach wiatrowych, co upraszcza konstrukcję, zmniejsza jej wagę oraz próg prędkości wiatru, przy której generator wiatrowy zaczyna generować energię elektryczną.
W Chinach uruchomiono pilotażowy projekt turbiny wiatrowej z lewitacją magnetyczną. Zawieszenie magnetyczne pozwoliło zmniejszyć początkową prędkość wiatru do 1,5 m/s, a tym samym zwiększyć całkowitą moc generatora o 20% w ciągu roku, co powinno obniżyć koszt wytworzonej energii elektrycznej.
Turbina Maglev
Firma Maglev Wind Turbine Technologies z siedzibą w Arizonie zamierza produkować turbiny wiatrowe Maglev Turbine o osi pionowej o maksymalnej mocy 1 GW. Egzotyczny model turbiny wiatrowej wygląda jak wieżowiec, ale w stosunku do swojej mocy jest niewielki. Jedna turbina Maglev może dostarczyć energię do 750 tys. domów i obejmuje obszar (łącznie ze strefą wyłączenia) około 40 hektarów. Ta turbina została wynaleziona przez wynalazcę Eda Mazura, założyciela firmy MWTT. Turbina Maglev unosi się na lewitacji magnetycznej. Główne elementy nowej jednostki znajdują się na poziomie gruntu i są łatwiejsze w obsłudze. W teorii nowa turbina pracuje normalnie zarówno przy ekstremalnie słabych wiatrach, jak i przy bardzo silnych (powyżej 40 m/s). W pobliżu swoich turbin firma zamierza otworzyć ośrodki naukowo-dydaktyczne.
Badając dziedzictwo twórcze genialnego rosyjskiego inżyniera Władimira Szuchowa (1853-1939), specjaliści Inbitek-TI zwrócili uwagę na jego pomysły wykorzystania hiperboloidów prętów stalowych w architekturze i budownictwie.
Turbina wiatrowa typu hiperboloidowego
Potencjał takich struktur nie został dziś w pełni zbadany i zbadany. Wiadomo również, że Szuchow nazwał swoją pracę z hiperboloidami „badaniami”. Na podstawie jego pomysłów pojawił się rozwój rotacyjnych generatorów wiatrowych o zupełnie nowej konstrukcji. Taka konstrukcja pozwoli na odbiór energii elektrycznej nawet przy bardzo małych prędkościach wiatru. Do startu ze stanu spoczynku wymagana jest prędkość wiatru 1,4 m/s. Osiąga się to dzięki wykorzystaniu efektu lewitacji wirnika turbiny wiatrowej. Generator wiatrowy tego typu jest w stanie rozpocząć pracę nawet przy wznoszących się prądach powietrza, co zwykle ma miejsce w pobliżu rzeki, jeziora lub bagna.
Mobilna turbina wiatrowa
Kolejny ciekawy projekt – generator wiatrowy Mobile Wind Turbine – został opracowany przez projektantów z pracowni Pope Design (rys. 17). Jest to mobilna turbina wiatrowa oparta na ciężarówce. Mobilna Turbina Wiatrowa potrzebuje tylko operatora-kierowcy do działania. Ta turbina wiatrowa może być wykorzystywana na obszarach klęsk żywiołowych, podczas reagowania kryzysowego oraz przy odbudowie infrastruktury.
WNIOSEK
Obecny stan energetyki wiatrowej, proponowane projekty i rozwiązania techniczne dla generatorów wiatrowych oraz „uszczelek wiatrowych” pozwalają niemal wszędzie tworzyć mini elektrownie wiatrowe do użytku prywatnego. Próg prędkości „uruchamiania” turbiny wiatrowej jest znacznie obniżony ze względu na postęp techniczny, zmniejsza się również waga i wymiary turbiny wiatrowej. Pozwala to na eksploatację elektrowni wiatrowych w domu.
Svetlana KONSTANTINOVA, kandydat nauk technicznych, profesor nadzwyczajny BNTU