Справжній вітрогенератор - це занадто дорого в тому випадку, якщо його планується використовувати для вирішення простих домашніх завдань, що не вимагають великої потужності. Якщо все, що потрібно - це трохи енергії для LED-освітлення або для проекту, заснованого на Raspberry Pi Zero, це якось непропорційно досить серйозним грошей, які доведеться заплатити навіть за невеликий вітряк. Те ж стосується і шкільних експериментів, час і гроші, що йдуть на організацію яких, зазвичай намагаються звести до мінімуму. Школи часто обмежені в коштах.
Завдяки цьому матеріалу ми дізнаємося про те, як створити власний маленький вітрогенератор. Робити ми його будемо з велосипедних запчастин і з того, що можна купити в будівельному магазині. Вартість проекту знаходиться десь в районі $ 80-150. На створення генератора піде 8-16 годин. При вітрі, який трохи сильніше «слабкий вітер» за шкалою Бофорта, наш генератор здатний дати близько 1 вата потужності. Цього достатньо для того щоб зарядити невелику батарею, а значить, енергія у нас буде і в безвітряну погоду.
Описувана тут маленька вітряна турбіна - це, по суті, експериментальний проект, в ході роботи над яким можна освоїти основи вертоенергетікі.Ету турбіну можна назвати абсолютно надійним джерелом енергії. Не варто чекати від неї чудес! Крім того, враховуйте, що сильний вітер небезпечний для нашої турбіни. Ця машина не розрахована на нормальну роботу при такому вітрі. Він її, швидше за все, зруйнує. Тому турбіну варто прибирати в погану погоду. Зокрема, потрібно враховувати те, що її уламки, що носяться вітром, можуть кого-небудь поранити.
На відміну від типових комерційних турбін з горизонтальною віссю обертання, що оснащуються трьома лопатями, закріпленими на горизонтальному валу, в нашому проекті використовується вертикальний вал ротора. Це позбавляє нас від необхідності в механізмі, що враховує напрямок вітру, і значною мірою знижує проект турбіни. Наш генератор, по суті, являє собою велосипедне колесо, змонтоване на вертикальній стійці, яке пов'язане з електричним генератором. У ролі лопатей ротора використовуються вісім «напівтруби», вирізаних з дешевих пластикових (PVC) каналізаційних труб і прикріплених до обода колеса.
Турбіна починає обертатися при досягненні вітром сили, приблизно відповідної 2 балами (близько 6 км / ч) за шкалою Бофорта (дивіться таблицю нижче). Якщо сила вітру досягає 5 за шкалою Бофорта (близько 30 км / ч), турбіна дає близько 1 вата потужності (по нашим вимірам - 147 мАг при 6,7 В).
Шкала Бофорта (за матеріалами Вікіпедії)
Шкала сили (швидкості) вітру, використовувана в наші дні, розроблена в 18 столітті британським моряком Сером Френсісом Бофортом (1774 - 1857). Але його не можна назвати першим, хто доклав зусиль до створення подібної шкали. Шкалою Бофорта передували інші роботи, зокрема, що характеризують силу вітру по його впливу на лопаті вітряків (інженер Джон Смітон, 1759). У тому ж напрямку працював британський географ і гідрограф Олександр Далрімпл (1737 - 1808). Ще більш ранні шкали сили вітру створені астрономом Тихо Браге (один тисяча п'ятсот вісімдесят дві), натуралістом Робертом Гуком (+1663) і Даніелем Дефо (1704) - купцем, бунтівником, шпигуном і автором «Робінзона Крузо». У 1829 році Френсіс Бофорт був призначений гидрографом Британського Адміралтейства і передав свою шкалу всім, кому вона могла знадобитися. З тих пір шкала Бофорта стала стандартним інструментом для вимірювання сили вітру.
Матеріали і інструменти
матеріали:- Переднє велосипедне колесо діаметром 28 дюймів і електричний генератор. Я купив новий генератор на eBay за € 40, але в Європі часто зустрічаються старі генератори. У США можна знайти такий на eBay, а можна купити дешеву динамо-втулку Shimano і встановити її в старе колесо.
- 2 4-дюймові PVC-труби (умовний прохід труби - 110 мм) довжиною 2 метри. Я використовував тонкостінні труби, але те, якими саме вони будуть, особливої ролі не грає.
- 16 кріпильних гвинтів з гайками і з великими шайбами. Довжина і діаметр гвинтів залежать від характеристик обода колеса.
- Сталева водопровідна оцинкована труба діаметром 1 1/2 дюйма з різьбленням по обох кінцях. Її довжина (висота щогли вітряка) підбирається самостійно і залежить від умов, в яких доведеться працювати генератору.
- Сталева трубопровідна арматура для водопровідної труби 1 1/2 дюйма. Торцева заглушка (вона абсолютно необхідна) і трійник (необов'язково).
- Повишающе-понижуючий (buck-boost) перетворювач напруги DC-DC, такий, як Mesa # DSN6009 4 A. Я рекомендую перетворювач з вихідною потужністю 30 Вт.
- 2 електролітичних конденсатора, потужність 2200 мкф, як мінімум 12 В.
- Мостовий випрямляч. Мінімум - 500 мА.
- Діод 1N4007.
- Термоусаджувальні трубки або ізоляційна стрічка.
- Дротові троси і гвинти з петлями (необов'язково). Все це може знадобитися для фіксації щогли.
- Мішок цементу (необов'язково). Може знадобитися для кріплення щогли.
Інструменти:
- Ножівка або електролобзик для різання тонких PVC-труб.
- Дриль із свердлами для пластику та металу.
- Викрутка і / або гайковий ключ і комплект насадок, придатних для використовуваних гвинтів, гайок, болтів.
- Паяльник і припой.
Робимо вітрогенератор з велосипедного колеса
Почнемо роботу над вітрогенератором. Ми будемо користуватися щоглою, зробленої із сталевого водопровідної труби, яка, можливо, буде закріплена в землі за допомогою бетону. Приймаючи рішення про висоту щогли і про спосіб її кріплення варто почитати місцеві закони. Можливо, в залежності від умов експлуатації генератора, щоглу знадобиться закріпити з використанням розтяжок.
▍1. Вирізання лопатей турбіни
Ми використовували тонкостінні каналізаційні PVC-труби (Рис. A). У Німеччині, де я живу, такі труби пофарбовані в оранжевий колір, в Північній Америці такі труби зазвичай білого кольору.
Ми, з використанням пилки, можемо вирізати 4 лопаті з однієї двометрової труби (Рис. B). Нам потрібно 8 лопатей. Постарайтеся різати труби точно по центру. В ідеалі всі лопаті повинні мати однакову вагу.
▍2. Прикріплення лопатей до генератора
В ролі генератора ми використовуємо велосипедне колесо (обід) з закріпленим у ньому генератором (Рис. C). Найкраще підходять колеса з алюмінієвим ободом, так як їх легше свердлити. Якщо ви взяли колесо від старого велосипеда - не забудьте зняти з нього шину, камеру і гальмівні диски.
Прикріпіть до колеса лопаті так, як показано на Рис. D, використовуючи 2 гвинта, гайки і великі шайби. Лопаті повинні бути розподілені по обіду рівномірно (можливо, вам в цьому допоможе підрахунок кількості спиць між лопатями) і вирівняні по центру обода.
▍3. збірка щогли
Щоглу ми будемо робити з оцинкованої сталевої водопровідної труби з різьбленням на обох кінцях. У торцевій заглушці (Рис. E) треба просвердлити 9-міліметровий отвір і прикрутити колесо до заглушки, пропустивши через цей отвір вісь генератора з різьбленням (Рис. F нижче). Після того, як щогла буде надійно закріплена (!), Можна прикрутити до неї заглушку.
У справі надійної установки щогли може стати в нагоді трійник, прикручений до тієї частини труби, яка буде закріплена в землі і залита бетоном. Трійник дозволить надійно зафіксувати щоглу в бетоні. При цьому вага бетону повинен бути досить великим для того щоб підтримувати і фіксувати щоглу. Вся конструкція повинна бути надійно закріплена. В результаті, якщо очікується буря, можна просто відкрутити нижню частину щогли від бетонної основи і прибрати турбіну в безпечне місце.
Не варто недооцінювати силу, з якою вітер впливає на навколишні предмети. Ця сила зростає пропорційно кубу (третього ступеня) швидкості вітру! Тому, якщо потрібно, зафіксуйте щоглу з допомогою розтяжок.
▍4. Збірка електронних компонентів
Наша вітроелектростанція розрахована на зарядку свинцево-кислотного акумулятора за допомогою струму, що генерується динамо-машиною. Використовуваний нами електрогенератор виробляє змінний струм, який ми перетворимо в імпульсний постійний струм, використовуючи мостовий випрямляч. Цей струм, для його згладжування, передається на два електролітичні конденсатори ємністю 2200 мкф.
Згладжений постійний струм потім подається на повишающе-понижуючий перетворювач (на eBay він коштує приблизно $ 10), який використовується в ролі регулятора зарядки акумулятора. Він перетворює вхідну напругу, яка була в діапазоні від 1,25 до 30 В, в заданий постійна напруга. Ми встановимо вихід конвертера на 0,7 вольта вище кінцевого струму заряду акумулятора (для компенсації прямого напруги діода). Діод 1N4007 потрібен для того щоб запобігти зворотний хід струму від акумулятора до конвертер.
Наприклад, 6-вольта свинцево-кислотний акумулятор має струм зарядки 7,2 В. З огляду на необхідність додавання прямого напруги діода, яке дорівнює 0,7 В, конвертер потрібно встановити на вихідну напругу в 7,9 В.
Електричне навантаження (це може бути що завгодно, наприклад - світлодіод) буде підключена до виходів акумулятора. Зважайте на те, що це навантаження повинна підтримувати вихідна напруга, встановлене на конвертері. Сам генератор може бути здатний дати лише невеликий струм, а батарея може видати кілька ампер. Наслідки короткого замикання можуть бути дуже сумними (може трапитися пожежа). Для того щоб запобігти нещасним випадкам, потрібно, незалежно від того, що саме ви підключаєте до вітрогенератору, вживати відповідних заходів безпеки.
Штормове попередження!
Після того, як електронні компоненти генератора зібрані, все готово до того, щоб перетворити силу вітру в електроенергію! Тепер перед вами розкриваються можливості власника вітрогенератора.
Наш генератор, правда, це всього лише експериментальний пристрій, недорога практична демонстрація принципів роботи вітряних турбін, яка може знайти застосування, наприклад, в школах. Ця турбіна не розрахована на роботу при сильному вітрі. Коли турбіна не використовується, або якщо сила вітру перевищує 6 за шкалою Бофорта, всю конструкцію потрібно розібрати і куди-небудь заховати.
Велосипедне колесо і лопаті з труб не розраховані на постійне використання, особливо - при сильному вітрі. Ви можете самі посилити конструкцію в тому випадку, якщо хочете, щоб вітрогенератор працював би на постійній основі. (Правда, треба сказати, що моя конструкція виявилася міцніше, ніж я очікував. Я залишив її в саду і вона працювала там за любої погоди - до тих пір, поки не вийшла з ладу одна з розтяжок. Тоді щогла впала і вийшла з ладу одна з лопатей турбіни.)
Якщо вас цікавить тема вітрогенераторів - можете поглянути на цей матеріал і подивитися це відео. Ви можете подивитися на цей сайт, присвячений генератору Chispito. Ось і ось - ще пара корисних ресурсів.
І ще варіанти: