В качестве исторического факта напомним, что в СССР первая ветроэлектрическая установка (ВЭУ) была построена в 1931 г. около Балаклавы в Крыму. В ней использовался асинхронный генератор на 600 об/мин., мощностью 125 кВт. Генератор соединялся с повышающим трансформатором и затем ток подавался на воздушную линию напряжением 6 кВ. (В 1941 г. при оккупации Крыма фашистами ВЭУ была разрушена.)
В ВЭУ промышленного производства обычно используются винтовые пропеллерные двигатели. В сравнении с роторными они имеют более высокий КПД. Производство винтовых двигателей значительно сложнее. Поэтому для самодельного изготовления рекомендуются именно роторные двигатели. Схема роторной ветроэлектроустановки показана на рис. 1.
Очень важно запомнить, что ротор должен быть поднят достаточно высоко, чтобы он оказался в зоне свободного ветра и выше зоны завихрений от обтекаемых ветром строений не менее, чем на 3—4 м над землей. Высоко поднятая над землей ветроустановка попутно выполняет функцию молниеотвода, что немаловажно в сельской местности.
В конструкции В. Самойлова ротор состоит из 4 лопастей, что сделано для более равномерного вращения.
Ротор — наиболее важная часть ве троустановки. От его формы и размера лопастей зависят мощность и скорость вращения вала ветродвигателя. Чем больше общая поверхность лопастей, образующих ометаемую поверхность, тем меньше число оборотов ротора.
Вращение ротора происходит за счет аэродинамической несимметричности. Набегающий поперек оси ротора поток ветра соскальзывает с выпуклой стороны лопасти и попадает на противоположный карман лопасти. За счет разности давлений на выпуклую и вогнутую поверхности создается тяга, которая и раскручивает ротор. У такого ротора большой крутящий момент. Ротор диаметром 1 м по мощности соответствует трехлопастному пропеллеру диаметром 2,5 м.
Роторные ветродвигатели работают значительно стабильнее в условиях резких колебаний ветра, чем винтовые. Роторы тихоходны, действуют при любом направлении ветра, но развивают всего 200—500 об/мин.
Роторные ветроколеса от сильного порыва ветра в разнос не идут От повышения количества оборотов асинхронного генератора на выходе напряжение не растет. Поэтому в этом материале автоматическое изменение угла лопастей ротора в зависимости от скорости ветра не рассмотрено.
Известны различные виды роторных ветроколес на вертикальном валу. Назовем некоторые из них.
1. Четырехлопастное роторное колесо — тихоходное с КПД до 15%к (рис. 2).
2. Двухъярусное роторное ветроколесо (рис. 3). Оно проще, обладает более высоким КПД (до 19%) и развивает большее число оборотов, чем четырехлопастное. При этом необходимо увеличивать диаметр вала для сохранения прочности и жесткости установки.
3. Ветроколесо Савониуса (рис. 4, в). Оно развивает меньшее число оборотов, чем двухлопастное колесо. Коэф фициент использования ветровой энергии не превышает 12%. В основном применяется для привода поршневых насосов.
4. Карусельное ветроколесо (рис. 4, а, б) — самая простая конструкция. Это ветроколесо развивает малые обороты, имеет низкую удельную мощность. КПД его — до 0,1.
Слово В. Самойлову из Чувашии, который построил свою ВЭУ по первому варианту (см. рис. 2).
Сделать лопасти ротора ВЭУ можно из 100, 200 или 500-литровой железной бочки (рис. 5). Бочку разрезают шлифмашинкой. Резка сваркой недопустима: от температуры коробится металл. Борта вырезанной лопасти усиливают, приваривая к ним прутки арматуры или катанки ∅6—8 мм.
Лопасти 1 ротора крепятся к двум крестовинам 2 болтами М12...М14 (см. рис. 2). Верхняя крестовина изготавливается из листовой стали толщи ной 6...8 мм. Между бортом каждой лопасти и валом ротора необходимо оставлять зазор 150 мм. Нижнюю крестовину изготавливают более прочной, так как весь вес лопастей приходится на нее. Для ее изготовления берется швеллер с высотой стенки 50—60 мм и длиной не менее 1 м, зависящей от применяемой лопасти (бочки).
Строительная часть и главный вал
(см. рис. 1). К стойке 6, сделанной из швеллера, приварена рама из уголков для закрепления генератора 8. Нижний конец стойки приварен к угольнику, забитому в землю.
Вал 3 ротора лучше делать из двух частей — для удобства расточки его концов под подшипники. Подшипники 4 в корпусах (буксах), согласованных по размерам с валом, закрепляются на стенке швеллера на болтах. Части вала ротора соединяют между собой с помощью муфты сваркой или на шпонке. Диаметр вала 35—50 мм.
К стойке, к одной из полок швеллера, приварены куски труб ∅20 мм и длиной 500 мм в качестве ступеней лестницы Стойка забита в землю на глубину не менее 1200 мм и закреплена для устойчивости и предотвращения качки 4-мя растяжками.
Для защиты от ржавчины ВЭУ красят алюминиевой пудрой, замешанной на олифе.
Электросхема
В домашних условиях для изготовления ВЭУ проще использовать электросистему автомобиля (рис. 6 и 7) или трактора. В зависимости от ее мощности определяются эксплуатационные возможности всей ВЭУ. Поэтому следует использовать электроузлы достаточно мощной автомашины, автобуса или трактора. Только нужно учесть, что заимствовать такие узлы следует комплектно: генератор, реле-регулятор, аккумулятор. К примеру для генератора Г 250-Г 1 подойдут реле-регуля тор РР 362 и аккумулятор 6 СТ 75.
Если ВЭУ комплектуется автогенератором на 24 В, то лучше его брать марки Г-228 (мощность 1000 Вт). У этих генераторов в комплекте более надежное реле напряжения (по сравнению с интегральными регуляторами напряжения марки Я-120).
Получаемое с автогенератора постоянное напряжение 12 В не совсем удобно для освещения, ибо приходится рассчитывать на специфику цоколей автолампы и соответствующих патронов. Хотя лампочки на 12 В имеются и с обычным цоколем Ц-27, но их трудно раздобыть.
Для перехода от постоянного тока к переменному изготавливают преобразователь напряжения В случае необходимости переменный ток легко превращать в постоянный через мостовой выпрямитель. Преобразователь мощностью 100 Вт (рис. 8) позволяет включать 2 лампочки накала или дневного света по 40 Вт на 220 В. Схема преобразователя очень проста. Он не нуждается в настройке, надежен в работе и имеет большой КПД (более 80%).
Транзисторы Т1 и Т2 — типа П210 Б. (Можно заменить их на транзисторы типа КТ 825 Г, Д, Е.) Соединяют транзисторы параллельно по 2 шт. и устанавливают на теплоотводящих радиаторах.
Трансформатор имеет площадь сечения сердечника 6 см2. Обмотка 1 — 26X2 витков провода ПЭВ-2 1,56; обмотка 2 — 140x2 витков провода ПЭВ-2 0,44, обмотка 3 — 640 витков провода ПЭВ-1 0,27 мм.
Частоту преобразователя (800—1000 Гц) регулируют резисторами R2 и R3. При отсутствии возбуждения преобразователя плечи обмотки II (обратной связи) следует поменять местами.
Аккумулятора емкостью 75 А ч без зарядки хватает на 24 часа работы преобразователя.
В техническом отношении более высокий уровень решения достигается применением генератора переменного тока — трехфазного или однофазного, например, ГАБ-4-0/230 или ОМ-3. Может быть также использован асинхронный электродвигатель, требующий соответствующей переделки (см. статью В. Самойлова).
Бесперебойное и круглосуточное электроснабжение от ВЭУ невозможно. Это зависит от наличия ветра и его скорости. Для обеспечения бесперебойности электропитания применяют аккумуляторные батареи или резервные бензиновые двигатели для привода генератора.
Передача
Необходимо учитывать, что ротор ВЭУ имеет невысокое число оборотов. С другой стороны, надо принять во внимание, что используемые для ВЭУ генераторы требуют довольно высокого числа оборотов. В связи с этим возникает необходимость ускоряющей передачи. В достаточно типичном случае требуется передаточное число от 1:5 до 1:8. Применительно к конкретным возможностям изготовителя его следует уточнить. Для этого сначала надо изготовить роторную часть и замерить ее число оборотов; требуемое число оборотов генератора обычно помещается на прикрепленной к статору табличке; автомобильные генераторы устойчиво работают при числе оборотов не менее 1500...2000 об/мин.
В качестве ускоряющей передачи (мультипликатора) можно взять какой-либо редуктор. Однако, нужно иметь в виду, что при таком применении редуктора его надежность (и долговечность) может быть значительно ниже, чем при обычном его использовании для понижения числа оборотов. В связи с этим обращается внимание на то, что для самодельщика удобнее использовать клиноременную передачу по типу автомоторных, которая (поз. 7 на рис. 1), следовательно, должна выполнять две функции: увеличить (как это объяснено выше) скорость вращения до пригодной для привода генератора и передать вращение от вертикального вала (поз. 3 рис. 1) ветродвигателя к горизонтальному валу генератора.
В качестве такой передачи вполне подходит клиноременная от привода автотракторных генераторов. Она позволяет реализовать угловую передачу вращения: в виде так называемой полуперекрестной передачи (рис. 9).
При реализации такого варианта передачи нужно учесть некоторые особенности клиноременной передачи: ручьи шкивов по своей геометрии должны обеспечить удовлетворительные условия работы ремней. Это касается и угла клина 40°, и прилегания ремней к ручьям по их основным коническим поверхностям (зазора по внутреннему цилиндру ручьев).
Конструкция опор шкивов должна регулировать натяжение ремней (в автотракторных генераторах предусмотрена такая регулировка в их креплении). В клиноременной передаче, во избежание снижения ее работоспособности, не следует увлекаться увеличением передаточного числа, в связи с чем передачу лучше делать двухступенчатой. К примеру, в тихоходной передаче (полуперекрестной) передаточное число должно быть не более 1,5...2; остальное потребное передаточное число можно реализовывать в быстроходной передаче.
При такой двухступенчатой передаче необходимо предусмотреть регулирование натяжения ремней в каждой передаче, имея в виду последовательное регулирование натяжения: сначала в тихоходной передаче, затем в быстроходной.
При выборе размеров шкивов нужно исходить из своих возможностей. Быстроходная передача (на шкив генератора) обычно определяется принятым генератором, если он на своем валу уже имеет шкив (как в автотракторной технике). В этом случае применяют соответствующий ремень — размеры парного шкива определяются сечением этого ремня. Конструкция тихоходной передачи определяется размерами имеющегося ремня — именно ее делают полуперекрестной и, в связи с этим, ограничивают передаточное число. Здесь лучше использовать более тяжелый ремень, чем в быстроходной передаче (автомобильной).
Для ориентации тем, кто захочет построить такую ВЭУ, приводим основные рекомендации. Сечения ремня машиностроительного применения разбиты по группам: О, А, Б, В, Г, Д, Е (ширина ремня от 8,5 до 42 мм). Для ВЭУ при диаметре меньшего шкива от 125...200 мм пригодны сечения А и Б. Длина располагаемого ремня определяет размеры тихоходной передачи.
Журнал «САМ» №3, 1995 год
