Вертикальный ветрогенератор.*

1. Для кого?

Ветряк карусельного типа с выработкой электроэнергии предназначен для владельцев дач, частных домов, теплиц(стационарный), охотников и туристов(походный складной).

2. Предупреждение.

Если ты не готов понять, что на ветре до трёх метров в секунду(3 м/с) очень трудно получить сотню(100)Ватт - скорее десять(10) Ватт максимум, то закрой эту страницу и никогда, слышишь, никогда больше её не открывай.

Тем, кто остался, достаточно знать, что даже ОДИН Ватт мощности, полученный тёмной зимней ночью или дождливым осенним вечером, без затрат мускульной силы - ценен. Особенно если обычная розетка не радует наличием электричества.

При ветре от пяти до десяти метров в секунду реально получить до киловатта, зависит от конструкции.
Когда ветер стабильно в диапазоне 10-25 м/с - у владельца ветряка наступает катарсис. Потому как это лучший диапазон для получения энергии.

Такой лафы в большинстве случаев ждать не приходится, поэтому выжимаем все соки из малых ветров(1-5 м/с), радуемся нормальным(5-25 м/с), учитываем ураганные(25+ м/с) и их последствия.

Оглавление.

1.  Для кого?

2.  Предупреждение.

3.  Размышления...

       3.1  Фокус внимания.

4.  "Нормальные герои всегда идут в обход!"(с)

      4.1  Вид сверху на ветрогенератор.

      4.2  Реализации задуманного - от других.

5.  "Взялся за гуж, не говори, что не дюж!"(с)

      5.1  Список материалов и инструментов.

      5.2  Изготовление ротора ветроустановки.

      5.3  Неодимовые магниты.

      5.4  Ручной станок для намотки катушек.

6.  Беседка\гараж\летняя кухня\мастерская.

      6.1  Правильное нежилое строение.

      6.2  Про вихревые потоки.

3. Размышления...

Когда стал задумываться о получении тихой электроэнергии "без шума и пыли"(с), в отрыве от столбовой розетки, на ум пришло несколько вариантов(и как они работают)

• Солнечные панели(СП) - занимают немало места, если брать размерность в киловаттах.
  Пока есть солнечный свет, с оптимальным углом падающий на поверхность.
• Ветроустановка(ВУ) вертикальная, наращиваемая, тихоходная - на плоской поверхности или мачте.
  При наличии ветра - круглосуточно.
• Ветроустановка парусная(ВУП) горизонтальная, тихоходная, диаметром от трёх метров на мачте.
  То же самое.
• Термоэлектрогенератор(ТЭГ) на термопарах(печка, солнечный концентратор).
  Пока печка вырабатывает тепло либо есть энергия пучка солнечных лучей.
• Генератор из велотренажёра(ГВТ) или закреплённого стационарно велосипеда(бункер).
  Педали крутятся - электричество есть. Устал - электричество кончилось, если не запасено.
• Гидроэлектростанция(ГЭС) небольшая, на перепаде высот.
  Пока течёт вода.
• Холодный ядерный синтез(ХЯС).
  Без комментариев.

Синтез, гидро, вело и термо решил пока не отрабатывать, хоть два последних и возможны "на коленке"(с).
Парус своими размерами, мачтой и поворотным механизмом, следующим за ветром - пугает сразу.

В то же время, панели солнечные и ветряк разумных размеров, должны неплохо дополнять друг друга, что подтверждает скриншот из презентации с профильного сайта, где производят и продают вертикальные ветроустановки на киловаттные мощности:

Путём заказа готового можно пойти при наличии лишних денег или при закупке для компании, но не среднему владельцу шести соток.
Ошибки в виде "показано энергия" спишем на неграмотность отдела рекламы.

Также обратил внимание на график у самой мощной продаваемой конструкции(1600-4), которая без проблем держит 50 м/с:

Там всего 100 Ватт получается при ветре 3 м/с, если ставить именно такую конструкцию, 1600 Ватт при 10 м/с, дальше - ещё больше: 5000 Ватт - при 14 м/с, на сильных ветрах график не показан, но там тоже должно быть интересно.
Неслабый такой разброс мощности, не так ли?

Конструкторов этой фирмы понять можно - они делали дуракоустойчивую конструкцию немалого веса, которую трудно сломать, а у нас была поставлена задача - взять максимум с самых малых ветров, преобладающих на большей части Страны.

Рассмотрел и горизонтальные лопастные быстроходные ветряки, хоть в список выше они не вошли из-за своей шумности и травмоопасности. Есть знакомый, живущий без электричества со столба, у него такие ветряки, в количестве трёх штук, трудились на благо хозяйства, замечено, что летом они не сильно работоспособны.

3.1 Фокус внимания.

При создании ветряка основными факторами в нашем регионе - Краснодарский край - являются скорость ветра и её изменение в течении года. Смотрел статистику - город Краснодар:

Про ясные и облачные дни в Краснодаре, когда солнышко может давать электричество от панелей - вроде тоже всё более-менее понятно:

Но вернёмся к ветру. Посмотрев его скорость в своём регионе, обратился к общей карте, взятую на просторах интернета, где примерно можно увидеть области с хорошими скоростями ветра:

Из вышеуказанных данных получается, что средняя скорость ветра здесь около двух с копейками метров в секунду, с изменениями от двух до трёх, с розой ветров, расширяющейся в северо-восточном\восточном и юго-западном\западном направлениях, но не дующих так(четверть года) постоянно.

Понятно, что в этом диапазоне не работают как должны горизонтальные лопастные ветряки малого размера, им не хватает скорости для страгивания, а если и хватает, то выработка электроэнергии небольшая.

Следовательно, разумным компромиссом был бы ветряк, улавливающий любые направления ветра, мгновенно перестраивающийся под них без лишних поворотных устройств или оперений. Под это определение подходит только вертикальный ротор.

Видов роторов несколько - две полубочки с разным расположением относительно друг друга, ротор Савониуса, ротор Дарье, мельницы Наштифана, гирляндный вертикальный, хитрый ротор советского изобретателя... Изучив многие конструкции, взял доступный для простого человека материал - оранжевую канализационную трубу, из которой будут вырезаны лопасти в виде полуцилиндров высотой порядка метра.

Причём, если ставить просто ротор с диаметром до метра(этот размер оптимален для самодельного изготовления), то теряется возможность брать энергию ветра с большой площади, как это практикуется у парусных ветряков. Конечно, можно сделать ротор большего диаметра, но представьте ураганный порыв ветра в 30 м/с или больше и такую махину с её парусностью... Не стоит завидовать тому, кто окажется на пути срывания этой конструкции.

Поэтому пошёл другим путём.

4. "Нормальные герои всегда идут в обход!"(с)

4.1 Вид сверху на ветрогенератор.

Вначале набросал эскиз, где кроме ротора есть и концентрирующие стенки(КС). Самое интересное, что их можно сделать хоть из стрейч-плёнки и акациевых столбиков, если вдруг основные вдруг закончились из-за форсмажорных обстоятельств. Сместил акцент на их разрушение в случае чего, а не ротора, который восстанавливать труднее.

При отсутствии КС ротор должен выдерживать ураганный ветер и при этом, с помощью генератора, вырабатывать электричество. То бишь, ометаемая площадь самого ротора должна быть ураганоустойчивой, а вот копеечные стенки - нет. Как этого добиться - вопрос второй.

Нужно помнить, что порушенные порывами ураганного ветра концентрирующие стенки могут просто зацепиться за ротор, тем самым делая его основой "паруса". Поэтому ротор должен быть "в клетке", чтобы при таком раскладе не поломались лопасти или другие важные части, что расположены внутри. Частично функцию клетки выполняют столбики, на которых крепятся КС, только воздушные проёмы придётся закрыть крупноячеистой сеткой, которая проходу воздуха не препятствует, а вот куски и обломки - не пропустит сквозь себя.

При подходе, когда стенки держат не более 30 м/с и в случае урагана просто перестают собирать в кучу поток, график, показанный выше, смещается влево и позволяет стартовать с тихого дуновения, а от ветра порядка три метра в секунду получать уже некоторую мощность. Но тут уже играет роль и генератор без залипания, умеющий страгиваться при минимальных усилиях - сплошные компромиссы.

Взял за начальные размеры диаметр ротора 80 сантиметров, а максимальную диагональ - 3 метра.

Найти на участке в шесть соток свободный квадрат три на три метра, открытый всем ветрам - не у всех получится. Но если чуть приподнять нижнюю точку крепления ротора над головой, на плоскую крышу сарая\контейнера для всякого хлама\беседки или отдельного гаража, то всё становится намного проще, плюс при этом улучшаются характеристики за счёт лучшего прохождения воздушных масс, или простым языком, есть где ветру разгуляться.

Про возвышение плоскости - будет чуть ниже.

Перед тем, как что-то делать в этом направлении, ознакомился с книжкой, что посоветовали на форуме guns.ru:

Ветродвигатели и ветроустановки - Е. М. Фатеев - 545 с. - 1948.djvu [7.68 МБ]

Весьма интересная книга, особенно для профессионалов, которые желают делать ветроустановки с правильным КИЭВ(коэффициент использования энергии ветра).

Рассмотрены как виды ветровых установок, мачт и других составляющих, так и расчёты лопастей и нагрузок при разных условиях эксплуатации.

Лишь одно упоминание, что ветрогенератор позволяет даже без проводов аккумулировать энергию путём подъёма воды на некоторую высоту вместо покупки кучи аккумуляторов - уже стоит того, чтобы эту книжку начать изучать...

Некоторые неутешительные выводы из книги сделаны:

• КИЭВ ветряков карусельного типа и пропеллерного отличаются(грубо 0.1 против 0.4).
• Концентрирующие стенки работают не всегда так, как планируется, увеличение входных размеров - характеристики меняет незначительно относительно отверстий истечения. Форма\соотношения и углы\скругления тоже имеют значение.
• Генераторы с диэлектрическим статором имеют КПД меньше, чем с роторами, замкнутыми по магнитному потоку.
• Вид и форма катушек не всегда правильно выполнены, учитывая сечение провода.
• Соотношение катушек и магнитов либо запускает процесс убиения подшипников путём перекоса притяжения относительно вала, либо приводит к залипанию, либо уменьшает возможную выработку энергии за счёт большого зазора, либо всё правильно работает.
• Правильная вентиляция катушек и магнитов увеличивает ресурс устройства.
• Защита от осадков и балансировка должны быть на уровне выше среднего, как минимум.

Но есть и положительные моменты, которые подтверждают верный выбор концентрирующих стенок, из той же книжки:

4.2 Реализации задуманного - от других.

Так как Youtube стал частенько недоступен, а полезные видео стоит сохранять локально, разместил не только прямые ссылки на видеосервис, но и добавил вариант сохранения просмотренного - в каждом видео есть вертикальное троеточие.

4.2.1 Gerador Eólico com Ímãs de microondas Vídeo completo - 67V-5gcu8KI - велоколёса и полуцилиндры пластиковых труб, обычные магниты.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=67V-5gcu8KI

4.2.2 The most powerful vertical axis windturbine (VAWT) on earth (joke !!!) - OiRhX6FDCVw - как вращается ротор
с концентрирующими стенками и без них.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=OiRhX6FDCVw

Подтверждение улучшения работы ротора с концентрирующими стенками - в аэродинамической трубе:

Windspeed - 1 m/sec - глаза не обманывают, скорость ветра - ОДИН метр в секунду.
WITH AVP - с концентрирующими стенками.
RPM 0 - "rotate per minute" - обороты в минуту для одинокого ротора.
RPM 82 - ротор + концентрирующие стенки(WITH AVP).

Ещё пояснения требуются?

Эмуляция концентрирующих плоскостей:

Чтобы два раза не вставать, вот сводная таблица из видео по ссылке:

Здесь видно, что с уровня 10 м/с происходит стабилизация вращения ротора на некотором уровне, следовательно возможность его повреждения снижается при ураганных ветрах, срабатывает этот "обтекательный тормоз". Но с размером КС нужно экспериментировать, балансируя между мощностью и парусностью.

4.2.3 Turbinas Eólicas de Eje Vertical, lo último en generación eólica - cYh7jR4vLQg - годная вертикальная турбина на столбе, работающая при 1.5 м/с.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=cYh7jR4vLQg

Эти тоже пришли к мысли о концентрирующих небольших стенках, так как они кроме того, что собирают ветер в пучок, ещё и препятствуют ему тормозить ротор на противоходе:

5. "Взялся за гуж, не говори, что не дюж!"(с)

5.1 Список материалов и инструментов.

• Фанера, с влагостойкой пропиткой, не ламинированная, толщиной 10 мм. - лист 1220х2440 мм.
• Труба 160х3000 мм.



• Шпилька 8х1000 мм. - 3 шт.
• Основная стойка, длина 3000 мм. Брал метровую, потому как была.



• Подшипник с внутренним отверстием по диаметру стойки - 2 шт.
• Фрезы двухзаходные для станка с ЧПУ.



• Магниты неодимовые цилиндрические, 30х10(диаметр х высота) мм.
• Провод медный в лаковой изоляции, диаметр 0.5 мм.

5.2 Изготовление ротора ветроустановки.

Так как труба длиной три метра хорошо делится на шесть полуцилиндров, каждый длиной до метра, изменил эскиз и подготовил новый файл для фрезерного станка с ЧПУ. Здесь пригодятся купленые фрезы.

При отсутствии такого станка включаем голову, берём ручной фрезер или дрель со сверлом чуть больше толщины стенок лопастей, отмечаем нужную точку и по радиусу фрезеруем фанеру полукругом.

Разметил трубу и маленькой углошлифовальной машинкой(УШМ), в народе прозванной "болгаркой", сделал три цилиндра, а из них - шесть половинок-лопастей.

Торцевые плоскости будущего ротора станок отфрезеровал и вырезал, "пропилы" под лопасти хорошо получились, даже с небольшим натягом.

Проверил установку полуцилиндра - всё подходит.

5.3 Неодимовые магниты.

Пришли заказанные цилиндрические магниты размером 30х10 мм.

Итальянцы пользуются клеем Loctite 3090 за космические деньги, такой нет особого смысла использовать первое время, взял гелевый суперклей за 120 рублей на строительном рынке, для экспериментального макета он будет в самый раз.

Магниты вставлены на свои места в ротор генератора.

После выравнивания по высоте, магниты проклеены с нижней стороны(заливался клей при положении ротора вверх ногами), после высыхания проклеятся ещё и сверху.

5.4 Ручной станок для намотки катушек.

Намотка правильных катушек - одно из важнейших действий в процессе изготовления генераторной части ветроустановки. Поэтому нужен так называемый намоточный станок, пускай неказистый на вид, но изготавливаемый из той же фанеры, шпилек и гаек.

Для облегчения подсчёта витков сначала был выбран вариант с калькулятором, им пользовался ранее, когда мотал трансформатор для электронного зажигания и уже знал, как его делать. Система проста - берётся калькулятор, умеющий после набора [1] [+] [1] и нажатии кнопки [=] увеличивать свои показания - повторением нажатия [=].

То есть при нажатии [1] [+] [1] [=] [=] на экранчике будет цифра 3, ещё раз [=] - цифра 4...

Но что-то пошло не так и с калькуляторами не задалось. Дорожки в выбранных двух моделях были слишком тонкими и отрывались от платы при шевелении припаяного к ним провода, а когда во второй раз этот провод сначала приклеил к плате суперклеем и потом припаял, всё заработало, но на следующий день опять провал - циферки при замыкании проводов не менялись - скорее всего суперклей что-то "проел" на плате.

Не суть, опять обходной путь. Для другого проекта паял "материнскую плату" с панельками для Ардуино Нано и семисегментными индикаторами на четыре разряда(4х7), по типу как в часах, только без двоеточия.

В эту ардуину и было решено интегрировать скетч(микропрограмму) счётчика, увеличивающую цифры на индикаторе при каждом замыкании кнопки, а в случае станка - геркона напротив ручки, вращающей шпильку с катушкой.

Намоточный станок для катушек статора:

Закрепил "счётчик" саморезами:

Вид с обратной стороны ещё страшнее:

В качестве разъёма для подключения геркона используется два контакта цанговой панельки, к которым припаяны провода со стороны отверстий, вставляются штырьки эти в отверстия цанговой панельки, распаяной на плате. Чтобы, при необходимости снять "счётчик", не приходилось доставать паяльник.

6. Беседка\гараж\летняя кухня\мастерская.

6.1 Правильное нежилое строение.

Картинка взята из видео в 4.2.2:

Нежилое - потому как ветроустановка хоть и тихая, но имеет движущиеся части, котрые могут издавать звуки, передающиеся по стенкам строения и спать в таком может быть не очень приятно. Конечно, сделать крепления ротора с антивибрационными проставками стоит, но в данный момент это за кадром.

Форма помещения в виде шестиугольника тоже неплоха, хоть беседка, хоть гараж(двери машины проще будет открывать внутри), хоть летняя кухня...

Дополнительным плюсом такого помещения является доступ к генератору в тепле и сухости - когда вал ротора проходит сквозь потолок - техническое обслуживание можно проводить, не кутаясь от мороза и ветра. Что радует неимоверно. Такой способ также позволяет вместо генератора подсоединить другой механизм, будь то фрикционный нагреватель или механический насос для перекачки технических жидкостей - всё пригодится.

В качестве переходной муфты можно взять кусок шланга и парочку хомутов, причём последние можно не покупать, а сделать из проволоки с помощью хомутателя.

6.2 Про вихревые потоки.

Сверху такого помещения можно наращивать мощность, добавляя ярусы ветроустановок, как показано в следующем видео:

6.2.1 Ultralow windspeed vawt booster wind turbine - QESgfGq1CeA

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=QESgfGq1CeA

Удвоенная скорость ветра будет весьма кстати:

Такие вихри образуются внутри, усиливая как входящий поток, так и стабилизируя выходящий:

Продолжение следует...