Ветряк в огороде
Ветряк это не только польза, но и украшение
Содержание[Скрыть]

Настоящий хозяин найдет множество причин, по которым надо построить собственный ветрогенератор электроэнергии — это и дороговизна услуг естественных монополий, и желание сэкономить, и даже талант инженера, рвущийся на волю.

Энергия ветра использовалась в хозяйстве испокон веков. Все начиналось со строительства ветряных мельниц и систем подачи воды для нужд орошения, а теперь благодаря электроэнергии мы можем легко преобразовать движение воздушных масс для зарядки смартфона и питания ноутбука. Да, да, ветряк позволит нам читать эти строки при помощи силы ветра.

Хозяин ветряной мельницы, сумевший поставить себе на службу силу ветра, во все времена был человеком уважаемым и имел хорошую прибыль. И сегодня тот, кто может пользоваться экологически чистой энергией, получая ее буквально из воздуха, безусловно, вызывает уважение.

Эволюция ветродвигателей
Эволюция ветродвигателей

Первое — расчеты, второе — чертежи

Чтобы построить, даже самый маломощный, ветряк нужна определенная техническая подготовка. Уровень образования должен давать представление о расчетах при помощи формул, чертежные навыки и навыки механика.

Главным элементом ветряка является ветряное колесо. Прежде всего, надо рассчитать некоторые параметры ветряного колеса. Как правило, используют крыльчатые ветряные колеса. Их быстроходность — отношение круговой скорости конца лопасти к скорости ветра — рассчитывается по формуле:

Формула №1. Формула расчета отношения круговой скорости конца лопасти к скорости ветра
где ω— угловая скорость вращения колеса ветродвигателя, рад/с; R — радиус ветроколеса, м; V — скорость ветра, м/с.

Для привода электрогенераторов используют быстроходные ветродвигатели с малым (от двух до шести) числом лопастей. Величина быстроходности современных трехлопастных двигателей с лопастями обтекаемой аэродинамической формы — от 4 до 7,5.

Мощность ветродвигателя зависит от диаметра ветряного колеса, формы лопастей, положения их в потоке воздуха, скорости ветра и рассчитывается по формуле:

P = 0,481D2V3ε, Вт,

Где: D — диаметр ветроколеса, м; V — скорость ветра, м/с; ε — коэффициент использования потока ветра.

Для колес с лопастями обтекаемой формы коэффициент ε не превышает 0,5, а если лопасти колеса плохо обтекаемые, как, например, у сельского ветряка, то — 0,3. Ориентировочные размеры (мм) и углы атаки (град) трехлопастного ветроколеса обтекаемой формы приведены на рис. 1.

Лопасти ветряного колеса можно сделать из стеклопластика. Для этого каркас из проволоки или деревянных брусьев обматывают стеклотканью и пропитывают эпоксидной смолой.

Рис.1. Схема лопастей ветроколесаРис.1. Схема лопастей ветроколеса (нажмите, чтобы увеличить)

Частота вращения (об/мин) ветродвигателя при заданной быстроходности рассчитывается по формуле:

Формула №3. Частота вращения ветродвигателя в зависимости от скорости ветра
Формула №3. Расчет частоты вращения ветродвигателя

В зависимости от средней скорости ветра в данном регионе и его повторяемости на протяжении года расчетную скорость ветра принимают >6–8 м/с.

Ветряк устанавливают на мачте, исходя из правила: чем выше, тем лучше, но не менее 12-15 метров. Лучше всего, если высота мачты будет 25-30 метров. Высота может быть меньше, если планируется использовать рельеф местности, устанавливая ветряк на склоне холма или на крутом берегу моря. Размещение ветрогенератора на малой высоте не позволит получить максимальную отдачу, аналогично установке солнечных батарей в тени.

Ветряк на закате

Хвост а-ля флюгер

Ветродвигатель должен автоматически устанавливаться по ветру. При небольшой мощности это достигается размещением ветроколеса позади башни, на которой установлен электродвигатель (рис. 2, а). Используют также хвост, который действует как флюгер.

Рис.2. Схема установки ветроколеса по ветруРис.2. Схема установки ветроколеса по ветру (нажмите, чтобы увеличить):
а — автоматическая; б — с помощью хвоста; 1 — башня; 2 — ветроколесо; 3 — хвост; V — направление ветра

Ветроколесо приобретает устойчивость при определенной величине площади хвоста, которую рассчитывают по формуле:

Формула №4. Определение величины площади хвоста
Формула №4. Определение величины площади хвоста.
Где: D — диаметр ветроколеса; L — расстояние от плоскости вращения ветроколеса до вертикальной оси поворота ветродвигателя, м (рис. 2, б); I — расстояние от центра хвоста до вертикальной оси поворота ветродвигателя, м; µ — коэффициент трения головки двигателя по опорной плоскости (при использовании шарикоподшипников м = 0,03–0,05); G — вес головки ветродвигателя, Н; r — средний радиус окружности, по которой возникают силы трения, м; p — давление ветра при пуске ветродвигателя, Н/м2 (см. таблицу).

Основной показатель силы ветра — его скорость ориентировочно можно установить по определенным внешним признакам, по шкале Бофорта.

Таблица. Определение скорости ветра по шкале Бофорта

Сила ветра в баллах Название Признаки для оценки Скорость ветра в м/сек Скорость ветра в км/час Скорость ветра в миль/час
0 штиль Листья на деревьях не колеблются, дым сигареты поднимается вертикально, огонь от спички не отклоняется 0 0 меньше 1
1 тихий Дым сигареты несколько отклоняется, но ветер не ощущается лицом 1 3,6 1-3
2 легкий Ветер чувствуется лицом, листья на деревьях колышутся (шелестят) 2-3 5-12 4-7
3 слабый Ветер качает мелкие ветки и колеблет флаг 4-5 13-19 8-12
4 умеренный Качаются ветки средней величины, поднимается пыль 6-8 20-30 13-18
5 свежий Качаются тонкие стволы деревьев и толстые ветви, образуется рябь на воде 9-10 31-37 19-24
6 сильный Качаются толстые стволы деревьев, ветер «гудит» в проводах 11-13 38-48 25-31
7 крепкий Качаются большие деревья, против ветра трудно идти 14-17 49-63 32-38
8 очень крепкий Ветер ломает толстые стволы 18-20 64-73 39-46
9 шторм Ветер сносит легкие постройки, валит заборы 21-26 74-94 47-54
10 сильный шторм Деревья вырываются с корнем, сносятся более прочные постройки 27-31 95-112 55-63
11 жестокий шторм Ветер производит большие разрушения, валит телеграфные столбы, вагоны и т. д. 32-36 115-130 64-72
12 ураган Ураган разрушает дома, опрокидывает каменные стены Более 36 Более 130 73-82

Боковая лопата

Для работы ветродвигателя важна стабильная скорость вращения колеса. Этого можно достичь с помощью боковой лопаты (рис. 3).

Рис.3. Схема регулирования частоты вращения ветроколеса с помощью боковой лопатыРис. 3. Схема регулирования частоты вращения ветроколеса с помощью боковой лопаты:
1 — ветроколесо; 2 — дужка; 3 — пружина; 4 — хвост; 5 — лопата

Ветроколесо отклоняется от потока воздуха из-за давления ветра на лопату 5. Постоянную мощность ветроколеса поддерживают благодаря направляющей дужке 2. При отклонении ветроколеса трос, натягиваемый пружиной 3, ложится на эту дужку, создавая плечо переменной силы для пружины. Момент силы пружины при этом приблизительно равен моменту силы ветра ( с учетом углов отклонения ветроколеса от направления ветра).

Накопим электричество

Ветряк

Простейший вариант преобразования механической энергии ветродвигателя в электрическую в сельских условиях — использование автомобильного или тракторного вентильного генератора напряжением 14 или 28 В. Генератор имеет обмотку статора, выпрямитель и регулятор напряжения.

Регулятор настроен так, что на выходе поддерживается неизменное напряжение (отклонение — до 4% при изменении частоты вращения ротора в диапазоне 1:12 в автомобильных и 1:4 в тракторных генераторах).

Благодаря такому регулятору автотракторный генератор может вырабатывать электроэнергию постоянного тока с практически неизменным напряжением при значительных колебаниях частоты вращения ветродвигателя.

Вращающий момент передается от вала ветродвигателя (частота вращения 200–300 об/мин) к валу генератора (номинальная частота вращения — 5000 об/мин) с помощью фрикционной или клиноременной передачи.

Для выравнивания мощности, отдаваемой ветросиловой установкой при изменении скорости ветра, необходима аккумуляторная батарея. Она накапливает энергию при сильном ветре и отдает ее в безветренную погоду или при слабом ветре.

Емкость аккумуляторной батареи зависит от многих факторов: средней скорости и частоты ветра в данной местности, мощности ветродвигателя и генератора, мощности потребителей электроэнергии, продолжительности максимума потребления за сутки и др.

Преобразуем постоянный ток в переменный

Для преобразования энергии постоянного тока напряжением 12 или 24 В в переменный ток напряжением 220 В используют преобразователь напряжения (инвертор). Сегодня в продаже есть преобразователи, используемые для бесперебойного питания компьютерных систем мощностью от нескольких сотен ватт до сотен киловатт.

Электрическая схема ветроэлектростанции с автомобильным генератором и преобразователем напряжения постоянного тока в однофазный переменный напряжением 220В приведена на рис. 4.

Электрическую часть станции можно составить из таких узлов: генератора Г273А от автомобиля КамАЗ напряжением 24 В и мощностью 2200 Вт при 5000 об/мин, аккумуляторная батарея емкостью 180 ампер-часов и инвертор 024Е230/6,5 с выходной мощностью 1500 ВА.

Генератор Г273А при частоте вращения 2200 об/мин может развивать мощность 560 Вт, если хотя бы 4 ч в сутки дул ветер со скоростью 6 м/с.

Рис.4. Схема генераторной установки с преобразователем напряженияРис. 4. Схема генераторной установки с преобразователем напряжения:
1 — генератор; 2 — аккумуляторная батарея; 3 — преобразователь напряжения; 4 — обмотка возбуждения генератора; 5 — обмотка статора; 6 — выпрямитель; 7 — регулятор напряжения; C — конденсатор подавления радиопомех; S—выключатель обмотки возбуждения генератора; QF1, QF2, QFЗ — автоматические выключатели; FU — плавкий предохранитель

Энергии такой электростанции достаточно для питания домашнего холодильника, 5 ламп мощностью 60 Вт, маломощного насоса (до 600 Вт) и др.

Статья посвящена Дню Земли, который отмечается каждый год 22 апреля. Этой статьей мы открываем цикл публикаций, посвященный альтернативной энергетике, рациональному использованию энергии природы, ресурсосбережения и др. Если у вас есть пожелания по конкретным технологиям, пожалуйста, сообщите их нам.

Насколько полезна эта страница?
5 1 1 1 1 1 Рейтинг 5.00 (12 чел.)
Ссылки по теме

Присоединяйтесь!

Новые статьи

Цитата дня

Того, кто не задумывается о далеких трудностях, непременно поджидают близкие неприятности.
Конфуций

Объявления

Подать объявление

 
Что дает регистрация?
Зарегистрированные пользователи могут:
  • добавлять свои статьи;
  • добавлять закладки на любую страницу;
  • распечатывать статьи;
  • копировать материалы сайта без потери форматирования;
  • читать свежие материалы сразу после их публикации;
  • задавать вопросы авторам публикаций и вести переписку с ними;
  • вносить предложения по развитию журнала.
Приступить к регистрации