Потужна стаціонарна вітроелектростанція
Як історичного факту нагадаю, що в СРСР перша вітроелектричної установки (ВЕУ) була побудована в 1931 р біля Балаклави в Криму. У ній використовувався асинхронний генератор на 600 об / хв. потужністю 125 кВт. Генератор з'єднувався з підвищує трансформатором і потім струм подавався на повітряну лінію напругою 6 кВ. (У 1941 р при окупації Криму фашистами ВЕУ була зруйнована.)
У ВЕУ промислового виробництва зазвичай використовуються гвинтові пропелерні двигуни. У порівнянні з роторними вони мають більш високий ККД. Виробництво гвинтових двигунів значно складніше. Тому для саморобного виготовлення рекомендуються саме роторні двигуни. Схема роторного вітроелектроустановки показана на рис. 1.
Мал. 1. Схема роторного вітроелектроустановки:
1 - лопаті, 2 - хрестовина, 3 -Вал, 4 -підшипники з корпусами, 5 - сполучна муфта, 6 - силова стійка (швелер № 20), 7 - коробка передач, 8 - генератор, 9 - розтяжки (4 шт.) , 10 - сходинки.
Дуже важливо запам'ятати, що ротор повинен бути піднятий досить високо, щоб він виявився в зоні вільного вітру і вище зони завихрень від обтічних вітром будівель не менш, ніж на 3-4 м над землею. Високо піднята над землею ветроустановка попутно виконує функцію громовідводу, що важливо в сільській місцевості.
У конструкції В. Самойлова ротор складається з 4 лопатей, що зроблено для більш рівномірного обертання.
Ротор - найбільш важлива частина вітроустановки. Від його форми і розміру лопатей залежать потужність і швидкість обертання валу вітродвигуна. Чим більше загальна поверхня лопатей, що утворюють ометаемую поверхню, тим менше число обертів ротора.
Обертання ротора відбувається за рахунок аеродинамічній несиметричності. Набігає поперек осі ротора потік вітру зісковзує з опуклою боку лопаті і потрапляє на протилежний кишеню лопаті. За рахунок різниці тиску на опуклу і увігнуту поверхні створюється тяга, яка і розкручує ротор. У такого ротора великий крутний момент. Ротор діаметром 1 м по потужності відповідає трилопатевий пропелеру діаметром 2,5 м.
Роторні вітродвигуни працюють значно стабільніше в умовах різких коливань вітру, ніж гвинтові. Ротори тихохідні, діють при будь-якому напрямку вітру, але розвивають всього 200-500 об / хв.
Роторні вітроколеса від сильного пориву вітру в рознос не йдуть. Від підвищення кількості оборотів асинхронного генератора на виході напруга не росте. Тому в цьому матеріалі автоматичну зміну кута лопатей ротора в залежності від швидкості вітру не розглянуто.
Відомі різні види роторних ветроколес на вертикальному валу. Назвемо деякі з них.
1. Чотирьохлопатевий роторное колесо - тихохідне з ККД до 15% (рис. 2).
2. Двоярусну роторное ветрокопесо (рис. 3). Воно простіше, володіє більш високим ККД (до 19%) і розвиває більше число оборотів, ніж Чотирьохлопатевий. При цьому необхідно збільшувати діаметр вала для збереження міцності і жорсткості установки.
3. Вітроколесо Савоніуса (рис. 4, в). Воно розвиває менше число обертів, ніж дволопатеве колесо. Коефіцієнт використання вітрової енергії не перевищує 12%. В основному застосовується для приводу поршневих насосів.
4. Карусельне ветроколесо (рис. 4, а, б) - найпростіша конструкція. Це ветроколесо розвиває малі обороти, має низьку питому потужність. ККД його - до 0,1.
Мал. 2. Кріплення лопатей ротора на хрестовині:
1 - лопаті, 2 - хрестовина, 3 - вал, 4 - болти кріплення (М12-М14).
Мал. 3. Двоярусну роторное колесо:
1 - підшипник, 2 - корпус підшипника, 3 - додаткове кріплення вала чотирма розтяжками, 4 - вал.
Мал. 4. Можливі схеми зміцнення роторних ветроколес на вертикальному валу:
а, б - карусельні вітроколеса; в - ветроколесо Савоніуса.
А тепер давайте перейдемо до установки, розробленої, В. Самойловим з Чувашії, який побудував свою ВЕУ за першим варіантом (див. Рис. 2).
Зробити лопаті ротора ВЕУ можна з 100, 200 або 500-літрової залізної бочки (рис. 5). Бочку розрізають шлифмашинкой. Різка зварюванням неприпустима: від температури коробиться метал. Борти вирізаної лопаті підсилюють, приварюючи до них прутки арматури або катанки 6-8 мм.
Мал. 5. Лопасть вітряка, виготовлена з 1/4 бочки і схема розкрою:
1 - отвір кріплення до хрестовини, 2 - посилення борту, 3 - контур лопатей.
Лопаті 1 ротора кріпляться до двох хрестовин 2 болтами М12. М14 (див. Рис. 2). Верхня хрестовина виготовляється з листової сталі товщиною 6. 8 мм. Між бортом кожної лопаті і валом ротора необхідно залишати зазор 150 мм. Нижню хрестовину виготовляють більш міцною, так як вся вага лопатей доводиться на неї. Для її виготовлення береться швелер з висотою стінки 50-60 мм і довжиною не менше 1 м, що залежить від застосовуваної лопаті (бочки).
Будівельна частина і головний вал (див. Рис. 1). До стійки 6, зробленої з швелера, приварена рама з куточків для закріплення генератора 8. Нижній кінець стійки приварений до косинці, забитому в землю.
Вал 3 ротора краще робити з двох частин-для зручності розточення його кінців під підшипники. Підшипники 4 в корпусах (буксах), узгоджених за розмірами з валом, закріплюються на стінці швелера на болтах. Частини вала ротора з'єднують між собою за допомогою муфти зварюванням або на шпонке. Діаметр вала 35-50 мм.
До стійки, до однієї з полиць швелера, приварені шматки труб 20 мм і довжиною 500 мм в якості сходинок. Стійка забита в землю на глибину не менше 1200 мм і закріплена для стійкості і запобігання качки 4-ма розтяжками.
Для захисту від іржі ВЕУ фарбують алюмінієвою пудрою, замішаної на оліфі.
Електросхема. У домашніх умовах для виготовлення ВЕУ простіше використовувати електросистему автомобіля (рис. 6 і 7) або трактора. Залежно від її потужності визначаються експлуатаційні можливості всієї ВЕУ. Тому слід використовувати електровузли досить потужною автомашини, автобуса або трактора. Тільки потрібно врахувати, що запозичувати такі вузли слід комплектно: генератор, реле-регулятор, акумулятор. Наприклад для генератора Г 250-Г 1 підійдуть реле-регулятор РР 362 і акумулятор 6 СТ 75.
Мал. 6. Схема електрообладнання ВЕУ, взяте від автомобільного генератора на 12 В:
1 - генератор, 2 - реле-регулятор, 3 - акумулятор, 4 - амперметр, 5 - вимикач генератора від розряду акумулятора в безвітряну погоду, 6 - вимикач освітлення, 7 - запобіжник, 8 - лампочки освітлення.
Мал. 7. Схема електрообладнання ВЕУ від автомобільного генератора на 24 В:
1 - генератор Г-288, 2 - регулятор напруги 11.3702, 3 - акумулятори 6СТ75, амперметр АП-170, 4 - амперметр, 5 - вимикач генератора від розряду акумуляторів в безвітряну погоду, 6 - вимикач освітлення, 7 - запобіжник, 8 - лампочки освітлення.
Якщо ВЕУ комплектується автогенератори на 24 В, то краще його брати марки Г-228 (потужність 1000 Вт). У цих генераторів в комплекті більш надійне реле напруги (в порівнянні з інтегральними регуляторами напруги марки Я-120).
Отримується з автогенератора постійна напруга 12 В не зовсім зручно для освітлення, бо доводиться розраховувати на специфіку цоколів автолампи і відповідних патронів. Хоча лампочки на 12 В є і зі звичайним цоколем Ц-27, але їх важко роздобути.
Для переходу від постійного струму до змінного виготовляють перетворювач напруги. У разі необхідності змінний струм легко перетворювати в постійний через мостовий випрямляч. Перетворювач потужністю 100 Вт (рис. 8) дозволяє включати 2 лампочки розжарювання або денного світла по 40 Вт на 220 В. Схема перетворювача дуже проста. Він не потребує налаштування, надійний в роботі і має великий ККД (більше 80%).
Мал. 8. Схема перетворювача напруги.
Транзистори Т1 і Т2 - типу П210Б. (Можна замінити їх на транзистори типу КТ 825 Г, Д, Е.) З'єднують транзистори паралельно по 2 шт. і встановлюють на тепловідвідних радіаторах.
Трансформатор має площу перерізу сердечника 6 см 2. Обмотка I - 26 х 2 витків дроту ПЕВ-2 1,56; обмотка II - 140 х 2 витків дроту ПЕВ-2 0,44; обмотка III - 640 витків дроту ПЕВ-1 0,27 мм.
Частоту перетворювача (800-1000 Гц) регулюють резисторами R2 і R3. При відсутності порушення перетворювача плечі обмотки II (зворотного зв'язку) слід поміняти місцями.
Акумулятора ємністю 75 Ач без зарядки вистачає на 24 години роботи перетворювача.
У технічному відношенні більш високий рівень вирішення досягається застосуванням генератора змінного струму - трифазного або однофазного, наприклад, ГАБ-4-0 / 230 або ОМ-3. Може бути також використаний асинхронний електродвигун, що вимагає відповідної переробки (див. Наступну статтю В. Самойлова «Переносна електростанція з бензо-мотодвігателем і генератором»).
Безперебійне і цілодобове електропостачання від ВЕУ неможливо. Це залежить від наявності вітру і його швидкості. Для забезпечення безперебійності електроживлення застосовують акумуляторні батареї або резервні бензинові двигуни для приводу генератора.
Як прискорює передачі (мультиплікатора) можна взяти будь-якої редуктор. Однак, потрібно мати на увазі, що при такому застосуванні редуктора його надійність (і довговічність) може бути значно нижче, ніж при звичайному його використанні для зниження числа оборотів. У зв'язку з цим звертається увага на те, що для самодельщиков зручніше використовувати клиноременную передачу по типу автомоторного, яка (поз. 7 на рис. 1), отже, повинна виконувати дві функції: збільшити (як це пояснено вище) швидкість обертання до придатної для приводу генератора і передати обертання від вертикального вала (поз. 3, рис. 1) вітродвигуна до горизонтального валу генератора.
В якості такої передачі цілком підходить Кліноременная від приводу автотракторних генераторів. Вона дозволяє реалізувати кутову передачу обертання: у вигляді так званої полуперекрестной передачі (рис. 9).
Мал. 9. Клиноременева передача:
1 - головний вал, 2 - тихохідна (перехресна) передача, 3 - швидкохідний передача, 4 - генератор.
При реалізації такого варіанту передачі потрібно врахувати деякі особливості клинопасової передачі: струмки шківів по своїй геометрії повинні забезпечити задовільні умови роботи ременів. Це стосується і кута клина 40 °, і прилягання ременів до струмків по їх основним конічним поверхням (зазору по внутрішньому циліндру струмків).
Конструкція опор шківів повинна регулювати натяг ременів (у автотракторних генераторах передбачена така регулювання в їх кріпленні). У клинопасовій передачі, щоб уникнути зниження її працездатності, не слід захоплюватися збільшенням передавального числа, в зв'язку з чим передачу краще робити двоступеневої. Наприклад, в тихохідної передачі (полуперекрестной) передавальне число повинно бути не більше 1,5. 2; інше потрібне передавальне число можна реалізовувати в швидкохідної передачі.
При такій двоступеневої передачі необхідно передбачити регулювання натягу ременів в кожній передачі, маючи на увазі послідовне регулювання натягу: спочатку в тихохідної передачі, потім в швидкохідної.
При виборі розмірів шківів потрібно виходити зі своїх можливостей. Швидкохідна передача (на шків генератора) зазвичай визначається прийнятим генератором, якщо він на своєму валу вже має шків (як в автотракторної техніки). У цьому випадку застосовують відповідний ремінь - розміри парного шківа визначаються перетином цього ременя. Конструкція тихохідної передачі визначається розмірами наявного ременя - саме її роблять полуперекрестной і, в зв'язку з цим, обмежують передавальне число. Тут краще використовувати більш важкий ремінь, ніж в швидкохідної передачі (автомобільної).
Для орієнтації тим, хто захоче побудувати таку ВЕУ, наводимо основні рекомендації. Перетину ременя машинобудівного застосування розбиті по групах: О, А, Б, В, Г, Д, Е (ширина ременя від 8,5 до 42 мм). Для ВЕУ при діаметрі меншого шківа від 125. 200 мм придатні перетину А і Б. Довжина наявного ременя визначає розміри тихохідної передачі.
Мал. 10. Ось що у нас вийшло.