Самодельный ветряк с генератором из коллекторного двигателя

      Я добросовестно посвятил этому год с лишним. Довольно быстро понял, что без основательной учебы ничего путного не выйдет. Много было непонятного, но постепенно прояснялось. Наконец, седьмой по счету экземпляр заработал более-менее в соответствии с расчетными характеристиками.

      Ветряк задумывался, как источник энергии для дачи с посещением неполную неделю. Замышлялся, как коммерческий продукт. Отсюда и размеры.

      Диаметр турбины 1.15 - 1.17м, трехлопастная. Наиболее дискутируемый вопрос количества лопастей решился между двух и трех в пользу трех из-за того, что хотелось, чтобы турбина увереннее работала при слабом ветре. Расчетная скорость 600 - 700 об/мин.

     Генератор - коллекторный двигатель 36В с постоянными магнитами болгарского производства. Кажется, эти двигатели массово применялись в ЭВМ семейства ЕС.

      Диаметр двигателя 80мм, длина что-то около 140мм?

      Старательно снял его характеристики на стенде, используя тахометр, калиброванные нагрузки и прочее. Получил зависимость напряжения от скорости (2.22В*об/с), внутреннее сопротивление (2.5Ом) и вентиляторные потери (механические на трение и перемешивание воздуха).

     Оптимальное передаточное число мультипликатора планировалось 4, но из-за желания выполнить его компактно в одну ступень, остановился на 3.33. (Хотя и 4 пробовал). Шестерни нарезал косозубые, меньше шумят. Картер сделать не получилось, хотя для серии это, наверно, нужно. Мазать пару раз в месяц солидолом - несолидно.

    Поворотный механизм - свободный ход на резьбе. Угол поворота после 2 - 3 оборотов ограничивался упругостью кабеля. Это оказалось самым простым и надежным решением. Головка вращается на длинной резьбе по полудюймовой трубе через муфту. Конечно, небольшой люфт в этом месте есть. Первоначально муфта делалась длиннее (60 - 70мм) и для облегчения хода на резьбе делалась проточка, оставлялись только верхние и нижние витки ( по 2 - 2.5 нитки). Потом оказалось, что люфт не так уж и страшен и узел был упрощен.

      Кабель от генератора пропускался в отрезок вертикальной трубы (что-то около 500мм) и выходил через тройник в месте крепления головки к мачте. Упругости полуметрового толстого отрезка кабеля и хватало, чтобы не давать головке поворачиваться в горизонтальной плоскости более, чем на 1.5 - 2 оборота.

      Пробовал и безхвостовой вариант, с набегом потока на турбину сзади, но все-таки остановился на классике - с хвостовым флюгером приблизительно 200х400мм, вынесенным на 70-сантиметровом отрезке полудюймовой трубы. Хвостовая труба уравновешивает генераторную головку в горизонтальной плоскости. Вся конструкция закрыта пластиковой канализационной трубой 100(106) мм. Сзади генератора - вертикальный узел поворота и 400мм отрезок полудюймовой трубы для крепления к мачте стандартной муфтой. Там же расположены выходные клеммы генератора. Провод снижения идет далее по мачте снаружи, хотя, можно до самой земли провести его в трубе.

      Кожухом отлично работал отрезок канализационной пластиковой трубы 100 ( 106?) мм. Стопорился одним саморезом снизу. Впереди и сзади кожух был открытым. В приблизительно 8 - 10мм зазор меж кожухом и передним обтекателем заходил воздух для охлаждения генератора, сзади кожух нависал над креплением хвостовой балки на 20 - 25мм, чтобы вода на резьбу не капала.

      Хвост на трубе полдюйма пластиковой с хвостовой лопастью ( приблизительно 200х400мм) утерян. Стыковался с небольшим грузиком и регулировался по длине, чтобы уравновесить головку на мачте в целом.

      При массе генератора 2.5кг вся головка без турбины имеет массу порядка 5кг. Мне показалось, что это неплохой результат.

      Особо стоит упомянуть турбину. Пожалуй, технологически самый непростой узел. Вся попавшая под руки литература была  написана людьми совершенно далекими от аэродинамики. Большинство советчиков приводили популярные авиационные профили CLARK Y, BC2 и прочее. Методы расчета самолетных винтов и больших турбин совершенно не годились для маленькой тихоходной турбины, ориентированной на работу при слабых и средних ветрах (3-6м/с). Стандартная же технология  изготовления лопастей  тоже была достаточно трудоемка и , главное, не гарантировала высокой точности и повторяемости профиля.

      Что касаемо профиля, то при данных числах Рейнольдса 40 000 - 60 000 самым лучшим оказался профиль типа Купфер, Гетинген 420 и тому подобное. Это знают авиамоделисты. Грубо говоря, это просто дужка, профиль крыла "Фармана" или "Ньюпора" времен первой мировой. При слабых ветрах он дает момент, почти в 1.5 раза больше, чем традиционные, каплевидные. При больших скоростях начинается срыв потока и турбина отчасти саморегулируется .

      Профиль потянул за собой и технологию.

      Выстругивалась по теоретическому чертежу и лекалам болванка с поверхностью нижней части лопасти. Далее на нее через слой полиэтилена  накладывались слои дубового шпона на клею. У комля до 10, у конца - 3 - 4 слоя . Весь пирог тщательно уматывался резиновой лентой и оставлялся на сутки - двое.

      После схватывания клея, полуфабрикат лопасти снимался с болванки и сравнительно просто дорабатывался в концевой части и по кромкам шлифовкой. В конце, если требовалась долговечность, все это можно еще оклеить одним слоем стеклоткани на эпоксидке.

      На снимке справа - болванка для выклейки лопастей. К ней плотно приматывается резиновой лентой проклеенный пакет дубового шпона. У комля 8 - 10 слоев, у самого конца лопасти 3 - 4. Потом ступенчатость слоев убирается шлифовкой и подшлифовываются кромки. Ну, и форма в плане корректируется по шаблону. Лопасти получаются легкими, жесткими и достаточно одинаковыми, легко балансируются. Впрочем, дуб - слишком серьезно. Можно вполне и что-то полегче. Вообще я без ума от липы... Ну, и оклеить это стеклотканью тоже не мешает, если нужна долговечность.

      Слева лежат две оклееные стеклопластиком  цельноструганные лопасти из липы от другой, более ранней модели с заклеенными кулачками механизма изменения шага винта. При всей неказистости 2000об/мин как-то вполне выдержали.. 

      Один сезон выдержит и тщательно прогрунтованная и выкрашенная ПФ115 деревяшка. После зимнего хранения в неотапливаемом помещении особого коробления не отмечено. Но хранить турбину нужно подвешенной за ось. Ставить к стене на лопасть - нельзя.

      Турбина одевалась на резьбе на вал и сама докручивалась до упора.

      Все это в сборе устанавливалось на 5-метровой высоте на мачте из отрезков труб полдюйма, три четверти, дюйм, соединенных муфтами-переходниками. Мачта имела поворотное крепление у земли и четырехтросовую одноярусную систему растяжек из капронового шнура порядка 5мм. Такая конструкция позволяет поднимать/опускать мачту одному человеку.

      Нагрузкой служил 12- вольтовой щелочной аккумулятор 55Ач, подключенный просто через 10А диод. Плюс вольтметр и амперметр..

      Разрабатывался замысловатый контроллер, как развитие и дополнение. Рабочее напряжение генератора для съема максимума мощности должно меняться. Наивыгоднейший в этом смысле режим - фиксированный ток при меняющемся напряжении. Работа же через диод просто на аккумулятор дает как раз, наоборот - относительно постоянное напряжение при меняющемся токе заряда.

      И, пока контроллер периодически привозился, примерялся и увозился домой, обнаружилось, что без контроллера  турбина имеет некоторые интересные качества.

      Запуск очень легкий, при менее 3м/c. Далее, турбина быстро набирает  обороты до начала зарядки ( порядка 13 - 14В). После этого рост оборотов идет очень медленно, растет только момент на валу турбины и зарядный ток. Растут, конечно, и потери в самом генераторе и проводах снижения. Но генератор на сильном ветру эффективно охлаждается самим ветром через специально предусмотренные каналы. Характерно, что шумит турбина при разгоне, как только появляется зарядный ток, шум резко уменьшается. В общем, шумит довольно слабо. Когда спишь на даче при сильном ветре, вполне маскируется шумом деревьев, если не знаешь, что турбина установлена.

      Я очень опасался, что во время какого-нибудь шквала генератор просто сгорит. Потом посчитал все возможные потери и пришел к выводу, что при  теплоемкости конструкции ему нужно минут сорок, чтобы нагреться просто, как болванка, до градусов 70 - 80.

      Ветряк все лето проработал под присмотром. оставлять его нельзя было из-за нравов нашего народа и еще: я опять-таки боялся шквала, бури. Однажды, ветер поднялся до 30 - 35м/c. Точного анемометра под руками не было, но я тогда уже прекрасно ориентировался по самой турбине. Достаточно однажды сделать 2 - 3 замера напряжения на эталонную нагрузку по анемометру и сделать таблицу  - ветряк сам себе анемометр. Турбина давала 900об/мин , генератор выдавал порядка 150 - 170Вт при 5 - 7А ( половина мощности пропадала в слишком  тонких проводах снижения порядка 20м) мачту и меня самого ветер при порывах  шатал. Я опасался, что все это разлетится вдребезги, но испытания есть испытания.

      Я раз десять уверенно останавливал турбину "на полном скаку", замыкая выход генератора накоротко. Ток при этом падал до 2 - 3А и обороты до 1 - 2  в с. Потом, все-таки где-то срезало шплинт и все это засвистело вразнос, пришлось срочно мачту опускать.

      Основной вывод из этого эксперимента - маломощную турбину можно уверенно стопорить генератором при сильном ветре. Дополнительные тормоза не нужны. Это потом легко поясняется и в теории.

      Я опустил тут многие эксперименты. Работал два сезона плотно. Опробовал и Савониусы, и вертикальные лопасти и еще несколько конструкций. Турбины от 2 до 12 лопастей, автоматы увода из-под ветра и прочее. Делал и генератор на постоянных магнитах, делал сервопривод изменяемого шага лопастей турбины и прочее. Не успел только однолопастник построить. 

      Могу сказать с уверенностью

      1. Ветряк  - весьма дорогое удовольствие, если речь идет не о игрушке. В моем случае это только освещение, небольшой электроинструмент (8 - 12 квт*ч в месяц). Для тех, кто на даче привык утюгом фуфайки гладить - бензоагрегат много дешевле.

      2. Ничего лучше, чем классическая пропеллерная турбина, просчитанная еше в 20-е годы прошлого века в ветроэнергетике нет и быть не может. Изобретения тут делаются ради самих изобретений.

      3. Ветряк - не дело одиночек. Ветряк - СИСТЕМА. Без глубокого понимания всех процессов, без знания основ механики, аэродинамики, электротехники - лучше не связываться с работой такой сложности. Это не для любителей, если хочется что-то в конце получить реально работающее.

      Была попытка сделать более тихоходную турбину с двухступенчатым мультипликатором где-то 1 к 5. И бесхвостый вариант с ориентацией за счет парусности самой турбины ("спиной к ветру", уравновешивающей трубой вперед).

      Но мультипликатор оказался сложным, а турбина не хотела при слабом ветре разворачиваться. Я тут еще и винт изменяемого шага с сервоприводом реализовал (где-то ранее на снимке лопасти от него). Но сервопривод оказался слишком медлительным, чтобы оперативно реагировать на порывы ветра. И жужжал бесконечно. Потом, по мере продвижения понял, что для такой блохи это лишнее.

      Работа была интересной, но пришлось уйти к реалиям. Коммерческий проект такой ВЭС еще нуждался в доработке, собственные ресурсы начинали таять, а тут подвернулось то, что мне было хорошо знакомо - импульсные источники. Вот этим сейчас и занимаюсь уже пятый год.

      На сегодня, как мне представляется, мечты о ветряке, подогревающем пол и питающем утюги с водонагревателем пока нужно отставить. Это технически возможно, но стоит столько, что фантазия обывателя не выдерживает.

      А вот такие маленькие для дачи могли бы иметь определенный успех. Это тоже недешево, но кому нужен свет, маленький телевизор, мобилка и ноутбук - вполне.

      Это порядка 10 - 15кВт.час в месяц.