Несколько лет назад я стал владельцем собственности в глухом уголке Аризоны. Я астроном, и нуждался в таком месте, где ночные огни городов не мешали бы моему занятию. Но место было настолько диким, что услуги электрических компаний оказались недоступными. С одной стороны, не так уж и плохо. Нет электричества – нет засветки неба. Но, с другой стороны, хоть немного электричества не помешало бы. Слишком сильно мы зависим от него в 21 веке.
Первое, что я заметил, поселившись в новом месте, это ветер, который дует почти непрерывно. И, в первые же дни, у меня возникла идея установить ветряную турбину, которая давала бы хоть немного электроэнергии, а позднее дополнить ее несколькими панелями солнечных батарей. Дальше я расскажу, как сделал это. Не дорогую, покупную турбину, а самодельную, которая не стоит почти ничего. Если у вас есть какие-то навыки работы руками и минимальные познания в электронике, вы тоже сможете ее сделать.Конструирование ветряка я начал с поиска в Гугле информации о самодельных турбинах. Я нашел множество описаний, самых различных по конструкции и по сложности. Пять элементов были общими для всех вариантов:

• Генератор
• Ветроколесо
• Устройство, разворачивающее ветроколесо к ветру
• Мачта
• Аккумуляторы и электроника управления

Проект я урезал до пяти небольших частей. Если заниматься каждой последовательно, проект выглядит относительно простым. Мои исследования в Интернете показали, что очень многие делали свои собственные генераторы. Это показалось мне слишком сложным, по крайней мере, для первого раза. Остальные использовали моторы постоянного тока с постоянными магнитами. Такой вариант явно был проще, и я приступил к поиску подходящих моторов.

Как показалось, многие предпочитают использовать моторы накопителей на магнитной ленте от старых компьютеров. Лучшими, по видимому, были несколько моторов, выпускавшиеся фирмой Ametek. А наиболее подходящим из них, для использования в качестве генератора, был мотор 99 В DC. К сожалению, достать такие моторы в наши дни практически невозможно. Хотя есть много других моторов Ametek, некоторые из которых все еще можно приобрести, скажем, на Ebay.

Вероятно, еще есть немало моторов с постоянными магнитами, разных изготовителей и моделей, которые можно было бы использовать в качестве генераторов. Но, при выборе мотора помните, что двигатель постоянного тока с постоянными магнитами может работать генератором, но его никогда не конструировали как генератор. Поэтому генераторы из них неважные. Некоторые моторы совсем не годятся. Используемые в качестве генераторов, моторы, как правило, вынуждены вращаться со скоростью намного большей, чем та, для которой их рассчитывали.
Мотор, который необходимо выбрать, должен быть рассчитан на максимальное напряжение питания, максимальный ток, и иметь минимальную скорость вращения. Держитесь подальше от низковольтных или высокооборотных моторов. Вам необходим мотор, способный обеспечить 12 В при невысокой скорости вращения, и отдавать достаточный ток. Можно ожидать, что мотор с номинальной скоростью вращения 325 об/мин и номинальном питании 30 В, включенный генератором, сможет вырабатывать +12 В. С другой стороны, мотор с номинальной скоростью 7200 об/мин и номинальном питании 24 В, вероятнее всего, не сможет дать вам 12 В, т.к. скорость его вращения слишком велика для ветряной турбины.

На Ebay мне удалось, всего лишь за $26, купить один из хороших 30-вольтовых моторов Ametek. Мне повезло, сейчас они стоят намного дороже, из-за того, что все считают их идеальными генераторами. Но не зацикливайтесь на Ametek. Моторы других брендов тоже работают нормально.

Купленный мотор работал великолепно. Даже поворачивая вал пальцами, я мог заставить ярко светиться 12 В лампочку. Но настоящий тест я устроил, вращая мотор электродрелью. К мотору была подключена нагрузка, на которой развивалась мощность в несколько сотен ватт. Стало ясно, что если мне удастся сделать хороший комплект лопастей для вращения этого мотора, энергию от него я обязательно получу.

Следующим моим шагом было изготовление лопастей и ступицы. Я провел очередное исследование. Оказалось, что многие вырезают лопасти из дерева. Такой вариант я счел для себя чрезмерно трудоемким. Продолжив поиски в Интернете, я обнаружил, что лопасти можно вырезать из секций ПВХ трубы. Вот это мне подходило.

http://asyl.ucoz.com

Следуя общему рецепту, кое-что я сделал по своему. Купил трубу из ABS, а не ПВХ. Диаметр трубы взял 150 мм, вместо 100. И увеличил длину лопастей с 50 см до 61 см. Разрезав трубу вдоль на четыре части, я вырезал одну лопасть и дальше использовал ее как шаблон для вырезания остальных. В результате я получил три лопасти и одну запасную.

Затем, используя шкурильную машину, я снял с лопастей заусенцы и сгладил края, стараясь придать им лучшую аэродинамическую форму. Не знаю, насколько это улучшило их свойства, но уж точно, не испортило. Зато на лопасти стало приятно смотреть.

Теперь надо было сделать ступицу, чтобы привернуть к ней лопасти и насадить на вал мотора. Покопавшись в своей мастерской, я нашел зубчатый шкив, который идеально надевался на вал, но имел слишком маленький диаметр, что бы присоединить лопасти. Поискав еще, я обнаружил алюминиевый диск диаметром 125 мм. Привернуть к нему лопасти было возможно, но надеть на вал мотора нельзя. Самым простым решением было соединить эти две детали вместе.

Сверля отверстия, стуча молотком и закручивая болты, я сделал ступицу.

Вот ветроколесо в сборе, после присоединения лопастей к ступице.

А тут ветроколесо с другой стороны.

Я обнаружил в магазине вот такие полусферические чашки из ПВХ:

Мне сразу пришло в голову закрыть ступицу обтекателем. С ним ветроколесо приобретало совсем профессиональный вид, и никто не поверил бы мне, что оно сделано из сантехнической трубы и хлама, найденного в мастерской. Но затем, на одном сайте, я нашел утверждение, что такие обтекатели срывают воздушный поток и снижают эффективность турбины. Я не уверен, что поверил этому утверждению, но обтекатель решил не устанавливать. По крайней мере, на первом этапе.

Теперь надо было собрать турбину. Считая, что все должно быть просто, насколько возможно, мотор я притянул двумя хомутами к куску доски сечением 5×10 см. Длина доски была рассчитана высоконаучным методом, путем выбора самого длинного отрезка, валяющегося в куче хлама. Из куска 100 мм ПВХ трубы я вырезал кожух, чтобы защитить мотор от непогоды. Хвост, благодаря которому флюгер разворачивался бы по ветру, я вырезал их куска алюминиевого листа. Я опасался, что хвост будет маловат, на как оказалось, работал он хорошо. Для тех из вас, кто любит планы, чертежи, схемы, я указал на фотографии несколько размеров. Хотя сомневаюсь, что хоть один из них может быть критичным.

Это фотография собранного флюгера с другой стороны.

Затем я стал размышлять о том, как сделать мачту и подшипник, который позволял бы флюгеру легко разворачиваться по ветру. Во время мозгового штурма я провел в магазине немало часов. Наконец, как мне показалось, я нашел неплохое решение. Я заметил, что стальная труба диаметром 1" с минимальным трением вращается внутри стальной EMT трубы 1¼", используемой при прокладке электропроводки. Тогда в качестве мачты можно использовать длинную трубу 1¼", а на ее концах водопроводные фитинги 1". К флюгеру, на расстоянии 19 см от генератора, я привернул стальной дюймовый фланец и ввернул в него кусок трубы длиной 25 см. Этот кусок, вставленный в мачту, мог бы вращаться в ней не хуже, чем в подшипнике. Провода от мотора я пропустил бы в мачту через отверстие, просверленное в доске флюгера. Гениально ! (Если можно так говорить про самого себя).

Основание мачты диаметром 60 см я вырезал из фанеры. Затем сделал U-образную конструкцию из водопроводных фитингов, вставив тройник посередине. Тройник свободно вращается, что в последствии позволит мне опускать мачту. После этого, через переходник с 1¼" на 1", я привернул отрезок трубы длиной 30 см. Позже между переходником и тройником я вставил еще один 1" тройник, через отверстие которого можно было бы выпустить идущие от флюгера провода. В последний момент я просверлил отверстия в деревянном круге, чтобы иметь возможность закреплять основание на земле с помощью шпилек.

На этой фотографии флюгер и основание показаны вместе. Теперь вы можете представить себе, как будет выглядеть вся конструкция после того, как две части будут соединены трехметровой трубой. Однако постройкой генератора я занимался во Флориде, а использовать его собирался в Аризоне. Везти длинную трубу через всю страну мне не хотелось. Но тогда получалось, что турбина не будет окончательно собрана и полностью испытана, пока я не доеду до места. От этого мне было немного неспокойно.

Затем все деревянные детали я покрасил в два слоя белой латексной краской, оставшейся от другого проекта. На этой фотографии можно также увидеть свинцовый противовес, который я прикрепил под хвостом, чтобы сбалансировать флюгер.

Последний снимок сделан после того, как ветроколесо было присоединено к мотору. Сборка генератора закончена.

У меня не было возможность проверить свое устройство до отъезда в Аризону. Правда, в один ветреный день, я взял генератор в руки, вышел на улицу и поднял его высоко над головой, чтобы узнать, как он будет вращаться. В считанные секунды лопасти набрали чудовищные обороты (ведь нагрузки у генератора не было) и я осознал, что не имею понятия, как опустить генератор на землю, не разрубив себя на кусочки. К счастью, в конце концов, мне удалось отвернуть его от ветра и замедлить вращение. Еще раз подобной ошибки я не сделаю.

Теперь, когда все части генератора были у меня в руках, пришло время подумать об электронной части проекта. Ветроэлектростанция должна состоять из ветрогенератора, одной или нескольких аккумуляторных батарей, для сохранения энергии, получаемой от генератора, блокировочного диода, который не позволяет генератору раскручиваться от напряжения аккумуляторов, балластной нагрузки для «слива» избыточной энергии после полного заряда аккумуляторов, и управляющего всем этим хозяйством контроллера.

Для целей солнечной и ветроэнергетики разработано множество контроллеров. Почти все можно купить на Ebay. Но я решил сделать собственный, и опять полез в Googlе. Информации нашлось много, включая полные принципиальные схемы контроллеров заряда. За основу своей схемы я взял эту:

На этом сайте все описано в мельчайших подробностях, поэтому я затрону описание контроллера в довольно общих выражениях. Как и в случае генератора, руководствуясь чужими рекомендациями, я многое сделал по своему. Прежде всего из-за того, что будучи с ранних лет заядлым радиолюбителем, я накопил огромное количество деталей, которые решил непременно использовать, чтобы поменьше покупать в магазине. Я не так уж сильно переработал схему, но в конечном счете. Получилось так, что покупать мне пришлось только реле.

Независимо от того, покупная у вас турбина, или самодельная, контролер для нее нужен всегда. Основное назначение контроллера состоит в том, чтобы отслеживать напряжение на аккумуляторах и направлять энергию турбины либо в аккумуляторы, либо, если аккумуляторы полностью зарядились, в дополнительную нагрузку. Схема и пояснения из приведенной выше ссылки хорошо объясняют принцип его работы.

Вот фотография сделанного мною контроллера.

Для начала все детали я привернул к листу фанеры. Со временем я смонтирую их в водонепроницаемом корпусе.

Небольшая макетная плата по центру в нижней части фотографии, с микросхемами и другими деталями, – собственно, и есть контроллер. На серебристом уголке под макетной платой установлены две кнопки, с помощью которых я могу вручную переключать ток генератора либо на аккумуляторы, либо на дополнительную нагрузку. В большой черном теплоотводе в нижнем левом углу находятся два блокировочных диода на ток 40 А. Пока я использую только один, но второй понадобится, если я захочу поставить еще один ветрогенератор или солнечную батарею. Двойной ряд золотистых прямоугольников вверху – это гасящая нагрузка, собранная из мощных резисторов. Сопротивление каждого резистора 2 Ом. Они используются для отвода мощности турбины при полном заряде аккумулятора, и кроме того, служат эквивалентом нагрузки при испытаниях турбины. В дальнейшем я планирую использовать эту энергию каким-либо более полезным способом. Например, для нагрева воды, или для заряда еще одного аккумулятора. Ниже гасящей нагрузки, слева установлен главный предохранитель ветрогенератора. Небольшой серый кубик – это автомобильное реле на 40 А. Именно оно переключает ток турбины между аккумулятором и нагрузкой. По правой стороне расположился ряд клеммных контактов, с помощью которых я произвожу все внешние подключения.

Генератор турбины подключается к контроллеру. От контроллера идут провода к аккумулятору. Туда же подключается и нагрузка. Если напряжение на аккумуляторе падает ниже 11.9 В, контроллер подключает генератор к аккумулятору, и последний начинает заряжаться. Если напряжение аккумулятора достигает 14 В, контроллер подключает к нему дополнительную нагрузку. Оба пороговых напряжения, 11.9 В и 14 В, можно изменять подстроечными резисторами. Интересуясь в Интернете, какими же должны быть эти пороги для свинцовых аккумуляторов, я обнаружил некоторые расхождения у различных авторов. Для своей схемы я взял усредненные значения.

При напряжении аккумулятора между 11.9 В и 14 В, контроллер может переключать систему между зарядом и отдачей тока в нагрузку. Пара кнопок позволяет мне делать эти переключения в любое время, независимо от контроллера. Очень удобно при наладке устройства.

Желтый светодиод зажигается во время зарядки аккумулятора. Когда аккумулятор заряжен, и избыточная мощность отводится в дополнительную нагрузку, загорается зеленый светодиод. Таким образом, я имею минимальную обратную связь, позволяющую понять, что происходит в системе. Кроме того, с помощью мультиметра я могу измерять напряжения в любых точках. Все это не очень удобно.
Как только у меня дойдут руки до того, чтобы упаковать конструкцию в подходящий корпус, я непременно добавлю вольтметр и амперметр, возможно, от автомобильного приборного щитка.

Я использовал свою собранную на листе фанеры схему, что бы с помощью внешнего источника питания имитировать различные режимы заряда и разряда аккумулятора, и настроить контроллер. Устанавливая напряжение 11.9 В, а затем 14 В, я выставил подстроечными резисторами требуемые пороги. Сделать это следовало до отъезда, так как заниматься настройкой в поле никакой возможности у меня не было бы.

Доработка

Исследовав подробнее правила заряда свинцовых аккумуляторов, верхний порог я установил равным 14.8 В. Кроме того, от брата мне достались герметичные свинцовые аккумуляторы, которыми я и заменил обычные, использовавшиеся первоначально.

Важно !

Я понял, что в первую очередь, надо подключать к контроллеру аккумулятор, и только потом ветрогенератор или солнечную батарею. Если генератор подключить первым, волны напряжения не будут сглаживаться аккумулятором, контроллер будет работать неправильно, реле хаотически переключаться, а броски напряжения, в конце концов, приведут к выходу из строя микросхем. Короче, всегда подключайте аккумуляторную батарею первой, а ветрогенератор вслед за ней. И наоборот, разбирая систему, убедитесь в первую очередь, что генератор отключен. Батарею отключайте последней.

Наконец, проект завершен. До моего отъезда осталась всего неделя. Пролетела она быстро. Я разобрал турбину и тщательно упаковал все детали и инструменты, необходимые, чтобы собрать турбину после поездки через всю страну. Погрузив все в машину, я во второй раз поехал на свой участок в Аризоне, на этот раз с надеждой, что хоть какое-то электричество у меня там будет.

www.mdpub.com