Мощная стационарная ветроэлектростанция своими руками - конструкция и чертежи

Последний год целые города остаются без света. Вообще-то сия проблема социальная. Но, не имея возможности влиять на общественные процессы, многие читатели хотят решить ее чисто техническим путем. Письма с просьбой прислать чертежи ветроэлектростанции (ВЭС) поступают к нам каждый месяц.

Не следует думать, что достаточно насадить пропеллер на вал генератора - и ветряная электростанция готова! Скорость ветра очень непостоянна. Потому скорость вращения вала генератора будет меняться по много раз на день. Вслед за ней станет изменяться и напряжение, частота тока.

Согласно стандартам напряжение подаваемого в наши дома переменного тока в 220 В выдерживается с точностью плюс десять - минус пятнадцать процентов. А точность частоты в 50 Гц и того выше - одна десятая процента. Получить от ВЭС ток такого качества крайне трудно. 

Однако всегда ли оно необходимо? Все зависит от подключаемого электроприбора. Например, для компьютера или телевизора строгое соблюдение всех параметров абсолютно необходимо. Для электронагревательных приборов частота почти безразлична. При понижении напряжения в 1,5 раза некоторые из них, например утюг или электрокамин, сохраняют работоспособность. Лампа накаливания при уменьшении напряжения в 1,5 раза уменьшает свой световой поток в 4,3 раза. Но нет худа без добра, срок службы возрастает в 38 раз!

По сообщениям наших корреспондентов из «горячих точек», где отключение электроэнергии длилось месяцами, появились простейшие любительские ВЭС на основе пропеллера диаметром около двух метров, соединенного ременной передачей с велосипедным генератором. 

Нередко их устанавливали на балконах городских домов. Такие электростанции больше служили поднятию морального духа, чем каким-либо практическим целям. Цель данной статьи - изложить общие принципы, которые можно было бы положить в основу при самостоятельном изготовлении небольшой, достаточно эффективной ВЭС.

До революции Россия была на первом месте в мире по использованию энергии ветра. Общая мощность наших ветроэнергетических установок (в основном это были мельницы и насосные станции) достигала 1,2 миллиона кВт. В США к 1945 году общая мощность ветродвигателей достигла 6 миллионов кВт, причем среди них преобладали электростанции, впоследствии цены на нефть резко снизились, и интерес к ветроэнергетике везде резко упал. Сегодня общая мощность ветросиловых установок всего мира ниже, чем в дореволюционной России.

Однако возросли цены на нефть. Катастрофических размеров достигло вызванное сжиганием топлива загрязнение среды, и вновь возник интерес к энергии ветра. И нашей стране на территории Калмыкии создан комплекс ветроэлектростанций мощностью около 1000 кВт каждая. Это огромные сооружения с высокими башнями, увенчанные стометровыми роторами.

ВЭС, способная дать свет и тепло дому для 1 семьи. Это сооружение высотой 10 - 15 метров, с ротором диаметром 5 - 7 метров и мощностью около 10 кВт. Она оснащена системами автоматического поддержания параметров тока, батареей аккумуляторов и резервной дизельной электростанцией на случай длительного бездействия. За рубежом такие установки выпускаются в массовом масштабе и стоят не дороже автомобиля.

Прекрасные ВЭС мощностью до 250 Вт были разработаны в нашей стране еще в довоенное время (рис. 3). При массовом производстве они были бы не дороже мопеда и вполне доступны для самостоятельного изготовления. Чертежи одной из таких установок, ВИСХОМ Д-1,5 с максимальной мощностью 120 Вт, нам удалось найти в старой литературе. Она настолько проста, что ее можно сделать в школьных мастерских.

Во все времена стремились добиться постоянства скорости вращения ветряка. В начале XX века ветроэнергетика значительно продвинулась в своем развитии за счет идей, взятых М авиации.

Так, например, появился винт переменного шага с поворотом лопастей относительно продольной оси. На ветродвигателе Д-1,5 для поворота лопастей служили специальные грузики (рис. 1). При вращении ротора на них возникал гироскопический эффект, стремящийся развернуть лопасть вдоль потока. Но на оси лопасти была еще и пружина, которая при этом закручивалась, препятствуя повороту. При определен ном подборе массы грузиков за счет противоборства сил инерции и упругости пружины удавалось поддерживать скорость вращения ротора с точностью до 6% при изменении скорости ветра от 4 до 12 м/с.

Однако винт переменного шага дорог и сложен. Его применение на маломощных ветродвигателях экономически не оправдывалось.

Наиболее дешевые ветряки оснащались деревянным винтом постоянного шага. Поддержание постоянства скорости осуществлялось при помощи «лопаты» (рис. 2). Она стремилась развернуть плоскость вращения винта по ветру, что уменьшало скорость вращения. Хвост же ветродвигателя, напротив, ставил плоскость вращения винта перпендикулярно ветру, чем достигалось ее увеличение. Регулирование опять-таки достигалось в результате противоборства этих двух сил. Однако без введения дополнительных сложных устройств качество регулирования получалось невысоким. Сегодня подобное регулирование осуществляется с помощью электроники.

Поддерживая постоянство скорости вращения, можно получать стабильное напряжение и частоту тока. Мощность же, развиваемая генератором, по-прежнему зависит от скорости ветра. Например, ветродвигатель Д-1,5 при скорости 4 м/с развивал мощность на клеммах генератора 2,5 Вт; при 5 м/с - 13 Вт; при 7 м/с - 60 и начиная с 8 и более м/с - 109 Вт. Поэтому без применения аккумуляторных батарей, сглаживающих эту неравномерность получаемой мощности, пользоваться ветряными электростанциями трудно.

Среднегодовая выработка энергии зависит от средней скорости ветра в данной местности. Там, где часто дуют сильные

ветры, а значит, могут прекрасно работать ветряки, например 1 Калмыцких степях, людей не так уж много. В обжитых же местностях либо дуют слабые ветры, либо сильный ветер час. Но сменяет безветрие. Поэтому ветряная электростанция Д-1,5 в местности со средней скоростью ветра 4 м/с выдает за год 191 кВт/ч. А при среднегодовой скорости ветра 7 м/с - 548 кВт/ч в год.

Учтем, что КПД электрогенератора малой мощности в те годы не превышал 50 %. Таким же низким был и КПД зарядно-разрядного цикла тогдашних аккумуляторов. Таким образом, потребитель получал лишь четвертую часть энергии от лопастей ветродвигателя. Сегодня эффективность подобной электростанции была бы в два раза выше.

Есть смысл сравнить ее с небольшими бензиновыми электростанциями. Обычно они расходуют около 400 г бензина на кВт/ч. Получается, что крохотная ветроэлектрическая станция довоенного образца экономит от 100 до 300 л бензина в год, а ее современное исполнение в два раза больше.

Ветроэлектростанция Д-1,5 крепилась на верхушке обычного зарытого в землю деревянного столба, применяемого для прокладки сельских линий электропередачи. Она состояла из автомобильного электрогенератора постоянного тока с двухлопастным пропеллером на валу. Он вращался со скоростью 900 - 1200 об/мин. Сам генератор был снабжен хвостом и мог свободно поворачиваться на оси под действием ветра. Общее представление о креплении головки ветродвигателя к оси дает рисунок 4. Конструкция это-го узла может быть и иной, более соответствующей вашим возможностям.

Важнейшая деталь двигателя - воздушный винт. От  его изготовления зависит вся работа электростанции (рис.5, 6). Чертеж лопасти винта взят из старого пособия. Заготовка ее состоит из 2 - 3 слоев толстой фанеры, склеенных казеиновым клеем. Готовая лопасть должна быть тщательно отлакирована и отполирована.

На рисунке 7 втулка винта с механизмом изменения шага. Его вам придется конструировать самостоятельно, приведя в соответствие с размерами современных шарикоподшипников и диаметром вала выбранного вами генератора. Поворот лопасти осуществлялся под действием инерционных сил, возникавших на поперечной стальной штанге (длина - 150, диаметр - 8 мм). На рисунке 8 - пружина регулирования, длина заготовки - 1175 мм, число витков - 14.

Сегодня опыт создания ветродвигателей утерян. Людей, практически знакомых с ними, почти нет. Опыт вам придется нарабатывать с нуля. На наш взгляд, целесообразно вначале изготовить винт постоянного шага, регулировку производить при помощи лопаты. Ее размеры следует подобрать экспериментально.

Электрогенератор, систему регулирования и аккумуляторную батарею можно взять от легкового автомобиля. В этом случае освещение дома можно производить с помощью автомобильных ламп накаливания. Но более целесообразно применить люминесцентные лампы, питаемые от постоянного тока по специальной схеме.

Как видите, заставить ветер освещать дом не так уж просто. Бог вам в помощь!