Tigrezno
Ниже предоставлена инструкция, с помощью которой вы сможете «переработать» старый сканер в впечатляющий генератор электричества.
Нам понадобятся:
Помимо флуоресцентной трубы и электронных компонентов, в сканере есть шаговый двигатель, именно он нам и понадобится. На фото показан четырехфазный шаговый двигатель.
Заметка 3. Было использовано свободное ПО для разработки схемы http://qucs.sourceforge.net/.
Собираем лопасти. Более подробно .
К сожалению схемы устройства нет, однако собрать похожее по фотографии не так уж и сложно.
Конец! Теперь осталось дождаться ветряного дня и опробовать устройство, как видно на фотографии - устройство стабильно генерирует напряжение 4.95 В. Теперь вы можете бесплатно заряжать МР3 плеер или телефон!
Ветер - это бесплатная энергия! Так давайте же её использовать в личных целях. Если создание ВЭС в промышленных масштабах это очень дорого, потому что кроме генератора нужно провести ряд исследований и расчётов, государство не берет на себя такие расходы, а инвесторам в странах бывшего СССР - это, почему-то не вызывает особого интереса. То в частном порядке можно сделать мини-ветряк для собственных нужд. Стоит понимать, что проект перевода вашего дома на альтернативную энергию очень дорогое занятие.
Как уже было сказано: нужно произвести длительные наблюдения и расчёты, чтобы подобрать оптимальное соотношение размеров ветряного колеса и генератора, подходящее к вашему климату, розе ветров и среднегодовой скорости ветра.
Эффективность ветроэлектрической установки в пределах одного региона может отличаться в разы, это связано с тем, что движение ветра зависит не только от климатического пояса, но и от рельефа местности.
Однако вы можете узнать, что такое ветроэнергетика с минимальными затратами собрав бюджетную установку для питания маломощной нагрузки, типа смартфона, лампочек или радиоприёмника. При должном подходе вы можете обеспечить электроэнергией небольшой дом или дачный участок.
Давайте рассмотрим каким образом можно сделать простейшую ветроэлектрическую установку своими руками.
Маломощные ветряки из подручных средств
Компьютерный кулер представляет собой бесколлектроный двигатель, который в своем первоначальном виде не представляет практической ценности.
Его нужно перемотать, так как в оригинале обмотки соединены неподходящим образом. Мотать катушки поочередно:
По часовой стрелке;
Против часовой стрелки;
По часовой стрелке;
Против часовой стрелки.
Соединять соседние катушки нужно последовательно, а еще лучше мотать одним куском провода переходя от одного паза к другому. Толщину провода в этом случае подбирать произвольно, лучше будет если вы намотаете как можно больше витков, а это возможно при использовании наименее тонким проводом.
Выходное напряжение с такого генератора будет переменным, а его величина будет зависеть от оборотов (скорости ветра), установите диодный мост из диодов Шоттки, чтобы выпрямить его до постоянного, обычные диоды подойдут, но будет хуже, т.к. на них упадёт напряжение от 1 до 2-х вольт.
Лирическое отступление, немного теории
Запомните величина ЭДС равняется:
где L - длина проводника помещенного в магнитное поле; V - скорость вращения магнитного поля;
При модернизации генератора вы можете влиять только на длину проводника, то есть на количество витков каждой из катушек. Количество витков - определяет выходное напряжение, а толщина провода - максимальную токовую нагрузку.
На практике влиять на скорость ветра нельзя. Однако из этой ситуации тоже есть выход, можно, узнав типовую скорость ветра для вашей местности спроектировать подходящий по оборотам винт для ветроэлектрической установки, а также редуктор или ременную передачу, для обеспечения достаточных оборотов для генерации нужного по величине напряжения.
ВАЖНО: Быстрее не значит лучше!!! При слишком большой скорости вращения ветрогенератора сократиться его ресурс, ухудшаться смазочные свойства втулок или подшипников ротора, и он заклинит, а быстрее всего произойдет пробой изоляции обмоток в генераторе
Генератор состоит из:
Увеличиваем мощность генератора из компьютерного кулера
Во-первых, чем больше лопастей и диаметр колеса - тем лучше, поэтому присмотритесь к 120-мм кулерам.
Во-вторых, мы уже сказали, что напряжение зависит и от магнитного поля, дело в том, что промышленные генераторы высокой мощности имеют обмотки возбуждения, а низкой мощности - сильные магниты. В кулере магниты крайне слабые и не позволяют добиться хороших результатов от генератора, да и зазор между ротором и статором весьма велик - порядка 1 мм, и это при и без того слабых магнитах.
Решение этой проблемы кардинально изменить конструкцию генератора. Вернее, от кулера потребуется только крыльчатка, в качестве самого генератора применим моторчик от принтера или любой другой бытовой техники. Наиболее часто встречаются щеточные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов.
В результате это будет выглядеть так.
Мощности подобного генератора хватит, чтобы запитать светодиоды, радиоприемник. Для подзарядки телефона его не хватит, телефон будет отображать процесс заряда, но ток будет крайне мал, до 100 Ампер, при ветре 5-10 метров в секунду.
Шаговые двигателя в роли ветрогенератора
Шаговый двигатель очень часто встречается в компьютерной и бытовой технике, в различных проигрывателях, флоппи-дисководах (интересны старые модели 5.25”), принтерах (особенно матричных), сканерах и т.д.
Данные двигатели без переделок могут работать в роли генератора, они представляют собой ротор с постоянными магнитами, и статор с обмотками, типовая схема подключения шагового двигателя в режиме генератора изображена на рисунке.
В схеме установлен линейный стабилизатор на 5 Вольт, типа L7805, что позволит без опасения подключать мобильные телефоны к такому ветряку для их зарядки.
На фото генератор из шагового двигателя с установленными лопастями.
Двигатель в конкретном случае с 4-мя выходными проводами, схема соответственно под него. Двигатель с такими габаритами в режиме генератора выдаёт примерно 2 Вт при слабом ветре (скорость ветра около 3 м/с) и 5 м/с при сильном (до 10 м/с).
Кстати вот аналогичная схема со стабилитроном, вместо L7805. Позволяет заряжать Li-ion батареи.
Доработка самодельного ветряка
Чтобы генератор работал эффективнее нужно сделать ему направляющий хвостовик и закрепить его на мачте подвижно. Тогда при изменении направления ветра - будет изменяться направление ветрогенератора. Тогда возникает следующая проблема - кабель, идущий от генератора к потребителю будет закручиваться вокруг мачты. Чтобы это решить нужно обеспечить подвижный контакт. На Ebay и Aliexpress продаётся готовое решение.
Нижних три провода - неподвижны идут вниз, а верхний пучок проводов - подвижен, внутри установлен скользящий контакт или щеточный механизм. Если у вас нет возможности купить, проявите смекалку, и, вдохновившись решением конструкторов автомобиля Жигули, а именно реализацией подвижного контакта кнопки сигнала на руле и сделайте что-то похожее. Или воспользуйтесь контактной площадкой от электрочайника.
Соединив разъёмы, вы получите подвижный контакт.
Мощный ветрогенератор из подручных средств.
Для получения большей мощности вы можете использовать два варианта:
1. Генератор из шуруповерта (10-50 Вт);
Из шуруповерта понадобиться только моторчик, вариант аналогичен предыдущему, в качестве винта вы можете использовать лопасти от вентилятора, это увеличит итоговую мощность вашей установки.
Вот пример реализации такого проекта:
Обратите внимание как здесь реализована шестеренчатая повышающая передача - вал ветрогенератора расположен в трубе, на его конце расположена шестерня, которая передаёт вращение меньшей шестерне закрепленной на валу двигателя. Повышение оборотов двигателя имеет место и в промышленных ветряных электроустановках. Редуктора применяются повсеместно.
Однако в условиях самоделки изготовить редуктор становиться большой проблемой. Вы можете извлечь редуктор из электроинструмента, он там нужен чтобы понизить высокие обороты на валу коллекторного двигателя в нормальные обороты патрона на дрели, или диска болгарки:
В дрели установлен планетарный редуктор;
В болгарке установлен угловой редуктор (станет полезным для монтажа некоторых установок и уменьшит нагрузку с хвоста ВЭУ);
Редуктор от ручной дрели.
Такой вариант самодельного ветрогенератора уже может заряжать 12 В аккумуляторы, однако нужен преобразователь для формирования зарядного тока и напряжения. Эту задачу можно упростить применив автомобильный генератор.
Преимущество такого генератора - возможность использовать его для зарядки автомобильных аккумуляторов, в принципе он для этого и предназначен. Автогенераторы имеют встроенное реле-регулятор напряжения, что избавляет от необходимости покупать дополнительные стабилизаторы или преобразователи.
Однако автолюбители знают, что на низких холостых оборотах, примерно 500-1000 Об/мин мощность такого генератора мала, и он не обеспечивает должного тока для заряда аккумулятора. Это приводит к необходимости подключения к ветроколесу через редуктор или ременную передачу.
Отрегулировать количество оборотов при нормальной для ваших широт скорости ветра можно с помощью подбора передаточного числа либо с помощью правильно спроектированного ветроколеса.
Полезные советы
Пожалуй, самая удобная для повторения конструкция мачты для ветряка - изображена на картинке. Такая мачта растягивается на тросах, закрепленных на держателях в земле, что обеспечивает устойчивость.
Важно: Высота мачты должна быть как можно большей примерно 10 метров. На большей высоте ветер сильнее, потому что для него нет препятствий в виде наземных сооружений, холмов и деревьев. Ни в коем случае не устанавливайте ветрогенератор на крыше своего дома. Резонансные колебания крепежных конструкций могут вызвать разрушение его стен.
Позаботьтесь о надёжности несущей мачты, ведь конструкция ветряка на базе такого генератора значительно утяжеляется и представляет собой уже довольно серьезное решение, которое может осуществлять автономное электроснабжение дачи с минимальным набором электрических приборов. Устройства, которые работают от 220 Вольт можно запитать от инвертора 12-220 В. Самый распространённый вариант такого инвертора - .
Лучше использовать генераторы от дизельных, в т.ч. грузовых автомобилей, ведь они рассчитаны для работы на низких оборотах. В среднем дизельный двигатель крупного грузовика работает в диапазоне оборотов от 300 до 3500 об/мин.
Современные генераторы выдают 12 или 24 Вольт, а ток в 100 Ампер - уже давно стал нормальным. Проведя несложные вычисления можно определить, что такой генератор максимально выдаст вам до 1 кВт мощности, а генератор от жигулей (12 В 40-60 А) 350-500 Вт, что уже довольно приличная цифра.
Каким должно быть ветроколесо для самодельной ВЭУ?
Я упомянул в тексте о том, что ветроколесо должно быть большим и с большим количеством лопастей, на самом деле это не так. Это утверждение было справедливо для тех микро-генераторов, которые не претендуют на звание серьезных электрических машин, а скорее экземпляры для ознакомления и досуга.
На самом деле проектирование, расчёт и создание ветроколеса - это очень сложная задача. Энергия ветра будет использоваться рациональнее, если оно выполнено очень точно и идеально выведен «авиационный» профиль, при этом он должен быть установлен с минимальным углом к плоскости вращения колеса.
Реальная мощность ветроколес с одинаковым диаметром и разным количеством лопастей - одинаково, разница лишь в скорости их вращения. Чем меньше крыльев - тем больше оборотов в минуту, при том же ветре и диаметре. Если вы собираетесь добиться максимальных оборотов вы должны максимально точно смонтировать крылья с минимальным углом к плоскости их вращения.
Ознакомьтесь с таблицей из книги 1956 года «Самодельная ветроэлектростанция» изд. ДОСААФ Москва. На ней показана связь диаметра колеса, мощности и оборотов.
В домашних условиях эти теоретические выкладки дают мало толку, любители делают ветроколеса из подручных средств, в ход идёт:
Листы металла;
Пластиковые канализационные трубы.
Собрать своими руками быстроходное 2-4 лопастное ветроколесо можно из канализационных труб, кроме них нужна ножовка или любой другой режущий инструмент. Использование этих труб обусловлено их формой, после обрезки они имеют вогнутую форму, что обеспечивает высокую отзывчивость к потокам воздуха.
После обрезки их закрепляют с помощью БОЛТОВ на металлической, текстолитовой или фанерной болванке. Если вы собрались делать её из фанеры - лучше переклейте и скрутите саморезами с обеих сторон несколько слоев фанеры, тогда у вас получится добиться жесткости.
Вот идея двух лопастной цельной крыльчатки для генератора из шагового двигателя.
Выводы
Вы можете сделать ветроэлектрическую установку начиная от малых мощностей - единиц Ватт, для питания отдельных светодиодных светильников, маячков и мелкой техники, до хороших значений мощности в единицах киловатт, накапливать энергию в аккумуляторе, использовать её в исходном виде или преобразовывать до 220 Вольт. Стоимость такого проекта будет зависеть от ваших потребностей, пожалуй, самым дороги элементом является мачта и аккумуляторы, может оказаться в пределах 300-500 долларов.
Пришла в голову простая, очевидная, но гениальная мысль. Ведь если учесть, что шаговый двигатель является не только моторчиком, который обеспечивает механическую работу абсолютно разных устройств (начиная от принтеров сканеров и другой офисной аппаратуры, заканчивая различными агрегатами, применяемыми в более серьезных устройствах). Шаговый двигатель так же может послужить отличным генератором электричества!
А его самый главный плюс во всем, это то, что ему вовсе не требуются большие обороты, он вполне может исправно работать и при малых нагрузках. То есть даже при минимальном действии силы направленной на него, шаговый двигатель отлично вырабатывает энергию. Самое главное, что этой энергии вполне хватит на различные нужды, вроде освещения дороги велосипедисту с помощью подключенного к шаговому двигателю фонаря.
К сожалению с обычным генератором стандартному велосипеду будут все же необходимы начальные обороты, до того как фонарик начнет испускать лучи достаточно яркого света для четкого освещения пути. Но при использовании шагового двигателя этот недостаток удаляется сам собой, то есть освещение будет подаваться сразу как только начнется вращение колеса.
Но правда у этой чудо конструкции все же будет ряд недочетов. Например наиболее явный из них, это большое магнитное залипание. Но на самом деле это не так страшно для велосипедиста.
Что приступая к работе нам будет необходимо найти некоторые детали:
1) Собственно сам шаговый двигатель.
2) парочка конденсаторов большой емкости.
3) светодиодные фонари
4) стабилизатор напряжения 5-6 вольт.
Найти шаговый двигатель довольно просто в силу того, что он весьма распространен во всех офисных приборах. Единственное что нужно понимать, это то, что чем больше шаговый двигатель - тем соответственно лучше для нас.
Тут будет описано и представлено несколько моделей шаговых двигателей и различные варианты их крепления к железному коню.
Для начала возьмем самый большой двигатель, что удалось раздобыть автору. Он демонтировал его из обычного офисного плоттера для печати(по сути это принтер, только в несколько раз большего размера).
Внешне двигатель довольно велик.
Но прежде чем приступить к изучению схемы стабилизации так же схемы питания, стоит обратить внимание на методику крепления этого агрегата к велобайку.
И все же так как модель велосипеда у каждого своя и кто-то не захочет повреждать раму саморезами, вам будет нужно самому разработать крепление а так же круг вращения, вариантов тут действительно много.
Если же вы не представляете себе как прикрутить большой шаговый двигатель к конструкции, есть вариант поменьше:
Чтож когда с шаговыми двигателями разобрались, можно приступить и к фонарям и цепям питания.
Шаговый двигатель стандартно имеет на выходе четыре проводка, которые соответствуют двум катушкам. именно по этой причине на изображении выпрямительных блока тоже два. Этот самодельный генератор электричества вполне может выдавать аж до 50 вольт напряжения на больших оборотах, так что, конденсаторы лучше взять соответственные(напряжение выше 50). Ну а стабилизатор на напряжение 5-6 вольт.
И так в чем же суть самоделки, и почему она понадобилась?
Все дело в его преимуществе, даже только тронувшись с места- вам путь будет уже ярко освещен фонарем, запитанным от нашего шагового двигателя- он же генератор.
Так же хотелось бы отметить, что в процессе движения фонарь не будет мигать или тухнуть- освещение будет плавным и ровным.
Обычно дует лёгенький ветерок но мой мини ветрячёк периодически раскручивается до очень больших оборотов, винт вращается с такой скоростью, что его практически не видно, правда при таких оборотах доносится едва слышное рокатание лопастей. Сейчас этот ветрячёк поддерживает в рабочем состоянии старенький, но рабочий аккумулятор, чтобы тот не разряжался. Максимальная мощность ветрячка всего до 100мА, возможно он может выдать и больше, но у нас обычно дует небольшой ветер, и замерял на обычном ветерке.
Конструкцию подобных ветрячков подсмотрел на одном заморском сайте и решил повторить, так и родился этот малыш. В качестве генератора использовал шаговый моторчик от давно нерабочего и пылившегося у меня струйного принтера. Разобрав его выкрутил маторчик. Далее посмотрел, повертел, покрутил руками, померил сколько даёт, давал очень мало, но вольты поднимались выше 12-ти, а значит он теоретически мог заряжать аккумулятор.
Далее из транзистора сделал крепление для лопастей. Транзистор просверлил по диаметру вала на котором стаяла зубчатая насадка, в общем под её размеры. Надел на вал транзистор, капнул клея и покрутил убедившись что всё ровно. Потом окончательно зафиксировал с помощъю эпоксидки. Развёл немного и залил отверстие транзистора, дополнительно защитил моторчик от непогоды замазав дырочки в моторчике. Ниже фотография сего генератора.
Далее из отрезка ПВХ трубы, диаметром 110мм, вырезал лопасти, на трубе нарисовал заготовку, которую вырезал отрезной машинкой. Размеры взял примерные ширина получилась 9см, а размах винта 48см. Просверлил отверстия и прикрутил винт к моторчику-генератору с помощъю маленьких болтиков.
За основу использовал отрезок 55-той ПВХ трубы, далее вырезал хвост из фанерки, и добавил кусочек от 110-той.Моторчик вклеил внутри трубы. После сборки получилась вот такая ветроэлектростанция. Сразу собрал выпрямитель.Так как этот мотор не хотел давать много вольт на малых оборотах, то собрал по схеме удвоения и включил последовательно.
Диоды взял HER307, конденсаторы — 3300мкф
Схему укутал в полиэтилен и вставил в трубу выпрямитель, потом мотор и привязал его проволокой сквозь просверленные дырочки, пространство замазал силиконом. Так-же силиконом потом замазал все дырдочки сверху, а снизу просверлил одно отверстие на всякий случай, чтобы если что вода стекла, и испарялся конденсат.
Хвост закрепил насквозь болтом, полукруглый хвост вставил и привязал проволокой, он и так прочно держится. Нашёл центр тяжести, просверлил (диам. 9мм.) Ещё просверлил диам. 6мм два болта М10, насквозь, под ось. (Болты М10 здесь служат «подшипником» оси) Ввернул сверху и снизу болты М10 в трубу, смазал длинный болт М6 солидолом и всё скрутил, получилось довольно жёстко. Болт-ось (М6) прикрутил к уголку, а его к палке. Сверху на болт М10 одел на силиконе пробку, теперь ось воды не боится. Всё ветрогенератор изготовлен.
Для мачты взял несколько брусочков. которые скрутил саморезами, закрепил ветряк и поднял на ветер. Подключил к аккумулятору, зарядка идёт, но очень слабенькая, поддерживает аккумулятор от естественного разряда. Так как верячок крутиться, то остался доволен, по крайней мере буду знать откуда ветер дует.Этот вариант — как сказано на том сайте — little weekend project, то-есть маленький проект для выходных, для удовольствия что-нить поковырять, тем более я не потратил ни копейки… клей не в счёт. Так по идее может пару маленьких светодиодов зажечь, или мобильный телефон за пару суток зарядить, но скорее всего такой слабый ток телефон примет за плохой контакт и отключит, написав на дисплее плохое соединение.
В будущем если будет время и желание может сделаю на освещение двора, вот только второй такой-же соберу и аккумулятор небольшой поставлю, или несколько аккумуляторных батареек. Для этого остался ещё один шаговый, только этот выдаёт под 2х20вольт от прокручивания рукой, но ток маленький. А второй — на щётках, сразу постоянка. От руки 10 вольт, КЗ — 0,5 Ампера. А ещё всё-же буду мучить автогенератор, вот только магниты дождусь.
Проезжая на велосипеде мимо дачных участков, я увидел работающий ветрогенератор:
Большие лопасти медленно, но верно вращались, флюгер ориентировал устройство по направлению ветра.
Мне захотелось реализовать подобную конструкцию, пусть и не способную вырабатывать мощность, достаточную для обеспечения "серьезных" потребителей, но все-таки работающую и, например, заряжающую аккумуляторы или питающую светодиоды.
Шаговые двигатели
Одним из наиболее эффективных вариантов небольшого самодельного ветроэлектрогенератора является использование шагового двигателя
(ШД) (англ. stepping (stepper, step) motor
) - в таком моторе вращение вала состоит из небольших шагов. Обмотки шагового двигателя объединены в фазы. При подаче тока в одну из фаз происходит перемещение вала на один шаг.
Эти двигатели являются низкооборотными
и генератор с таким двигателем может быть без редуктора подключен к ветряной турбине, двигателю Стирлинга или другому низкооборотному источнику мощности. При использовании в качестве генератора обычного (коллекторного) двигателя постоянного тока для достижения таких же результатов потребовалась бы в 10-15 раз более высокая частота вращения.
Особенностью шаговика является достаточно высокий момент трогания (даже без подключенной к генератору электрической нагрузки), достигающий 40 грамм силы на сантиметр.
Коэффициент полезного действия генератора с ШД достигает 40 %.
Для проверки работоспособности шагового двигателя можно подключить, например, красный светодиод. Вращая вал двигателя, можно наблюдать свечение светодиода. Полярность подключения светодиода не имеет значения, так как двигатель вырабатывает переменный ток.
Кладезем таких достаточно мощных двигателей являются пятидюймовые дисководы гибких дисков, а также старые принтеры и сканеры.
Двигатель 1
Например, я располагаю ШД из старого 5.25″ дисковода, работавшего еще в составе ZX Spectrum
- совместимого компьютера "Байт".
Такой дисковод содержит две обмотки, от концов и середины которых сделаны выводы - итого из двигателя выведено шесть
проводов:
первая обмотка (англ. coil 1
) - синий
(англ. blue
) и желтый
(англ. yellow
);
вторая обмотка (англ. coil 2
) - красный
(англ. red
) и белый (англ. white
);
коричневые
(англ. brown
) провода - выводы от средних точек каждой обмотки (англ. center taps
).
разобранный шаговый мотор
Слева виден ротор двигателя, на котором видны "полосатые" магнитные полюсы - северный и южный. Правее видна обмотка статора, состоящая из восьми катушек.
Сопротивление половины обмотки составляет ~ 70 Ом.
Я использовал этот двигатель в первоначальной конструкции моего ветрогенератора.
Двигатель 2
Находящийся в моем распоряжении менее мощный шаговый двигатель T1319635
фирмы Epoch Electronics Corp.
из сканера HP Scanjet 2400
имеет пять
выводов (униполярный мотор):
первая обмотка (англ. coil 1
) - оранжевый
(англ. orange
) и черный (англ. black
);
вторая обмотка (англ. coil 2
) - коричневый
(англ. brown
) и желтый
(англ. yellow
);
красный
(англ. red
) провод - соединенные вместе выводы от средней точки каждой обмотки (англ. center taps
).
Сопротивление половины обмотки составляет 58 Ом, которое указано на корпусе двигателя.
Двигатель 3
В улучшенном варианте ветрогенератора я использовал шаговый двигатель Robotron SPA 42/100-558
, произведенный в ГДР и рассчитанный на напряжение 12 В:
Ветротурбина
Возможны два варианта расположения оси крыльчатки (турбины) ветрогенератора - горизонтальное и вертикальное.
Преимуществом горизонтального (наиболее популярного) расположения оси, располагающейся по направлению ветра, является более эффективное использование энергии ветра, недостаток - усложнение конструкции.
Я выбрал вертикальное расположение оси - VAWT (vertical axis wind turbine ), что существенно упрощает конструкцию и не требует ориентации по ветру . Такой вариант более пригоден для монтирования на крышу, он намного эффективнее в условиях быстрого и частого изменения направления ветра.
Я использовал тип ветротурбины, называемый ветротурбина Савониуса (англ.Savonius wind turbine
). Она была изобретена в 1922 году Сигурдом Йоханнесом Савониусом (Sigurd Johannes Savonius
) из Финляндии.
Сигурд Йоханнес Савониус
Работа ветротурбины Савониуса основана на том, что сопротивление (англ. drag ) набегающему потоку воздуха - ветру вогнутой поверхности цилиндра (лопасти) больше, чем выпуклой.
Коэффициенты аэродинамического сопротивления (англ. drag coefficients) $C_D$
двумерные тела:
вогнутая половина цилиндра (1) - 2,30
выпуклая половина цилиндра (2) - 1,20
плоская квадратная пластина - 1,17
трехмерные тела:
вогнутая полая полусфера (3) - 1,42
выпуклая полая полусфера (4) - 0,38
сфера - 0,5
Указанные значения приведены для чисел Рейнольдса (англ. Reynolds numbers
) в диапазоне $10^4 - 10^6$. Число Рейнольдса характеризует поведение тела в среде.
Сила сопротивления тела воздушному потоку ${F_D} = {{1 \over 2} {C_D} S \rho {v^2} } $, где $\rho$ - плотность воздуха, $v$ - скорость воздушного потока, $S$ - площадь сечения тела.
Такая ветротурбина вращается в одну и ту же сторону, независимо от направления ветра:
Подобный принцип работы используется в чашечном анемометре (англ. cup anemometer)
- приборе для измерения скорости ветра:
Такой анемометр был изобретен в 1846 году ирландским астрономом Джоном Томасом Ромни Робинсоном (John Thomas Romney Robinson
):
Робинсон полагал, что чашки в его четырехчашечном анемометре перемещаются со скоростью, равной одной трети скорости ветра. В реальности это значение колеблется от двух до немногим более трех.
В настоящее время для измерения скорости ветра используются трехчашечные анемометры, разработанные канадским метеорологом Джоном Паттерсоном (John Patterson
) в 1926 году:
Генераторы на коллекторных двигателях постоянного тока с вертикальной микротурбиной продаются на eBay
по цене около $5:
Такая турбина содержит четыре лопасти, расположенные вдоль двух перпендикулярных осей, с диаметром крыльчатки 100 мм, высотой лопасти 60 мм, длиной хорды 30 мм и высотой сегмента 11 мм. Крыльчатка насажена на вал коллекторного микродвигателя постоянного тока с маркировкой JQ24-125H670
. Номинальное напряжение питания такого двигателя составляет 3 ... 12 В.
Энергии, вырабатываемой таким генератором, хватает для свечения "белого" светодиода.
Скорость вращения ветротурбины Савониуса не может превышать скорость ветра , но при этом такая конструкция характеризуется высоким крутящим моментом (англ. torque ).
Эффективность ветротурбины можно оценить, сравнив вырабатываемую ветрогенератором мощность с мощностью, заключенной в ветре, обдувающем турбину:
$P = {1\over 2} \rho S {v^3}$ , где $\rho$ - плотность воздуха (около 1,225 кг/м 3 на уровне моря), $S$ - ометаемая площадь турбины (англ. swept area
), $v$ - скорость ветра.
Моя ветротурбина
Вариант 1
Первоначально в крыльчатке моего генератора использованы четыре лопасти в виде сегментов (половинок) цилиндров, вырезанных из пластиковых труб
:
Размеры сегментов -
длина сегмента - 14 см;
высота сегмента - 2 см;
длина хорды сегмента - 4 см;
Я установил собранную конструкцию на достаточно высокой (6 м 70 см) деревянной мачте из бруса, прикрепленную саморезами к металлическому каркасу:
Вариант 2
Недостатком генератора была достаточно высокая скорость ветра, требуемая для раскрутки лопастей. Для увеличения площади поверхности я использовал лопасти, вырезанные из пластиковых бутылок
:
Размеры сегментов -
длина сегмента - 18 см;
высота сегмента - 5 см;
длина хорды сегмента - 7 см;
расстояние от начала сегмента до центра оси вращения - 3 см.
Вариант 3
Проблемой оказалась прочность держателей лопастей. Сначала я использовал перфорированные алюминиевые планки от советского детского конструктора толщиной 1 мм. Через несколько суток эксплуатации сильные порывы ветра привели к излому планок (1). После этой неудачи я решил вырезать держатели лопастей из фольгированного текстолита (2) толщиной 1,8 мм:
Прочность текстолита на изгиб перпендикулярно пластине составляет 204 МПа и сравним с прочностью на изгиб алюминия - 275 МПа. Но модуль упругости алюминия $E$ (70000 МПа) намного больше, чем у текстолита (10000 МПа), т.е. тексолит намного эластичнее алюминия. Это, по моему мнению, с учетом большей толщины текстолитовых держателей, обеспечит гораздо большую надежность крепления лопастей ветрогенератора.
Ветрогенератор смонтирован на мачте:
Опытная эксплуатация нового варианта ветрогенератора показала его надежность даже при сильных порывах ветра.
Недостатком турбины Савониуса является невысокая эффективность
- только около 15 % энергии ветра преобразуется в энергию вращения вала (это намного меньше, чем может быть достигнуто с ветротурбиной Дарье
(англ. Darrieus wind turbine
)), использующей подъемную силу (англ. lift
). Этот вид ветротурбины был изобретен французским авиаконструктором Жоржем Дарье (Georges Jean Marie Darrieus) -
патент США от 1931 года № 1,835,018.
Жорж Дарье
Недостатком турбины Дарье является то, что у нее очень плохой самозапуск (для выработки крутящего момента от ветра турбины уже должна быть раскручена).
Преобразование электроэнергии, вырабатываемой шаговым двигателем
Выводы шагового двигателя могут быть подключены к двум мостовым выпрямителям, собранным из диодов Шоттки для снижения падения напряжения на диодах.
Можно применить популярные диоды Шоттки 1N5817
с максимальным обратным напряжением 20 В, 1N5819
- 40 В и максимальным прямым средним выпрямленным током 1 А. Я соединил выходы выпрямителей последовательно с целью увеличения выходного напряжения.
Также можно использовать два выпрямителя со средней точкой. Такой выпрямитель требует в два раза меньше диодов, но при этом и выходное напряжение снижается в два раза.
Затем пульсирующее напряжение сглаживается с помощью емкостного фильтра - конденсатора 1000 мкФ на 25 В. Для защиты от повышенного генерируемого напряжения параллельно конденсатору включен стабилитрон на 25 В.
схема моего ветрогенератора
электронный блок моего ветрогенератора
Применение ветрогенератора
Вырабатываемое ветрогенератором напряжение зависит от величины и постоянства скорости ветра.
При ветре, колышущем тонкие ветви деревьев, напряжение достигает 2 ... 3 В.
При ветре, колышущем толстые ветви деревьев, напряжение достигает 4 ... 5 В (при сильных порывах - до 7 В).
ПОДКЛЮЧЕНИЕ К JOULE THIEF
Сглаженное напряжение с конденсатора ветрогенератора может подаваться на - низковольтный DC-DC
преобразователь
Значение сопротивления резистора R
подбирается экспериментально (в зависимости от типа транзистора) - целесообразно использовать переменный резистор на 4,7 кОм и постепенно уменьшать его сопротивление, добиваясь стабильной работы преобразователя.
Я собрал такой преобразователь на базе германиевого pnp
-транзистора ГТ308В (VT
) и импульсного трансформатора МИТ-4В (катушка L1
- выводы 2-3, L2
- выводы 5-6) :
ЗАРЯД ИОНИСТОРОВ (СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ)
Ионистор (суперконденсатор, англ. supercapacitor
) представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.
Ионистор - неполярный
элемент, но один из выводов может быть помечен "стрелкой" - для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе.
Для первоначальных исследований я использовал ионистор емкостью 0,22 Ф на напряжение 5,5 В (диаметр 11,5 мм, высота 3,5 мм):
Я подключил его через диод к выходу через германиевый диод Д310.
Для ограничения максимального напряжения зарядки ионистора можно использовать стабилитрон или цепочку светодиодов - я использую цепочку из двух
красных светодиодов:
Для предотвращения разряда уже заряженного ионистора через ограничительные светодиоды HL1 и HL2 я добавил еще один диод - VD2 .
Продолжение следует
