Саморобний вітряк із генератором із колекторного двигуна - Нова ера Водолія
Саморобний вітряк із генератором із колекторного двигуна
Коли сталася перебудова, багатьом довелося міняти професію і болісно шукати новий додаток рукам і розуму. Серед багатьох інших спроб були у мене й вітряки. Я сумлінно присвятив цьому рік із гаком. Досить швидко зрозумів, що без ґрунтовного навчання нічого путнього не вийде. Багато було незрозумілого, але поступово прояснилося. Нарешті, сьомий за рахунком екземпляр заробив більш-менш відповідно до розрахункових характеристик. Вітряк замислювався як джерело енергії для дачі з відвідуванням неповний тиждень. Замишлявся, як комерційний продукт. Звідси й розміри.
Мал. 1. Фото вітряка.
Діаметр турбіни 1.15 - 1.17м, трилопатева. Найбільше питання кількості лопатей вирішилося між двох і трьох на користь трьох через те, що хотілося, щоб турбіна впевненіше працювала при слабкому вітрі. Розрахункова швидкість 600 – 700 об/хв.
Мал. 2. Колекторний двигун
Генератор – колекторний двигун 36В з постійними магнітами болгарського виробництва. Здається, ці двигуни масово застосовувалися в ЕОМ сімейства ЄС. Діаметр двигуна 80мм, довжина щось близько 140мм? Старанно зняв його характеристики на стенді, використовуючи тахометр, калібровані навантаження та інше. Отримав залежність напруги від швидкості (2.22В*об/с), внутрішній опір (2.5Ом) та вентиляторні втрати (механічні на тертя та перемішування повітря).
Оптимальне передатне число мультиплікатора планувалося 4, але через бажання виконати його компактно в один щабель зупинився на 3.33. (Хоча і 4 пробував). Шестернінарізав косозубі, менше шумлять. Картер зробити не вдалося, хоча для серії це, напевно, необхідно. Мастити пару разів на місяць солідолом - несолидно.
Поворотний механізм – вільний хід на різьбленні. Кут повороту після 2 - 3 обертів обмежувався пружністю кабелю. Це виявилося найпростішим і найнадійнішим рішенням. Головка обертається на довгому різьбленні по напівдюймової труби через муфту. Звичайно, невеликий люфт тут є. Спочатку муфта робилася довшою (60 - 70мм) і полегшення ходу на різьбленні робилася проточка, залишалися лише верхні і нижні витки ( по 2 - 2.5 нитки). Потім виявилося, що люфт не такий уже й страшний і вузол був спрощений.
Кабель від генератора пропускався у відрізок вертикальної труби (щось близько 500мм) і виходив через трійник у місці кріплення головки до щогли. Пружності товстого півметрового відрізка кабелю і вистачало, щоб не давати головці повертатися в горизонтальній площині більш, ніж на 1.5 - 2 обороти.
Пробував і безхвостовий варіант, з набігом потоку на турбіну ззаду, але все ж таки зупинився на класиці - з хвостовим флюгером приблизно 200х400мм, винесеним на 70-сантиметровому відрізку напівдюймової труби. Хвостова труба врівноважує генераторну головку у горизонтальній площині. Вся конструкція закрита пластиковою каналізаційною трубою 100(106) мм. Позаду генератора – вертикальний вузол повороту та 400мм відрізок напівдюймової труби для кріплення до щогли стандартною муфтою. Там же розташовані вихідні клеми генератора. Провід зниження йде далі по щоглі зовні, хоча можна до самої землі провести його в трубі.
Кожухом відмінно працював відрізок каналізаційної пластикової труби 100 (106?) мм. Стопорився одним шурупом знизу. Попереду та ззаду кожух був відкритим. Уприблизно 8 - 10мм зазор між кожухом і переднім обтічником заходило повітря охолодження генератора, ззаду кожух нависав над кріпленням хвостової балки на 20 - 25мм, щоб вода на різьблення не капала.
Хвіст на трубі півдюйма пластикової з хвостовою лопатою (приблизно 200х400мм) втрачено. Стикувався з невеликим грузиком і регулювався по довжині, щоб урівноважити голівку на щоглі загалом.
При масі генератора 2.5 кг вся головка без турбіни має масу близько 5 кг. Мені здалося, що це непоганий результат.
Особливо варто згадати турбіну. Мабуть, технологічно найпростіший вузол. Вся література, що потрапила під руки, була написана людьми зовсім далекими від аеродинаміки. Більшість порадників наводили популярні авіаційні профілі CLARK Y, BC2 та інше. Методи розрахунку літакових гвинтів та великих турбін зовсім не придатні для маленької тихохідної турбіни, орієнтованої на роботу при слабких та середніх вітрах (3-6м/с). Стандартна технологія виготовлення лопатей теж була досить трудомістка і, головне, не гарантувала високої точності і повторюваності профілю.
Що стосується профілю, то при даних числах Рейнольдса 40 000 - 60 000 найкращим виявився профіль типу Купфер, Гетінген 420 тощо. Це знають авіамоделісти. Грубо кажучи, це просто дужка, профіль крила "Фармана" або "Ньюпора" часів першої світової. При слабких вітрах він дає момент, майже в 1.5 разів більше, ніж традиційні, краплеподібні. При великих швидкостях починається зрив потоку і турбіна почасти саморегулюється.
Профіль потягнув за собою та технологію.
Вистругувалась по теоретичному кресленню та лекалам болванка з поверхнею нижньої частини лопаті. Далі на неї через шар поліетилену накладалися шари дубового шпону на клею. У комлядо 10, у кінця - 3 - 4 шари. Весь пиріг ретельно вмотувався гумовою стрічкою та залишався на добу – двоє.
Після схоплювання клею напівфабрикат лопаті знімався з болванки і порівняно просто доопрацьовувався в кінцевій частині і по крайках шліфуванням. В кінці, якщо була потрібна довговічність, все це можна ще обклеїти одним шаром склотканини на епоксидці.
На знімку праворуч - болванка для виклеювання лопатей. До неї щільно примотується гумовою стрічкою проклеєний пакет дубового шпону. У комля 8 - 10 шарів, біля кінця лопаті 3 - 4. Потім ступінчастість шарів забирається шліфуванням і підшліфовуються кромки. Ну, і форма у плані коригується за шаблоном. Лопаті виходять легкими, жорсткими та досить однаковими, легко балансуються. Втім, дуб – надто серйозно. Можна цілком і щось легше. Взагалі я божеволіє від липи… Ну, і обклеїти це склотканини теж не заважає, якщо потрібна довговічність.
Зліва лежать дві обклеєні склопластиком цільностругані лопаті з липи від іншої, більш ранньої моделі із заклеєними кулачками механізму зміни кроку гвинта. При всій непоказності 2000об/хв якось цілком витримали.
Один сезон витримає і ретельно прогрунтований і пофарбований дерев'яний ПФ115. Після зимового зберігання в приміщенні, що не опалюється, особливого короблення не відзначено. Але зберігати турбіну потрібно підвішеною за вісь. Ставити до стіни на лопаті – не можна.
Турбіна одягалася на різьбленні на вал і сама докручувалась до упору.
Все це в зборі встановлювалося на 5-метровій висоті на щоглі з відрізків труб півдюйма, три чверті, дюйм, з'єднаних муфтами-перехідниками. Щогла мала поворотне кріплення біля землі та чотиритросову одноярусну систему розтяжок з капронового шнура порядку 5мм. Така конструкція дозволяєпіднімати/опускати щоглу одній людині.
Навантаженням служив 12-вольтовий лужний акумулятор 55Ач, підключений просто через 10А діод. Плюс вольтметр і амперметр.
Розроблявся хитромудрий контролер, як розвиток і доповнення. Робоча напруга генератора для знімання максимуму потужності має змінюватися. Найвигідніший у цьому сенсі режим - фіксований струм при мінливому напрузі. Робота ж через діод просто на акумулятор дає якраз, навпаки - відносно постійна напруга при струмі заряду, що змінюється.
І, поки контролер періодично привозився, примірявся і забирався додому, виявилося, що без контролера турбіна має деякі цікаві якості.
Запуск дуже легкий, при 3м/c. Далі, турбіна швидко набирає обертів на початок зарядки ( порядку 13 - 14В). Після цього зростання обертів йде дуже повільно, зростає лише момент на валу турбіни та зарядний струм. Зростають, звичайно, і втрати в самому генераторі та проводах зниження. Але генератор на сильному вітрі ефективно охолоджується самим вітром через спеціально передбачені канали. Характерно, що шумить турбіна при розгоні, щойно з'являється зарядний струм, шум різко зменшується. Загалом шумить досить слабо. Коли спиш на дачі за сильного вітру, цілком маскується шумом дерев, якщо не знаєш, що турбіна встановлена.
Я дуже побоювався, що під час якогось шквалу генератор просто згорить. Потім порахував усі можливі втрати і дійшов висновку, що при теплоємності конструкції йому потрібно хвилин сорок, щоб нагрітися просто, як болванка, до 70 - 80 градусів.
Вітряк все літо пропрацював під наглядом. залишати його не можна було через звичаї нашого народу і ще: я знову боявся шквалу, бурі. Одного разу вітер піднявся до 30-35м/c. Точний анемометрпід руками не було, але я тоді вже чудово орієнтувався по самій турбіні. Достатньо одного разу зробити 2 - 3 виміри напруги на еталонне навантаження по анемометру і зробити таблицю - вітряк сам собі анемометр. Турбіна давала 900об/хв , генератор видавав порядку 150 - 170Вт при 5 - 7А ( половина потужності пропадала в занадто тонких дротах зниження порядку 20м) щоглу і мене самого вітер при поривах хитав. Я побоювався, що все це розлетиться вщент, але випробування є випробування.
Я разів десять впевнено зупиняв турбіну "на повному скаку", замикаючи вихід генератора коротко. Струм при цьому падав до 2 – 3А та обороти до 1 – 2 у с. Потім, десь зрізало шплінт і все це засвистіло врознос, довелося терміново щоглу опускати.
Основний висновок з цього експерименту - малопотужну турбіну можна впевнено стопорити генератором при сильному вітрі. Додаткові гальма не потрібні. Це потім легко пояснюється і теоретично.
Я опустив тут багато експериментів. Працював два сезони щільно. Випробував і Савоніуси, і вертикальні лопаті та ще кілька конструкцій. Турбіни від 2 до 12 лопатей, автомати відведення з-під вітру та інше. Робив і генератор на постійних магнітах, робив сервопривід змінного кроку лопатей турбіни та інше. Не встиг лише однолопатник збудувати.
Можу сказати із упевненістю
1. Вітряк - дуже дороге задоволення, якщо йдеться не про іграшку. У моєму випадку це лише освітлення, невеликий електроінструмент (8 - 12 квт * год на місяць). Для тих, хто на дачі звик праскою фуфайки гладити - бензоагрегат набагато дешевше.
2. Нічого краще, ніж класична пропелерна турбіна, прорахована ще в 20-ті роки минулого століття у вітроенергетиці немає і бути не може. Винаходи тут виробляються заради самих винаходів.
3. Вітряк - несправа одинаків. Вітряк - СИСТЕМА. Без глибокого розуміння всіх процесів, без знання основ механіки, аеродинаміки, електротехніки краще не зв'язуватися з роботою такої складності. Це не для любителів, якщо хочеться щось наприкінці отримати реальне.
Була спроба зробити більш тихохідну турбіну з двоступінчастим мультиплікатором десь 1 до 5. І безхвостий варіант з орієнтацією за рахунок парусності самої турбіни (спіною до вітру, що врівноважує трубою вперед).
Але мультиплікатор виявився складним, а турбіна не хотіла при слабкому вітрі розвертатися. Я тут ще й гвинт змінного кроку із сервоприводом реалізував (десь раніше на знімку лопаті від нього). Але сервопривід виявився надто повільним, щоб оперативно реагувати на пориви вітру. І дзижчав нескінченно. Потім, у міру просування, зрозумів, що для такої блохи це зайве.
Робота була цікава, але довелося піти до реалій. Комерційний проект такої ВЕС ще потребував доопрацювання, власні ресурси починали танути, а тут підвернулося те, що мені було добре знайоме – імпульсні джерела. Ось цим зараз і займаюсь уже п'ятий рік.
На сьогодні, як мені здається, мрії про вітряк, що підігріває підлогу і живить праски з водонагрівачем поки що потрібно відставити. Це технічно можливе, але коштує стільки, що фантазія обивателя не витримує.
А ось такі маленькі для дачі могли б мати певний успіх. Це теж недешево, але кому потрібне світло, маленький телевізор, мобілка та ноутбук – цілком.
Це близько 10 - 15кВт.год на місяць.