Автор: Володимир Міщенко

Коли трапилася перебудова, багатьом довелося змінювати професію і болісно шукати новий додаток рукам і розуму. Серед багатьох інших спроб були у мене і вітряки.

Я сумлінно присвятив цьому рік з гаком. Досить швидко зрозумів, що без грунтовного навчання нічого путнього не вийде. Багато було незрозумілого, але поступово прояснювалось. Нарешті, сьомий за рахунком екземпляр заробив більш-менш відповідно до розрахункових характеристиками.

Вітряк замислювався, як джерело енергії для дачі з відвідуванням неповний тиждень. Замишлявся, як комерційний продукт. Звідси і розміри.

 

 

Діаметр турбіни 1.15 – 1.17м, трилопатева. Найбільш дискутоване питання кількості лопатей зважився між двох і трьох на користь трьох через те, що хотілося, щоб турбіна впевненіше працювала при слабкому вітрі. Розрахункова швидкість 600 – 700 об / хв.

 

 

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) і вентиляторні втрати (механічні на тертя і перемішування повітря).

 

 

Оптимальне передавальне число мультиплікатора планувалося 4, але через бажання виконати його компактно в один ступінь, зупинився на 3.33. (Хоча і 4 пробував). Шестерні нарізав косозубі, менше шумлять. Картер зробити не вийшло, хоча для серії це, напевно, потрібно. Мазати пару раз на місяць солідолом – несолідно.

 

 

Поворотний механізм – вільний хід на різьбленні. Кут повороту після 2 – 3 оборотів обмежувався пружністю кабелю. Це виявилося найпростішим і надійним рішенням. Головка обертається на довгому різьбленні по напівдюймової трубі через муфту. Звичайно, невеликий люфт в цьому місці є. Спочатку муфта робилася довше (60 – 70мм) і для полегшення ходу на різьбленні робилася проточка, залишались тільки верхні і нижні витки (по 2 – 2.5 нитки). Потім виявилося, що люфт не так вже й страшний і вузол був спрощений.

Кабель від генератора пропускався у відрізок вертикальної труби (щось біля 500мм) і виходив через трійник в місці кріплення головки до щогли. Пружності півметрового товстого відрізка кабелю і вистачало, щоб не давати головці повертатися в горизонтальній площині більш, ніж на 1.5 – 2 обороту.

Пробував і безхвостовой варіант, з набігом потоку на турбіну ззаду, але все-таки зупинився на класиці – з хвостовим флюгером приблизно 200х400мм, винесеним на 70-сантиметровому відрізку напівдюймової труби. Хвостова труба врівноважує генераторну головку в горизонтальній площині. Вся конструкція закрита пластиковою каналізаційною трубою 100 (106) мм. Позаду генератора – вертикальний вузол повороту і 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. Стопориться одним саморізом знизу. Попереду і ззаду кожух був відкритим. У приблизно 8 – 10мм зазор між кожухом і переднім обтічником заходив повітря для охолодження генератора, ззаду кожух нависав над кріпленням хвостової балки на 20 – 25мм, щоб вода на різьблення не капала.

Хвіст на трубі півдюйма пластиковою з хвостовою лопаттю (приблизно 200х400мм) загублений. Стикувався з невеликим грузиком і регулювався по довжині, щоб зрівноважити головку на щоглі в цілому.

При масі генератора 2.5кг вся головка без турбіни має масу порядку 5кг. Мені здалося, що це непоганий результат.

Особливо варто згадати турбіну. Мабуть, технологічно самий непростий вузол. Вся потрапила під руки література була написана людьми абсолютно далекими від аеродинаміки. Більшість порадників приводили популярні авіаційні профілі CLARK Y, BC2 та інше. Методи розрахунку літакових гвинтів і великих турбін абсолютно не годилися для маленької тихохідної турбіни, орієнтованої на роботу при слабких і середніх вітрах (3-6м / с). Стандартна ж технологія виготовлення лопатей теж була досить трудомістка і, головне, не гарантувала високої точності та повторюваності профілю.

Що стосовно профілю, то за даних числах Рейнольдса 40 000 – 60 000 найкращим виявився профіль типу Купфер, Гетінген 420 і тому подібне. Це знають авіамоделісти. Грубо кажучи, це просто дужка, профіль крила "Фарман" або "Ньюпора" часів першої світової. При слабких вітрах він дає момент, майже в 1.5 рази більше, ніж традиційні, краплеподібні. При великих швидкостях починається зрив потоку і турбіна частково саморегулюється.

Профіль потягнув за собою і технологію.

Вистругував з теоретичного креслення і лекалами болванка з поверхнею нижньої частини лопаті. Далі на неї через шар поліетилену накладалися шари дубового шпону на клею. У комля до 10, у кінця – 3 – 4 шари. Весь пиріг ретельно умативался гумовою стрічкою і залишався на добу – двоє.

Після схоплювання клею, напівфабрикат лопаті знімався з болванки і порівняно просто допрацьовувався в кінцевій частині і по кромках шліфовкою. В кінці, якщо була потрібна довговічність, все це можна ще обклеїти одним шаром склотканини на епоксидки.

 

 

На знімку праворуч – болванка для виклейкі лопатей. До неї щільно примотується гумовою стрічкою проклеєний пакет дубового шпону. У комля 8 – 10 шарів, у самого кінця лопаті 3 – 4. Потім ступінчастість шарів забирається шліфовкою і подшліфовиваются кромки. Ну, і форма в плані коректується за шаблоном. Лопаті виходять легкими, жорсткими і досить однаковими, легко балансуються. Втім, дуб – занадто серйозно. Можна цілком і щось легше. Взагалі я без розуму від липи … Ну, і обклеїти це склотканиною теж не заважає, якщо потрібна довговічність.

Зліва лежать дві обклеєні склопластиком цельноструганние лопаті з липи від іншої, більш ранньої моделі із заклеєними кулачками механізму зміни кроку гвинта. При всій непоказність 2000об/мін якось цілком витримали ..

Один сезон витримає і ретельно прогрунтувати і пофарбована ПФ115 деревинка. Після зимового зберігання в неопалюваному приміщенні особливого викривлення не відзначено. Але зберігати турбіну потрібно підвішеною за вісь. Ставити до стіни на лопать – не можна.

Турбіна одягалася на різьбленні на вал і сама докручує до упору.

Все це в зборі встановлювалося на 5-метровій висоті на щоглі з відрізків труб півдюйма, три чверті, дюйм, сполучених муфтами-перехідниками. Щогла мала поворотне кріплення біля землі і четирехтросовую одноярусну систему розтяжок з капронового шнура порядку 5мм. Така конструкція дозволяє піднімати / опускати щоглу одній людині.

Навантаженням служив 12 – вольтової лужний акумулятор 55Ач, підключений просто через 10А діод. Плюс вольтметр і амперметр ..

Розроблявся хитромудрий контроллер, як розвиток і доповнення. Робоча напруга генератора для знімання максимуму потужності має змінюватися. Найвигідніший в цьому сенсі режим – Фіксований струм при мінливому напрузі. Робота ж через діод просто на акумулятор дає якраз, навпаки – щодо постійна напруга при мінливому струмі заряду.

І, поки контролер періодично привозився, примірявся і відвозив додому, виявилося, що без контролера турбіна має деякі цікаві якості.

Запуск дуже легкий, при менш 3м / c. Далі, турбіна швидко набирає обороти до початку зарядки (близько 13 – 14В). Після цього ріст оборотів йде надто повільно, зростає тільки момент на валу турбіни і зарядний струм. Ростуть, звичайно, і втрати в самому генераторі і проводах зниження. Але генератор на сильному вітрі ефективно охолоджується самим вітром через спеціально передбачені канали. Характерно, що шумить турбіна при розгоні, як тільки з'являється зарядний струм, шум різко зменшується. Загалом, шумить досить слабо. Коли спиш на дачі при сильному вітрі, цілком маскується шумом дерев, якщо не знаєш, що турбіна встановлена.

Я дуже побоювався, що під час якого-небудь шквалу генератор просто згорить. Потім порахував всі можливі втрати і прийшов до висновку, що при теплоємності конструкції йому потрібно хвилин сорок, щоб нагрітися просто, як болванка, до градусів 70 – 80.

Вітряк все літо пропрацював під наглядом. залишати його не можна було через моралі нашого народу і ще: я знову-таки боявся шквалу, бурі. Одного разу, вітер піднявся до 30 – 35м / c. Точного анемометра під руками не було, але я тоді вже чудово орієнтувався по самій турбіні. Досить одного разу зробити 2 – 3 виміру напруги на еталонну навантаження по анемометру і зробити таблицю – Вітряк сам собі анемометр. Турбіна давала 900об/мін, генератор видавав близько 150 – 170Вт при 5 – 7А (половина потужності пропадала в дуже тонких проводах зниження порядку 20м) щоглу і мене самого вітер при поривах хитало. Я побоювався, що все це розлетиться вщент, але випробування є випробування.

Я разів десять упевнено зупиняв турбіну "на повному скаку", замикаючи вихід генератора накоротко. Струм при цьому падав до 2 – 3А і оберти до 1 – 2 в с. Потім, все-таки десь зрізало шплінт і все це засвистіло рознос, 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 в теорії.

Я опустив тут багато експериментів. Працював два сезони щільно. Випробував і Савоніуса, і вертикальні лопаті і ще декілька 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 тільки однолопастнік побудувати.

Можу сказати з упевненістю

      1. Вітряк – Досить дороге задоволення, якщо мова йде не про іграшки. У моєму випадку це тільки освітлення, невеликий електроінструмент (8 – 12 кВт * год на місяць). Для тих, хто на дачі звик праскою фуфайки прасувати – бензоагрегат багато дешевше.

      2. Нічого кращого, ніж класична пропелерна турбіна, прорахована еше в 20-і роки минулого століття у вітроенергетиці немає і бути не може. Винаходи тут робляться заради самих винаходів.

    3. Вітряк – не справа 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 в кінці отримати реально працює.

Була спроба зробити більш тихохідну турбіну з двоступінчастим мультиплікатором десь 1 до 5. І безхвостий варіант з орієнтацією за рахунок парусності самої турбіни ("спиною до вітру", врівноважує трубою вперед).

Але мультиплікатор виявився складним, а турбіна не хотіла при слабкому вітрі розгортатися. Я тут ще і гвинт змінного кроку з сервоприводом реалізував (десь раніше на знімку лопаті від нього). Але сервопривід виявився занадто повільним, щоб оперативно реагувати на пориви вітру. І дзижчав нескінченно. Потім, у міру просування зрозумів, що для такої блохи це зайве.

Робота була цікавою, але довелося піти до реалій. Комерційний проект такий ВЕС ще потребував доопрацювання, власні ресурси починали танути, а тут підвернулася те, що мені було добре знайоме – імпульсні джерела. Ось цим зараз і займаюся вже п'ятий рік.

На сьогодні, як мені представляється, мрії про вітряку, підігріває підлогу і що живить праски з водонагрівачем поки потрібно відставити. Це технічно можливо, 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 і ноутбук – цілком.

Це близько 10 – 15кВт.час на місяць.