Компактный ветрогенератор из мотор-колеса: опыт создания горизонтальной и вертикальной установок

Выбор генератора и формулирование требований к установке

При создании компактного ветрогенератора главной задачей является подбор тихоходного генератора без использования сложных редукторов. Оптимальной готовой основой выступает мотор-колесо от детского гироскутера (диаметр 5 дюймов, мощность 250 Вт при рабочем напряжении 36 В)

. Конструкция такого колеса имеет консольное крепление на оси, что упрощает монтаж по сравнению с велосипедными аналогами.

По расчетам, при 36 В мотор-колесо разгоняет гироскутер до 10 км/ч и делает около 7 оборотов в секунду. Соответственно, для преодоления напряжения 12-вольтового аккумулятора и начала зарядки ветроколесо должно развивать не менее 2,5–3 об/с. Конструкция изначально проектировалась легкоразборной и мобильной, рассчитанной на быстрое опускание силами одного человека.

Конструкция облегченной мачты и система подъема с противовесом

Стандартная металлическая труба длиной 6 метров сложна в доставке, а составные варианты требуют сварки или фланцев. Решением стало использование рыжих пластиковых труб для наружной канализации диаметром 110 мм . Для придания жесткости внутрь труб вертикально вставлены обрезки досок-вагонки, обработанные антисептиком. Вертикальное положение досок обеспечивает жесткость на изгиб при подъеме и укладывании мачты.

Нижняя опора мачты установлена на бетонное основание и зафиксирована поперечной резьбовой шпилькой М10. Растяжки выполнены из стального троса диаметром 4 мм в два яруса (на отметках 3 и 5 метров). Точки крепления растяжек на грунте сделаны из забитых металлических труб с приваренными или прикрученными рым-болтами, а на самих тросах установлены антенные изоляторы.

Главная проблема подъема 6-метровой мачты одним человеком — масса установленного наверху генераторного узла (около 6 кг), которая из-за рычага требует чрезмерного усилия. Для компенсации в основании мачты смонтирован противовес из двух тротуарных плиток 40×40 см общей массой около 36–37 кг

. Противовес облегчает подъем и надежно удерживает мачту вертикально, пока оператор закрепляет удерживающие растяжки. Для удобства обслуживания на участке установлен Y-образный столбик-опора: опускание конструкции на него занимает порядка 10 секунд.

Изготовление горизонтального ветряка и балансировка лопастей

Поворотный узел горизонтального ветрогенератора собран на базе выточенного стального штыря и двух подшипников разного диаметра

. Сверху закреплена монтажная площадка под генератор и флюгер, снизу — силовой выпрямитель.

Лопасти ветроколеса изготовлены из оранжевой канализационной трубы диаметром 160 мм

. Трубы диаметром 110 мм показали чрезмерный изгиб профиля (более 90 градусов в широкой части), что ухудшает аэродинамику. Заготовки метровой длины вырезаны электролобзиком, а их края заглажены напильником. Взвешивание показало разброс массы до 20 г из-за неравномерности стенок трубы. Путем отбора из шести заготовок были скомплектованы три лопасти с минимальной разницей в весе (3–5 г).

Для фиксации лопастей к крышке мотор-колеса применены стальные полосы, частично распиленные вдоль: узкие полосы загнуты вперед в жесткий силовой треугольник, а сами планки соединены внахлест. Лопасти закреплены болтами М5 с барашковыми гайками

. Хвостовик флюгера выполнен из алюминиевой штанги швабры с пером из куска пластиковой панели

. От ветрозащиты решено было отказаться в пользу быстрого ручного опускания мачты перед штормом.

Электрическая схема и полевые испытания

Трехфазное напряжение с обмоток мотор-колеса подается на диодный мост, собранный на советских диодах КД202В (допустимый постоянный ток 5 А, импульсный — 9 А), установленных на небольших алюминиевых уголках-радиаторах прямо под генератором. Спуск линии выполнен кабелем внутри гофрированного душевого шланга, подключенным к мачтовой розетке через обычную вилку. Контроллер собран по схеме на автомобильном регуляторе напряжения и твердотельном реле.

Во время полевых испытаний при умеренных порывах ветра горизонтальный ветрогенератор показал зарядный ток до 2 А на 12-вольтовую аккумуляторную батарею емкостью 85 А·ч. При этом вибрации и механические биения отсутствовали. Вырабатываемой мощности достаточно для покрытия базовых нужд: суммарная мощность домашней сети из нескольких 12-вольтовых светодиодных светильников составляет 20 Вт (рабочее освещение берет порядка 1,5–5 Вт на точку).

Опыт сборки и тестирования вертикального ветряка

В качестве альтернативы была собрана двухъярусная вертикальная турбина с шестью изогнутыми лопатками на ярус без центральной оси. В качестве плоских оснований применены тонкие алюминиевые диски от накопителей советских ЭВМ диаметром около 60 см. Мотор-колесо со снятой резиной (выигрыш в весе 180 г) установлено в центральной части между ярусами турбины, масса узла составила 2,6 кг. Для выпрямления применен компактный готовый контроллер, закрепленный на несущих пластинах.

Высота мачты с вертикальной турбиной увеличилась до 6,7 м

. Испытания при прогнозируемом ветре около 4 м/с показали слабую эффективность схемы: турбина стабильно вращалась со скоростью 1–2 об/с, однако вырабатываемого напряжения оказалось недостаточно для преодоления порога аккумулятора, и ток заряда оставался на нуле. Вертикальная система безопаснее горизонтальной (нет риска отрыва скоростных лопастей, отсутствует поворотный узел и скручивание кабеля), но обладает меньшим коэффициентом использования энергии ветра и требует существенно более сильных воздушных потоков для старта генерации.