0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ветрогенератор из вентилятора

Ветрогенератор из вентилятора

Изготовить ветрогенератор, взяв за основу вентилятор, казалось бы, чего проще? Однако на пути такого технического перевоплощения встанут несколько препятствий. Как их преодолеть, для чего может быть применена ветроэлектростанция, изготовленная из вентилятора, и расскажет эта статья.

  • Сфера применения
  • Различия
  • Особенности конструкции электродвигателей и генераторов
  • Особенности геометрии лопастей
  • Скорость вращения
  • Примеры изготовления
  • Из детского игрушечного вентилятора на батарейках
  • Из вентилятора охладителя процессора (кулера)
  • Из вентилятора охлаждения радиатора двигателя автомобиля

До 1998 года выпуска на автомобилях со старым монтажным блоком предохранителей 17.3722 (пальчиковые предохранители) в цепь вентилятора было включено реле 113.3747. После 1998 года такое реле отсутствует.

Так же до 1998 года применялся датчик включения ТМ-108 (температура замыкания его контактов 99±3ºС, размыкания 94±3ºС), после 1998 года ТМ-108-10 с аналогичными температурными диапазонами или его аналоги разных производителей. Датчик ТМ-108 работает только в паре с реле, усиленный под большой ток ТМ-108-10 может работать как с реле, так и без него.

Схема включения вентилятора охлаждения двигателя на ВАЗ 2109 с монтажным блоком 17.3722

  1. Электродвигатель вентилятора
  2. Датчик включения электродвигателя
  3. Монтажный блок
  4. Выключатель зажигания

К9 — Реле включения электродвигателя вентилятора. А — К выводу “30” генератора

Схема включения вентилятора охлаждения двигателя на ВАЗ 2109 с монтажным блоком 2114-3722010-60

  1. Электродвигатель вентилятора
  2. Датчик 66.3710 включения электродвигателя
  3. Монтажный блок

А — К выводу “30” генератора

Выбор конструкции ветроколеса

Ветряное колесо — самая важная часть ветрогенератора. Именно оно преобразует энергию ветра в механическую. И от его конструкции зависит выбор всех остальных узлов, например, генератора электрического тока.

Наверняка, всем хорошо знакома форма ветряных колёс старинных ветряных мельниц. Это как раз тот случай исключение, когда всё забытое старое не всегда хорошо. Такие ветроколёса ветряной мельницы имеют очень низкий КИЭВ порядка 0,10-0,15, что намного меньше КИЭВ современных быстроходных крыльчатых колёс, которое достигает 0,46. Всё потому, что низкие познания в аэродинамике старинных мастеров не позволяли им сконструировать более совершенную конструкцию.

На рисунке изображена работа двух типов лопастей: парусной (1) и крыльчатой (2). Для того чтобы сделать парусную лопасть (1), достаточно просто прикрепить листовой материал к оси, расположив под углом к ветру, то есть по аналогии с ветряными мельницами древности. Но при вращении такой лопасти она будет иметь значительное аэродинамическое сопротивление, которое возрастает с увеличением угла атаки. Также на её концах образуются завихрения, и за лопастью возникает зона пониженного давления. Всё это делает парусные лопасти неэффективными ветровыми движителями.

Гораздо более эффективной является лопасть крыльчатого типа (2). При такой форме лопасти, которая похожа на крыло самолёта, потери от трения и разрежения сведены к минимуму. Что касается угла атаки лопасти, то на практике установлено, что наиболее оптимальный угол составляет 10-12º. При более высоком угле атаки прирост мощности в результате более высокого давления ветра на лопасть не покрывается ростом аэродинамических потерь.

Конечно, есть много других интересных типов ветровых двигателей, например, вертикально-осевые роторы Савониуса или роторы Дарье. Но все они имеют более низкие коэффициенты использования энергии ветра при более высокой материалоёмкости (в сравнении с крыльчатыми колёсами). Например, установка с ротором Савониуса диаметром 2 метра и высотой 2 метра при тихом ветре 4 м/с будет иметь полезную мощность 20 Вт. Такую же мощность выработает шестнадцатилопастный крыльчатый винт диаметром всего 1 метр.

Поэтому мы не будем «изобретать велосипед» и сразу за основу возьмём конструкцию, где используются лопасти крыльчатого типа с горизонтальной осью вращения. Именно этот тип ветряного двигателя имеет максимальный КИЭВ при минимальном расходе материалов. Неудивительно, что такая конструкция используется почти в 99% всех действующих промышленных ветровых электростанциях.

Прежде всего, нужно выбрать число лопастей. Наиболее дешевыми являются двух- и трёхлопастные ветроколёса, но они являются быстроходными и обладают следующими недостатками:

— высокие рабочие обороты приводят к возникновении больших центробежных и гироскопических сил. Гироскопические силы нагружают ось генератора, крепления и мачту, а центробежные стремятся разорвать лопасти на части. Так, окружная скорость концов лопастей быстроходных двухлопастных ветроколёс нередко достигает 200 м/с и более. Для сравнения скорость пули, выпущенной из винтовки Бейкера 1808 г., равнялась 150 м/с. Таким образом, осколки разлетающегося сломанного винта могут ранить или даже убить человека. По этой причине никому не рекомендуется изготавливать лопасти высокоскоростных ветроколёс из пластиковой трубы. Для этих целей лучше подходит более прочная на растяжение древесина. Изготовление же лопастей из дерева весьма трудоёмкий процесс.

— известно, что чем быстрее вращаются лопасти, тем больше сила трения о воздух. Поэтому лопасти быстроходных ветроколёс гораздо более требовательны к аэродинамическому качеству изготовления. Даже небольшие погрешности сильно снижают КИЭВ быстроходных лопастей. Крайне нежелательно делать быстроходные лопасти вогнутыми, они должны иметь форму крыла самолёта. Изготовить же лопасти тихоходного винта гораздо проще для любителя. Нужно сильно «постараться», чтобы сделать лопасть для тихоходного винта из разрезанной трубы с КИЭВ хуже 0,3.

Читать еще:  Как точат и следят за ножницами профессионалы

— быстроходные ветродвигатели издают сильный шум при вращении, ведь даже аэродинамически высококачественные лопасти при быстром вращении создают значительные зоны сжатий и разряджений воздуха, а кустарно изготовленные лопасти и подавно. Соответственно, чем больше окружная скорость и размеры лопасти, тем больше шум. Поэтому мощный быстроходный ветряк нельзя просто установить на крыше дома или в огороде при плотной застройке, иначе Вы рискуете просыпаться ночью от шума взлетающего вертолёта и испортить отношения с соседями в придачу.

— чем меньше лопастей у ветроколеса, тем больше вибрации. Поэтому ветроколёса с малым числом лопастей (2-3) будет труднее сбалансировать.

Учитывая все эти недостатки быстроходных ветроколёс, для более-менее мощного «ветряка» лучше выбрать число лопастей не менее 5-6.

Теперь основываясь на данных табл. 1, давайте прикинем, какой максимальной длинны лопасти подойдут для изготовления несложной электростанции. Очевидно, шестилопастный винт диаметром 2,5-3 м будет сложен в изготовлении. Представьте себе хотя бы процесс балансировки такого винта и его установку на мачту, которая в свою очередь должна быть довольно прочной, чтобы выдержать вес такого винта и аэродинамические нагрузки. А вот шестилопастный винт диаметром 2 метра или около того будет по силам энтузиасту для изготовления своими руками.

Возможно у кого-то возникнет соблазн, не посчитаться с затратой материалов и ещё больше увеличить количества лопастей для увеличения полезной мощности ветроустановки. Так, при числе лопастей двухметрового винта равным 12 мощность при «свежем» ветре (8 м/с) достигнет почти 500 Вт. Но такое дорогое ветряное колесо получиться слишком тихоходным, а значит, неизбежно потребует применения отдельного редуктора, что сильно усложнит конструкцию ветровой электростанции.

Таким образом, наиболее оптимальной является конструкция винта ветрогенератора диаметром 2 м и количеством лопастей равным 6.

Область применения

Наиболее часто встречается применение генераторных установок с короткозамкнутым ротором. Они недорогие, практически не нуждаются в обслуживании. Устройства, оборудованные пусковыми конденсаторами, обладают приличными показателями КПД.

Асинхронные альтернаторы часто используют в качестве автономного или резервного источника питания. С ними работают переносные бензиновые генераторы, их используют для мощных мобильных и стационарных дизельных генераторов.

Альтернаторы с трёхфазной обмоткой уверенно запускают трехфазный электродвигатель, поэтому часто используются в промышленных энергоустановках. Они также могут питать оборудование в однофазных сетях. Двухфазный режим позволяет экономить топливо ДВС, так как незадействованные обмотки находятся в режиме холостого хода.

Сфера применения довольно обширная:

  • транспортная промышленность;
  • сельское хозяйство;
  • бытовая сфера;
  • медицинские учреждения;

Асинхронные альтернаторы удобны для сооружения локальных ветровых и гидравлических электростанций.

Различия

Особенности конструкции электродвигателей и генераторов

Движение электронов, электрический ток, происходит в проводнике под воздействием изменяющегося внешнего магнитного поля. Аналогично устроены и электрические двигатели, только в обратной последовательности — на движущиеся заряженные частицы в магнитном поле действует сила, которая и заставляет проводник менять свое положение в пространстве, т.е. приводит к движению ротора.

Как в генераторах, так и в двигателях это самое магнитное поле создается в статоре, или в роторе, в зависимости от модели, постоянными магнитами или электромагнитами (обмотками возбуждения). Если мотор притягивает железные предметы — он на постоянных магнитах. Этот вариант с точки зрения использования его в качестве генератора оптимален, так как не требует никакой модернизации.

«Применение же для получения электроэнергии двигателя с обмотками возбуждения окажется сложнее, ведь придется обеспечить питание этих самых обмоток. А это заметно усложнит конструкцию».

Так на самом деле работает автомобильный генератор. На ротор через «таблетку», щетки и контактные кольца подается 12В. Вместе с ротором вращается созданное им магнитное поле. Оно-то и создает электрический ток в обмотке статора (конечно же, вырабатывается тока больше чем тратится, иначе зачем нужен генератор).

Когда АКБ полностью заряжена, а мощные потребители выключены, ток на ротор почти не подается и генератор вращается вхолостую. А используя автогенератор в качестве ветроэлектростанции, этот ток придется подавать и контролировать его параметры.

Иногда предлагают для такого случая удалять обмотки с ротора и вместо проволоки вклеивать ниодимовые постоянные магниты (в этом случае ток не нужен), но это тема для отдельной статьи.

Особенности геометрии лопастей

Так как конструкция вентилятора отвечает цели — толкать массу воздуха, а лопасти ветрогенератора, наоборот, приводятся в движение течениями воздушных масс, то и геометрия будет незначительно отличаться. Угол атаки кончиков лопастей обоих типов мало различается.

Чем ближе перемещаться к центру — наблюдаются различия.

Винт ветроэлектростанции:

Участок лопасти у центра практически не участвует в выработке энергии, так как движется во много раз медленнее, чем вся лопасть, поэтому его делают с углом атаки равным нулю, чтобы воздушные массы могли спокойно проходить, не создавая заторов в виде завихрений. У неподвижного вентилятора потребности в изменении угла атаки лопасти нет.

Так как в целом геометрия схожа, то пропеллер вентилятора будет работать и как ветрогенератор.

Скорость вращения

Вряд ли хотя бы один вентилятор под воздействием ветра выдаст такие же обороты, как будучи включенным в сеть. Поэтому не стоит надеяться, что ветрогенератор, мощностью 100 Ватт, сделанный из вентилятора 12в, такое же напряжение выдаст и обеспечит работу потребителей в 100 Ватт.

Читать еще:  Металлоискатель из радиоприемника и калькулятора.

Замена электровентилятора в авто

  1. Ставим автомобиль на ровной поверхности, обездвиживаем его стояночным тормозом.
  2. Открываем капот, отключаем минусовую клемму.
  3. Ключом на 10 откручиваем крепления корпуса воздушного фильтра.
  4. Отверткой ослабляем хомут воздуховода на датчике расхода воздуха и снимаем гофру.
  5. Откручиваем саморезы, фиксирующие крышку корпуса воздушного фильтра, извлекаем фильтрующий элемент.
  6. Ключом на 8 откручиваем крепление воздухозаборника и демонтируем его.
  7. Ключом на 10, потом на 8 откручиваем гайки крепления кожуха вентилятора по периметру (всего 6 штук).
  8. Отключаем колодку проводов на разъеме вентилятора.
  9. Аккуратно извлекаем кожух вентилятора вместе с приводом.
  10. Ключом на 10 откручиваем 3 болта, удерживающих электродвигатель на кожухе.
  11. Ставим на его место новый.
  12. Устанавливаем конструкцию на место, фиксируем, подключаем разъем.
  13. Дальнейший монтаж производим в обратном порядке.

Выбор мощности ветряной электростанции

Наверняка многим, кто читает эту статью, не захочется ограничиваться постройкой ветрогенератора для питания холодильника и освещения на даче, а сразу построить такую электростанцию, чтобы запитать ею не только аккумуляторные батареи, но и батареи отопления или бойлер для горячей воды. Но такая мощная электростанция будет чрезвычайно сложна в изготовлении, ведь усложнение конструкции с ростом мощности возрастает даже не в квадрате, а чуть ли не в кубе!

Как пример ветряной электростанции мощностью всего 2 кВт можно привести промышленный ветрогенератор W-HR2 международной компании AVIC (изображен на фото). Этот ветрогенератор номинальной мощностью 2 кВт имеет ротор диаметром 3,2 м с аэродинамически металлическими лопастями, прочную стальную башню высотой 8 м на массивном железобетонном фундаменте. Монтаж узлов производится при помощи автокрана. Очевидно, что расчет и изготовление подобного ветрогенератора сложно даже для отдельных специализированных фирм, и практически нереально силами одного человека непрофессионала для сооружения такого ветряка своими руками.

Таблица 1. Зависимость мощности ветрогенератора от количества лопастей и диаметра ветроколеса при скорости ветра 4 мс

Диаметр ветроколеса при числе лопастей, м

В табл. 1 показано зависимость мощности ветроколеса крыльчатого типа от его диаметра и количества лопастей. Или другими словами, какой длинны нужно взять лопасти определённого ветроколеса, чтобы получить нужную мощность. Данные в этой таблице основаны на практических испытаниях эксплуатируемых ветрогенераторов, у которых КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) ветроколеса равен 0,35 (профиль среднего качества), КПД генератора имеет значение 0,8 и КПД редуктора — 0,9.

Для кого-то эти данные могут на первый взгляд показаться слишком завышенными. Так, для примера, из табл. 1 видно, что для постройки ветряной электростанции мощностью 500 Вт с тремя лопастями, диаметр ветроколеса должен быть равным 11,48 м. Но не стоит пугаться этой цифры, поскольку данные приведены для слабого ветра 4 м/с. Это обычный ветер для равнинной местности вдали от моря.

При этом с ростом скорости ветра мощность ветряной электростанции увеличивается. На рис. показано такую зависимость для электростанции номинальной мощностью 240 Вт. Из графика видно, что при минимальном ветре 4 м/с (при котором электростанция начинает работать), мощность составляет всего 30 Вт. Но мощность ветроэлектростанции пропорциональна скорости ветра в кубе. То есть при увеличении скорости ветра в два раза до максимальной рабочей скорости 8 м/с, мощность ветряной электростанции увеличивается в 2 3 =8 раз или с 30 Вт до полной мощности 240 Вт. При более высокой скорости ветра работа ветровой станции должна будет ограничиваться.

В целом, основываясь на практическом опыте можно заключить, что относительно несложный самодельный ветрогенератор будет иметь мощность в пределах 200-500 Вт. Это своего рода «золотая середина». Редко индивидуальным конструкторам удаётся собрать более мощный ветрогенератор своими руками, который реально будет работать.

Устройство и принцип работы

Главными рабочими частями асинхронного генератора является ротор (подвижная деталь) и статор (неподвижный). На рисунке 1 ротор расположен справа, а статор слева. Обратите внимание на устройство ротора. На нём не видно обмоток из медной проволоки. На самом деле обмотки существуют, но они состоят из алюминиевых стержней короткозамкнутых на кольца, расположенные с двух сторон. На фото стержни видны в виде косых линий.

Конструкция короткозамкнутых обмоток образует, так называемую, «беличью клетку». Пространство внутри этой клетки заполнено стальными пластинами. Если быть точным, то алюминиевые стержни впрессовываются в пазы, проделанные в сердечнике ротора.

Рис. 1. Ротор и статор асинхронного генератора

Асинхронная машина, устройство которой описано выше, называется генератором с короткозамкнутым ротором. Тот, кто знаком с конструкцией асинхронного электродвигателя наверняка заметил схожесть в строении этих двух машин. По сути дела они ничем не отличаются, так как асинхронный генератор и короткозамкнутый электродвигатель практически идентичны, за исключением дополнительных конденсаторов возбуждения, используемых в генераторном режиме.

Ротор расположен на валу, который сидит на подшипниках, зажимаемых с двух сторон крышками. Вся конструкция защищена металлическим корпусом. Генераторы средней и большой мощности требуют охлаждения, поэтому на валу дополнительно устанавливается вентилятор, а сам корпус делают ребристым (см. рис. 2).

Рис. 2. Асинхронный генератор в сборе

Принцип действия

По определению, генератором является устройство, преобразующее механическую энергию в электрический ток. При этом не имеет значения, какая энергия используется для вращения ротора: ветровая, потенциальная энергия воды или же внутренняя энергия, преобразуемая турбиной либо ДВС в механическую.

Читать еще:  6 способов избавиться от навесного замка

В результате вращения ротора магнитные силовые линии, образованные остаточной намагниченностью стальных пластин, пересекают обмотки статора. В катушках образуется ЭДС, которая, при подсоединении активных нагрузок, приводит к образованию тока в их цепях.

При этом важно, чтобы синхронная скорость вращения вала немного (примерно на 2 – 10%) превышала синхронную частоту переменного тока (задаётся количеством полюсов статора). Другими словами, необходимо обеспечить асинхронность (несовпадение) частоты вращения на величину скольжения ротора.

Следует заметить, что полученный таким образом ток будет небольшим. Чтобы повысить выходную мощность необходимо увеличить магнитную индукцию. Добиваются повышения КПД устройства путём подключения конденсаторов к выводам катушек статора.

На рисунке 3 изображена схема сварочного асинхронного альтернатора с конденсаторным возбуждением (левая часть схемы). Обратите внимание на то, что конденсаторы возбуждения подключены по схеме треугольника. Правая часть рисунка – собственно схема самого инверторного сварочного аппарата.

Рис. 3. Схема сварочного асинхронного генератора

Существуют и другие, более сложные схемы возбуждения, например, с применением катушек индуктивности и батареи конденсаторов. Пример такой схемы показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема устройства с индуктивностями

Отличие от синхронного генератора

Главное отличие синхронного альтернатора от асинхронного генератора в конструкции ротора. В синхронной машине ротор состоит из проволочных обмоток. Для создания магнитной индукции используется автономный источник питания (часто дополнительный маломощный генератор постоянного тока, расположенный на одной оси с ротором).

Преимущество синхронного генератора в том, что он генерирует более качественный ток и легко синхронизируется с другими альтернаторами подобного типа. Однако синхронные альтернаторы более чувствительны к перегрузкам и КЗ. Они дороже от своих асинхронных собратьев и требовательнее в обслуживании – необходимо следить за состоянием щёток.

Коэффициент гармоник или клирфактор асинхронных генераторов ниже, чем у синхронных альтернаторов. То есть они вырабатывают практически чистую электроэнергию. На таких токах устойчивее работают:

  • ИБП;
  • регулируемые зарядные устройства;
  • современные телевизионные приёмники.

Асинхронные генераторы обеспечивают уверенный запуск электромоторов, требующих больших пусковых токов. По этому показателю они, фактически, не уступают синхронным машинам. У них меньше реактивных нагрузок, что положительно сказывается на тепловом режиме, так как меньше энергии расходуется на реактивную мощность. У асинхронного альтернатора лучшая стабильность выходной частоты на разных скоростях вращения ротора.

Примеры изготовления

Из детского игрушечного вентилятора на батарейках

Такой ветрогенератор изготовить проще простого. В игрушке используется электромотор чаще всего на 1,5 или 4,5 вольта с независимым возбуждением от постоянных магнитов. Имеется готовый винт. Необходимо достать батарейки, к контактам + и − подсоединить провода, поместить вентилятор в поток воздуха, включить, и можно замерять на контактах характеристики вырабатываемого тока.

Чтобы такой ветрогенератор работал лучше, лопастям винта не помешает добавить мощности, например, накладками, вырезанными из пластиковой трубы в форме лепестков. Ну и придется снабдить агрегат некоторыми другими обязательными для электроветряка элементами.

Вентилятор придется защитить от осадков специальным кожухом и закрепить на подвижной раме. Подвижное крепление рамы к мачте, должно включать в себя контактно-щеточный механизм (без него ток вниз не передашь). Противоположный конец рамы снабжают стабилизатором, его задача — разворачивать ветрогенератор навстречу воздушным потокам.

То, на что можно рассчитывать, если двигатель 4,5В, это 2,5…3В максимум, не хватает даже для зарядки телефона (как правило 5В). Но питание светодиодов, которыми, к примеру, можно обозначить границы въездных ворот, или осветить границы садовой дорожки, такое устройство при достаточном ветре вполне способно обеспечить.

Из вентилятора охладителя процессора (кулера)

Этот вентилятор имеет чаще всего двигатель 12в, как и в предыдущем примере на постоянных магнитах и превращение его в ветрогенератор происходит в таком же порядке.

Отличия состоят в том, что:

  • лопасти кулера изначально никуда не годятся — пропеллер нужен новый;
  • вырабатываемого тока при определенной скорости ветра вполне хватает для зарядки андроида или планшета 5в (использования контроллера в этом случае не избежать и как нельзя лучше подойдет обычное автомобильное зарядное устройство).

к содержанию ↑

Из вентилятора охлаждения радиатора двигателя автомобиля

Вариант посложнее, но если предыдущие варианты изначально рассматривались как игрушки, то от этой конструкции может быть вполне осязаемая отдача. Рассматриваемый ветрогенератор может служить, к примеру, для зарядки аккумулятора 12в. Запасенную в АКБ электроэнергию, пропустив через преобразователь 12/220, можно использовать в качестве домашней сети.

В конструкции применяется двигатель от вентилятора 24в. Лопасти укорачивают, оставляя лишь фрагменты, необходимые для крепления новых — вырезанных из трубы ПВХ (использовать для этих целей бутылки ПВХ не получится — из-за малой жесткости их будет попросту загибать ветром).

Вырезаются лопасти примерно по такому шаблону, как на фото.

Количество лопастей может быть любым, чаще всего используются варианты 3, 4 или 6.

Компонуется ветрогенератор по классической схеме (Рис. 3). Напряжение, им вырабатываемое при умеренном 4…7 м/с, будет больше 12в, что позволит заряжать АКБ. В электрическую цепь должен быть добавлен диод, чтобы в случае отсутствия ветра электростанция не превратилась в вентилятор на мачте.

Не помешает и контроллер зарядки АКБ, регулирующий зарядный ток и размыкающий цепь по окончании зарядки. Можно обойтись и без него, но тогда придется постоянно следить за процессом зарядки и регулировать его вручную.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector