Самодельные лопасти для ветроэлектростанции

Просмотров: 368

Альтернативные источники энергии – главный тренд современности. Чистую и доступную энергию ветра можно перерабатывать в электричество, установив ветряк и подключив его к генератору, даже у себя дома.

Самостоятельно изготовить лопасти для ветрогенератора возможно, применяя доступные материалы без использования специализированного оборудования. Будем рассматривать форму лопастей, обеспечивающую наибольшую эффективность, и предложим подходящие чертежи для построения ветровой электростанции.

Как работает простой ветрогенератор?

Ветротурбина – устройство для преобразования ветровой энергии в электроэнергию.

Ветер крутит лопасти, приводя во вращение вал, передающий движение генератору с помощью редуктора, который ускоряет вращение.

Фото: img.freepik.com
Эффективность работы ветровой электростанции определяется коэффициентом использования энергии ветра (КИЭВ). При быстрой вращательной скорости ветроколеса происходит взаимодействие с большим объемом ветра, что позволяет забирать из него больше энергии.

Существуют два основных типа ветряных генераторов.

  • ветрикальные;
  • горизонтальные.

Вертикальные модели проектируются с вертикальной осью пропеллера. Это значит, что изменение потока воздуха в любой точке пространства запускает их движение.

Такая универсальность – плюс данного типа ветряков, но проигрывают горизонтальным моделям по производительности и эффективности.

Горизонтальный ветрогенератор похож на флюгер. Для работы лопастей конструкцию нужно ориентировать по направлению ветра.

Специальные приборы установлены для контроля и определения изменения направления ветра. Эффективность работы такого размещения винта существенно выше по сравнению с вертикальной ориентацией. В быту данный тип ветроэнергетических установок более практичен.

Что за форма лопасти считается лучшей?

Ветрогенератор не может функционировать без комплекта лопастей, являющихся его важнейшим элементом.

Эти детали влияют на эффективность ветряка по ряду причин.

  • вес;
  • размер;
  • форма;
  • материал;
  • количество.

При создании лопастей для собранного ветряка важно принимать во внимание все перечисленные характеристики. Некоторые считают, что увеличение количества лопастей на винте генератора приводит к большей выработке энергии ветра. В этом случае больше всегда лучше.

В действительности все иначе. Каждая деталь конструкции вращается, противостоя воздушному давлению. Поэтому многочисленные лопасти винта нуждаются в сильном потоке воздуха для одного оборота.

Форма лопастей ветряных генераторов во многом определяется характером ветра и ориентацией относительно основного направления воздушных потоков.
В местах с сильным ветровым режимом лопасти могут иметь форму прямой или немного изогнутой планки.
В районах с малой ветровой нагрузкой активировать установку помогает специальная форма лопастей, приспособленная к воздушной динамике места. Может использоваться двухлопастное крыло с перемычками или турбинный механизм.
При отсутствии сложностей с запуском и непрерывной работе ветряка изготовление лопастей специальной формы не обязательно.

Слишком большое количество широких крыльев может привести к образованию «воздушной шапки» впереди винта: воздушный поток обтекает ветряк вместо того, чтобы проходить сквозь него.

Форма существенно влияет на работу винта. От неё зависит быстрота вращения.
Неправильная форма вызывает образование вихрей, замедляющих ветрогенератор.

Однолопастной ветрогенератор наименее эффективен из всех видов. Его постройка и балансировка собственными руками крайне сложны. Получаемая конструкция ненадежная, но имеет высокий коэффициент полезного действия. По наблюдениям многих пользователей и производителей ветряков, самой оптимальной моделью является трехлопастная.

Масса лопасти определяется размером и материалом изготовления. Размер требуется подбирать точно, опираясь на расчетные формулы. Края желательно обработать, создав скругление с одной стороны и остроту – с другой.

Выбор подходящей формы лопастей определяет эффективную работу ветрогенератора.

Для создания дома можно использовать следующие варианты:

  • парусного типа;
  • крыльчатого типа.

Парусные лопасти — это широкие полосы, подобные тем, что на ветряной мельнице. Эта конструкция наиболее проста в изготовлении. Но КПД ее настолько низок (около 10-12%), что практически не используется в современных ветрогенераторах.

Крыльчатые лопасти – куда более эффективная форма. Принципы аэродинамики, поднимающие в воздух самолеты, действуют и здесь. Винт такой формы легче приводит в движение и вращается быстрее. Обтекание воздухом существенно уменьшает сопротивление, которое ветряк встречает на своем пути.

Идеальная форма профиля похожа на форму крыла самолёта: одна сторона выпуклая, другая — постепенно закругленная. Воздух проходит вокруг детали такого вида очень беспрепятственно.

Эффективность этой модели составляет 30-35%. Построить крыльчатую лопасть возможно самостоятельно с использованием минимального набора инструментов. Расчеты и чертежи легко поддаются адаптации под конкретный ветряк, позволяя использовать бесплатную и чистую энергию ветра без ограничений.

Из каких материалов можно изготовить лопасти дома?

Для возведения ветрогенератора подойдут пластик, лёгкие металлы, древесина и современная стеклоткань. Вопрос в количестве затрачиваемых усилий и времени.

Для создания лопастей ветряка своими руками выбирают материал, который хорошо известен по обработке, достаточно прочный для выдерживания действия ветра, легко поддается сверлению и резанию.
Листовой металл обладает наибольшей прочностью и способностью противостоять ветровой нагрузке. Кроме того его возможно гнуть для придания аэродинамической формы.
Полимерные трубы – самый доступный и практичный выбор.
В них легко работать, но со временем может снизиться прочность. Замена труб не составит труда как в изготовлении, так и по цене.
Работа с фанерой, ОСП и МДФ не доставит проблем, но следует помнить о том, что под постоянным воздействием атмосферы лопасти со временем выйдут из строя.

Канализационные трубы из поливинилхлорида

Для производства лопатёк ветрогенераторов чаще всего используют обычную канализационную трубу из поливинилхлорида (ПВХ). Трубы диаметром 160 мм подойдут для большинства домашних генераторов с винтом до двух метров в диаметре.

К преимуществам такого метода относят:

  • невысокую цену;
  • доступность в любом регионе;
  • простоту работы;
  • В сети доступно множество схем и чертежей, а также имеется большой практический опыт их применения.

Трубы бывают различными. Об этом знают не только создатели самостоятельных ветряных электростанций, но и все, кто сталкивался с установкой канализации или водопровода. Отличаются они толщиной, составом, производителем. Цена трубы невелика, поэтому не стоит пытаться ещё больше снизить стоимость своего ветряка, экономя на ПВХ-трубах.

При использовании некачественного материала для пластиковых труб лопасти могут треснуть во время первого испытания, сделав всю работу бессмысленной.

Прежде всего, стоит выбрать форму. Много вариантов доступно, каждая имеет плюсы и минусы. Полезно сначала попробовать разные варианты, прежде чем остановиться на окончательном.

Трубы стоят недорого и продаются во всех строительных магазинах, поэтому этот материал подходит для начала работы с моделированием лопастей. В случае неудачи можно приобрести новую трубу и повторить попытку, затраты на такие эксперименты будут незначительными.

Ветроэнергетики отмечают: для лопастей ветряных турбин лучше подходят оранжевые трубы по сравнению с серыми. Оранжевые трубы сохраняют форму, не деформируются после формирования крыльев и служат продолжительнее.

Аматоры конструирования выбирают ПВХ из-за возможности быстрого ремонта: сломанную лопасть легко заменить новой, изготовленной буквально за пятнадцать минут на месте при наличии соответствующего шаблона. Просто, быстро и, что самое важное, дешево.

Инструкции с картинками для создания лопастей ветряка из пластиковых труб покажут, как правильно выполнить каждый этап.

Вычерченный на картоне шаблон лопастей переносят на остатки полимерных труб с участка монтажа системы.
По отмеченным линиям вырезают лопасти. Сперва прорезают продольные, потом поперечные линии.
По краям лопастей ставим метки выступа, который нужен для крепления лопастей к вращающемуся диску.
На всех лопастях удаляем выступа с помощью болгарки. Затем обрабатываем обрезанные края мелкой наждачной бумагой, чтобы убрать заусенцы.
Поскольку очень большие монтажные пластины не нужны, сложим их пополам, чтобы получить две части.
Ножницами для металла или электропилкой распиливаем согнутую монтажную пластину по изгибу.
С помощью молотка и дерева угла подрезаем металлические монтажные пластины после резания.
Край монтажных металлических пластин шлифуем наждаком, чтобы избежать травм при сборке.

Остались последние работы – прикрепить лопасти к вращающемуся по ветру механизму.

К выступам на лопасти приложить обрезанную монтажную пластину и отметить через отверстия места будущего крепления.
Вырежьте в доске отверстия с помощью сверла, которое будет немного уже по диаметру, чем шляпка шурупа. Подложите под лопасть сверла кусочек доски или бруска.
Из отверстий нужно аккуратно извлечь оставшуюся после сверления полимерную стружку, не отрывая её так, чтобы увеличить размер гнезд для крепления.
На металлическом диске обозначают центр для установки анкерного болта и проводят равносторонний треугольник, вершины которого показывают места крепления монтажных пластин.
Прикрепим пластины к металлическому диску, размещая их в углах треугольника. Это упростит процесс сварки.
В центре диска устанавливаем и привариваем гайку, в которую будет входить болт-анкер. Приклеенные пластины соединяем выпуклым швом.
К сварившейся детали крепим вырезанные из труб лопасти, располагая их таким образом, чтобы изгиб каждого был направлен в один и тот же угол.
К каждому шурупу с обратной стороны наворачиваем гайку. Чтобы крепление не развинчивалось во время вращения лопастей, его следует зафиксировать пайкой или сваркой.

Алюминий — тонкий, легкий и дорогой

Алюминий — легкий и крепкий материал, применяемый для производства лопастей ветрогенераторов. Малый вес позволяет добиться хороших аэродинамических свойств винта с помощью правильной формы пластины.

Во время работы главные нагрузки на ветряк приходится на изгиб и разрыв лопастей. Пластик в таких условиях быстро потрескается и выйдет из строя, а вот алюминиевый винт прослужит гораздо дольше.

Хотя алюминиевые трубы легче ПВХ, при большой скорости вращения есть риск повредить место крепления лопасти к винту, а не саму лопасть.

Изготовление деталей из алюминия затруднительно еще по одной причине: сложность обработки материала. В случае с ПВХ-трубами, где изгиб используется для создания аэродинамических свойств лопасти, алюминий обычно применяется в виде листа.

Вырезав деталь по шаблону – задача более трудная, чем работа с пластмассой – заготовку необходимо прокатывать и придавать нужный изгиб. В домашних условиях без специального инструмента это выполнить будет затруднительно.

Вместо дорогого алюминия подойдут остатки кровельной жести или профнастила от укладки.

Выровняем оставшуюся после укладки профилированную кровельную жесть молотком, распределив заготовки на ровной деревянной поверхности. Начертим на них контур лопастей и оставим по 1 см от края.
Чтобы повысить жесткость и обеспечить безопасность при сборке, оставшийся по периметру отрезка (1 см) изгибаем с помощью ножниц и молотка.
Точно так же обрабатываем все приготовленные для ветряной турбины лопасти. Для большей прочности по краям элементов можно пройтись плоскогубцами.
Складываем все лопасти вместе, проверяя соответствие форм. В случае значительных несоответствий корректируем положение любым удобным методом.
Для придания лопастям формы желобов применяется молоток. В качестве шаблона для изгиба целесообразно использовать трубу с диаметром 320 миллиметров.
Чтобы прикрепить лопасти к основанию с установленным подшипником, отмечаем точки и сверлим в них отверстия.
Сборки вращающей части ветрогенератора подразумевает крепление лопастей к основанию с помощью шурупов и гаек. Для предотвращения самооткручивания гаек во время вращения рекомендуется дополнительно зафиксировать их пайкой или сваркой.
На мачту устанавливается винт ветряка, к которому подключается генератор. Генератор можно присоединить как непосредственно к линии освещения, так и к инвертору.

Стекловолокно или стеклоткань — для профессионалов

Для создания лопасти с применением стеклоткани потребуется много усилий и терпения. Без опыта работы с ветрогенераторами и стеклотканью начинать знакомство с моделированием ветряка не рекомендуется, так как это требует определённых навыков.

Из нескольких слоев стеклоткани, склеенных эпоксидным клеем, получится прочная, лёгкая и надёжная лопасть. Полая конструкция детали с большой площадью поверхности делает её практически невесомой.

Для создания изделия используют стеклоткань – тонкую и прочную ткань, поставляемую в рулонах. Кроме стекловолокна понадобится эпоксидный клей для склеивания слоёв.

Работа начинается с изготовления матрицы. Матрица — это форма для будущей детали.

Матрицу можно сделать из древесины: брусков, досок или бревен.
Объемный силуэт половины лопасти вырезают прямо из массива. Другой вариант – форма из пластика.

Самостоятельно изготовить заготовку – задача непростая. Требуется готовая модель лопасти из дерева или другого материала, по которой создаётся матрица для детали. Необходимы минимум две матрицы. Однако, получив удачную форму, её можно использовать многократно и построить несколько ветряков.

Дно формы хорошо смазывают воском для лёгкого извлечения готовой лопасти. На него укладывают слой стекловолокна и промазывают его эпоксидным клеем. Такой процесс повторяют до тех пор, пока заготовка не достигнет нужной толщины.

После застывания клея некоторые советуют поместить форму в вакуумный пакет и удалить воздух. Это помогает клею равномерно заполнить все слои стеклоткани без остатка непропитанных зон.

После застывания эпоксидного клея аккуратно извлекают первую половину детали из матрицы. То же делают со второй половиной. Части склеивают, получая полую объемную деталь. Легкая, прочная лопасть из стекловолокна правильной аэродинамической формы – результат труда домашнего любителя ветряных электростанций.

Главным недостатком является сложность воплощения идеи и высокий процент дефектов в начальной стадии, до тех пор, пока не будет найдена оптимальная матрица и алгоритм производства не станет совершенным.

Простой и доступный элемент конструкции для ветряка.

Деревянный инструмент – метод предков, простой в реализации, но малопригодный с современным энергопотреблением. Можно сделать его из цельной доски мягкой древесины, например, сосны. Необходимо выбрать хорошо высушенную деревянную заготовку.

Сырое дерево во время высыхания может искривляться из-за шурупа, что приведет к его деформации. Кроме того, мокрое дерево весит гораздо больше, чем сухое.

Необходимо подобрать подходящую форму, принимая во внимание то, что деревянная лопасть не будет тонкой пластиной, подобно алюминиевой или пластиковой, а объемным элементом. Для придания заготовке формы недостаточно просто выбрать её облик. Нужно разбираться в аэродинамике и представлять себе очертания лопасти во всех трёх измерениях.

Для финишной обработки дерева подойдет рубанок, желательно электрический. Древесина для большей прочности покрывается антисептическим лаком или краской.

Главный минус такой конструкции – большой вес лопастей. Для того чтобы заставить её двигаться, ветер должен быть достаточно мощным, что практически невозможно. Но дерево – материал, который легко достать. Доски, подходящие для изготовления винта ветрогенератора, можно найти прямо на своём участке, не тратя ни средств. Это и является главным достоинством древесины в данном случае.

Эффективность деревянной лопасти приближается к нулю. Вложение времени и сил в создание такого ветряка обычно не оправдывается получаемой мощностью. Тем не менее, как учебный образец или пробный экземпляр деревянная деталь может быть полезна. Кроме того, флюгер с деревянными лопастями декоративно смотрится на участке.

Пошаговый процесс создания ветряка с лопастями, выполненными из фанеры, представлен на фотографиях в этой подборке.

С отслужившего велосипеда снимаем генератор и делаем в нем отверстия для крепления рабочего элемента ветряной установки – фанерного диска с лопастями.
На фанерной заготовке чертим лопасти ветрогенератора. Для экономии материала лучше повернуть их основания друг от друга.
Сначала начертим все элементы рабочего узла фанерного мельница на листе бумаги, потом перенесем их на фанеру.
Согласно разметке сначала вырезаем детали электролобзиком, а затем доводим их до нужного состояния вручную.
Из-за условий эксплуатации будущей мини электростанции её обрабатывают перед сборочной процедурой. Наносят антисептическую пропитку и огнезащитное покрытие.
Отрезки брусков, срезанные под углом, крепятся к центральному диску, предназначенному для монтажа всех деталей фанерного винта.
К дискам, закреплённым колышками, прикручиваем фанерные лопасти и генератор с неработающего велосипеда.
После сборки работоспособной части ветрянки проверяем легкость вращения диска с генератором. При наличии помех проводим шлифовку и правку.

Завершена рабочая часть, проверка работоспособности пройдена. Осталось окрасить её и прикрепить к мачте.

Установим фанерный винт ветрогенератора на опору, предназначенную для крепления на мачту. Присоединим к винту хвостовую часть. Протестируем работу системы в текущей конфигурации.
Вновь разбираем фанерный ветряк для предстоящей покраски. Все элементы обрабатываем грунтовкой, подходящей по типу к лакокрасочному покрытию.
Детали ветряка разукрашиваем в веселые, яркие оттенки по своему выбору.
После установки мачты к ней проще прикрепить ветряк, избегая помех в ходе работы. Ветряк можно установить вместе с мачтой, но это усложнит процесс.

Чертежи и примеры лопастей

Правильно рассчитать винт ветрогенератора без знания основных параметров и их влияния на работу генератора — сложная задача.

Если у вас нет интереса к изучению аэродинамики, не тратьте время. Готовые схемы с указанными характеристиками помогут выбрать подходящую лопасть для ветроэлектростанции.

Чертеж лопасти, предназначенный для двухлопастного винта, выполнен на основе канализационной трубы с диаметром 110 мм. Рассчитанный в данном проекте диаметр винта ветряной установки равен 1 метру.

Этот компактный ветрогенератор не выдаст большой мощности, скорее всего, его производительность не превысит 50 Вт. Но двухлопастной винт из лёгкой ПВХ-трубы обеспечит быстрый оборот и позволит ветряку работать даже при слабом ветре.

Чертеж лопасти для вентилятора с тремя лопатками ветроустановки, изготовленного из трубы диаметром 160 мм. Расчётная скорость вращения – 5 оборотов при скорости ветра 5 м/с.

Винт подобной формы подходит для мощных устройств: примерно 150 Вт при напряжении 12 В. Диаметр этой модели достигает 1,5 метра. Ветроколесо вращается быстро и запускается легко. Трёхлопастные ветряки чаще всего применяются в домашних электростанциях.

Чертеж ручного изготовления лопасти для пятилопастного ротора ветряной электростанции. Сделанный из трубы поливинилхлорида диаметром 160 мм. Рассчитанная максимальная скорость вращения — 4.

Пятилопастной винт способен выдавать до 225 оборотов в минуту при расчетной скорости ветра 5 м/с. Для изготовления лопасти по чертежам необходимо перенести координаты каждой точки из колонок «Координаты лекала фронт/тыл» на поверхность пластиковой канализационной трубы.

Таблицей можно рассчитать диаметр ветряка с двумя до шестнадцати лопастями, выбирая размер по желаемой выходной мощности.

Из таблицы следует, что при увеличении числа крыльев ветрогенератора необходимо уменьшать длину каждого крыла для обеспечения той же мощности тока.

Опыт работы показывает, что обслуживание ветрогенераторов диаметров более 2 метров бывает затруднительным. При необходимости ветряка большей величины, предложено рассмотреть возможность увеличения количества лопастей.

С правилами и принципами расчета ветрогенератора Статья подробно описывает этапы выполнения вычислений.

Выполнение балансировки ветряка

Балансировка лопастей ветрогенератора позволит повысить его эффективность. Для процедуры потребуется место без ветра и сквозняков. Для ветроколес диаметром более двух метров это может быть проблемой.

Конструкцию лопастей собирают и устанавливают в рабочее положение. Ось требуется расположить строго горизонтально, по уровню. Плоскость вращения винта должна быть установлена строго вертикально, перпендикулярно оси и земле.

Неповоротный винт требуется повернуть на 360/х градусов, где х — число лопастей. Идеальный баланс ветряка не допускает отклонения даже на 1 градус, он сохранит устойчивое положение. Если лопасть сместилась под собственным весом, ее нужно корректировать: уменьшить вес с одной стороны и вернуть к оси вращения.

Процесс продолжают до момента полной остановки винта в любых положениях.
Необходимо избегать воздействия ветра во время выравнивания, так как это может повлиять на точность результатов.

Важно убедиться, что все части вращаются в одной плоскости. Для проверки с двух сторон одной лопасти устанавливают контрольные пластины на расстоянии 2 мм друг от друга. Во время работы ни одна часть винта не должна касаться пластин.

Для работы ветровых установок с самодельными лопастями нужно соорудить систему, которая собирает, хранит и передает получаемую энергию потребителю. В системе есть компонент — контроллер. О том, как его изготовить… контроллер для ветрякаУзнаете об этом, прочитав нашу рекомендуемую статью.

Выводы и полезное видео по теме

Самостоятельно построить ветряк из доступных материалов вполне реально. Начиная с простых конструкций, даже первая попытка может быть удачной. Приобретая опыт, можно воплощать более сложные идеи для получения максимально эффективного и мощного ветрового генератора.

Видео #1. Как сделать ветряк из труб ПВХ:

Видео #2. Ветрогенератор своими руками:

Видео #3. Ветряк из оцинкованной стали:

Для удовлетворения бытовых потребностей чистой и безопасной энергией ветра без больших расходов на оборудование самодельные лопасти из доступных материалов станут хорошим решением. Эксперименты помогут улучшить существующие конструкции ветровых турбин.

Расскажите о создании лопастей для ветряка, подающего электроэнергию на участок. Поделитесь опытом с читателями или задайте вопрос – пишите комментарии ниже.


Cheh