Шаговый двигатель как генератор своими руками. Маломощный ветрогенератор из шагового двигателя: самодельное устройство из принтера. Устройство для зарядки автомобильной АКБ

Tigrezno

Ниже предоставлена инструкция, с помощью которой вы сможете «переработать» старый сканер в впечатляющий генератор электричества.

Нам понадобятся:

• Старый сканер;
• Выпрямляющие диоды (в проекте использовано 8 диодов 1N4007);
• Конденсатор 1000 мкФ;
• Труба ПВХ;
• Пластиковые детали (см. ниже);
• Алюминиевые пластины (можно использовать любые другие).

Помимо флуоресцентной трубы и электронных компонентов, в сканере есть шаговый двигатель, именно он нам и понадобится. На фото показан четырехфазный шаговый двигатель.

Заметка 3. Было использовано свободное ПО для разработки схемы http://qucs.sourceforge.net/.

Собираем лопасти. Более подробно .

К сожалению схемы устройства нет, однако собрать похожее по фотографии не так уж и сложно.

Конец! Теперь осталось дождаться ветряного дня и опробовать устройство, как видно на фотографии - устройство стабильно генерирует напряжение 4.95 В. Теперь вы можете бесплатно заряжать МР3 плеер или телефон!

• Вот. Отлично человек сказал. Вопрос же не в "сказочном КПД": энергия все равно даровая. Планета не обеднеет от таких Кулибиных. Вопрос в трудозатратах и стоимости всего применяемого. Вопрос весьма спорный: вертикалка жутких габаритов, или горизонталка, но поворачиваемоя. Вот это - тема для споров (а лучше, если их кто-то погасит практическим опытом и поделится).
• привет всем. у меня чуть посложнее. освещение двора светодиодными фонариками (5шт. по 7 светодиодов). аккумулятор стоит 7.2 вольта 700 ма. собирал по схеме удвоения напряжения.:).
• ветер средний, незнаю чем замерить... немного перестал, да и неповетру стоит.
• а вот "головка". (убрал мультипликатор, залипания намного с ним сельнее а разница минимальная, да и не шумит). вертикальный у меня вообше нешумит и светит уже 1.5 года без аккумулятора (тоже ШД).
• mba1 прав, и у вертикалок более 200 об/мин под большим сомнением.
• Лопасти мне кажется у Вас большие для такого движка. Подогнать размер под мощность, глядишь совсем правильный ветрячок будет. Не замеряли параметры?
• Лопасти сделал поуже и укоротил, диаметр примерно 1.1м, обороты повысились, да и крутится когда ветра и нечувствуешь. фанарей уже 6:). вот видео - http://depositfiles.com/files/18bs0ha7b
• параметры уже непомню, при среднем ветре около 8 вольт, ма -хз, сейчас лезть туда неочень хочеться, да и голова другим забита, неодимовые магнитики жду(24шт), на днях придут:), буду генератор мастерить:).
• Если нужен шаговый двигатель то тогда не из сканера, а из принтера, в матричьнеке их два, даже при обслуживание при быстром перемещение головки свето диоды начинали светится. Думаю начать не с серьезной поделки, а взять для начала движек от жигулевской печьки, или моторчик от стекло очистителя в гараже валяется.
• Есть коллекторные движки (например, ДП..., ДПМ...) с центробежным ограничителем оборотов. Может, есть идеи, как это приспособить для обратной задачи в генераторе? Мне так сходу как-то и не соображается...
• А изШД3-ШД5 кто то может мутил?
• Или с моторами от авио моделей-размеры маленькие мощность большая?
• http://vkontakte.ru/club11998700 - ТАМ ЕСТЬ И ФОТО И ВИДЕО шд, неодимовые, ссылки....
• А параметры у движков какие? вольт на катушку? ампераж? сколько катушек (выводов?) и какой градус поворота?
• шд желательно подбирать - меньше сопротивление обмотки, большее рабочее напряжение, тогда на шаг приличьно импульс будет давать:)
• Если меньше сопротивление при большем напряжении - значит, мощность больше. Так что можно подбирать по РАЗМЕРУ:)
• http://www.youtube.com/watch?v=7WgS4kxobI0&feature=channel_video_title
• Это моё видео.
• Кто знает,любой ШД можно использовать как генератор?Если купить помощнее чем в принторе.
• Использовать мощный ШД в качестве генератора затруднительно. Причина в большом моменте трогания.

Создание ветрогенератора не обязательно означает изготовление крупного и мощного комплекса, способного обеспечивать электроэнергией целый дом или группу потребителей. Можно изготовить , представляющий собой, по сути, действующую модель серьезной установки. Целью такого мероприятия может быть:

• Ознакомление с основами ветроэнергетики.
• Совместные обучающие занятия с детьми.
• Экспериментальный образец, предваряющий строительство крупной установки.

Создание такого ветряка не потребует использования большого количества материалов или инструментов, можно обойтись подручными средствами. Рассчитывать на выработку серьезных объемов энергии не приходится, но для питания небольшого светильника на светодиодах может хватить. Основная проблема, существующая при создании - это генератор. Его сложно создать самостоятельно, поскольку размеры устройства невелики. Проще всего использовать , позволяющий использовать его в режиме генератора.

Самодельный ветряк на основе шагового двигателя

Чаще всего, при изготовлении маломощных ветрогенераторов используют шаговые электродвигатели. Особенность их конструкции состоит в наличии нескольких обмоток. Обычно, в зависимости от размера и назначения, изготавливают двигатели с 2, 4 или 8 обмотками (фазами). При подаче напряжения на них по очереди вал соответственно поворачивается на определенный угол (шаг).

Преимущество шаговых двигателей заключается в способности производить достаточно большой ток при низких скоростях вращения. На генератор из шагового двигателя можно установить крыльчатку без всяких промежуточных устройств - передач, редукторов и т.п. Выработка электроэнергии будет производиться с такой же эффективностью, как и на устройствах другой конструкции с использование повышающих передач.

Разница в скоростях весьма существенная - для получения такого же результата, например, на коллекторном двигателе, потребуется скорость вращения в 10 или 15 раз больше.

Считается, что с помощью генератора из шагового двигателя можно заряжать аккумуляторы или батареи мобильных телефонов, но на практике положительные результаты отмечаются крайне редко. В основном, получаются источники питания для небольших светильников.

К недостаткам шаговых двигателей можно отнести значительное усилие, необходимое для начала вращения. Это обстоятельство снижает чувствительность всей , что можно несколько скорректировать путем увеличения площади и размаха лопастей.

Отыскать такие двигатели можно в старых дисководах для гибких носителей, в сканерах или принтерах. Как вариант, можно приобрести новый двигатель, если в запасе нужного устройства не окажется. Для большего эффекта следует выбирать более крупные двигатели, они способны выдавать достаточно большое напряжение, чтобы его можно было как-то использовать.

Ветрогенератор из деталей от принтера

Один из подходящих вариантов - использование шагового двигателя от принтера. Его можно извлечь из вышедшего из строя старого устройства, в каждом принтере как минимум два таких двигателя. Как вариант, можно приобрести новый, не бывший в эксплуатации. Он способен вырабатывать мощность около 3 ватт даже при слабом ветре, типичном для большинства регионов России. Напряжение, которое может быть достигнуто, составляет 12 и более В, что позволяет рассматривать устройство как возможность зарядки аккумуляторов.

Шаговый двигатель выдает переменное напряжение. Для пользователя необходимо прежде всего выпрямить его. Потребуется создать диодный выпрямитель, для чего потребуется по 2 диода на каждую катушку. Можно и напрямую подключить светодиод к выводам катушки, при достаточной скорости вращения этого хватит.

Крыльчатку ротора проще всего установить прямо на вал двигателя. Для этого надо изготовить центральную часть, способную плотно усаживаться на вал. Доя усиления фиксации крыльчатки необходимо просверлить отверстие и нарезать в нем резьбу. Впоследствии в него буде завинчиваться стопорный винт.

Для изготовления лопастей обычно используют полипропиленовые канализационные трубы или иные подходящие материалы. Главным условием является малый вес и достаточная прочность, поскольку лопасти иногда набирают вполне приличную скорость. Использование ненадежных материалов может создать нежелательную ситуацию, когда крыльчатка разваливается на ходу.

Лопасти

Обычно изготавливают по 2 лопасти, но можно сделать и большее количество. Необходимо помнить, что большая площадь лопастей повышает КИЭВ ветряка , но параллельно с этим увеличивается фронтальная нагрузка на крыльчатку, передающаяся валу двигателя. Изготовление маленьких лопастей также не рекомендуется, поскольку они не смогут преодолеть залипание вала при старте вращения.

Для возможности вращения ветряка вокруг вертикальной оси надо сделать специальный узел. Сложность в этом заключается в необходимости обеспечить неподвижность кабеля, идущего от генератора. Поскольку устройство имеет, скорее, декоративное назначение, обычно подходят к вопросу проще - устанавливают потребитель прямо на корпусе генератора, исключая присутствие длинного кабеля. В противном случае придется монтировать систему наподобие щеточного коллектора, что нерационально и требует большого количества времени.

Мачта

Собранный ветряк необходимо установить на высотой как минимум 3 метра. Потоки ветра у поверхности земли имеют нестабильное направление, вызванное турбулентностью. Подъем на некоторую высоту поможет получить более равномерные потоки. Для самостоятельной установки на ветер по оси вращения устанавливают хвостовой стабилизатор, играющий роль флюгера. Он делается из любого куска пластмассы, алюминиевой пластинки или иного подручного материала.

С каждым годом люди ведут поиски альтернативных источников. Самодельная электростанция из старого автомобильного генератора будет кстати в отдалённых участках, где нет подключения к общей сети. Она сможет свободно заряжать аккумуляторные батареи, а также обеспечит работу нескольких бытовых приборов и освещения. Куда использовать энергию, что будет вырабатываться решаете вы, а также собрать его своими руками или приобрести у производителей, которых на рынке предостаточно. В этой статье мы поможем вам разобраться со схемой сборки ветрогенератора своими руками из тех материалов которые всегда есть у любого хозяина.

Рассмотрим принцип работы ветро-электростанции. Под быстрым ветровым потоком активируется ротор и винты, после в движение приходит основной вал, вращающий редуктор, а потом происходит генерация. На выходе мы получаем электричество. Следовательно, чем выше скорость вращения механизма, тем больше производительности. Соответственно, при расположении конструкций учитывайте местность, рельеф, знать участки территорий, где большая скорость вихря.

Инструкция сборки из автомобильного генератора

Для этого вам потребуется заранее приготовить всё комплектующие. Самым важным элементом является генератор. Лучше всего брать тракторный или автобусный, он способен выработать намного больше энергии. Но если такой возможности нет, то вероятнее стоит обойтись и более слабыми агрегатами. Для сборки аппарата вам понадобится:
вольтметр
реле аккумуляторной зарядки
сталь для изготовления лопастей
12 вольтовый аккумулятор
коробка для проводов
4 болта с гайками и шайбами
хомуты для крепления

Сборка устройства для дома на 220в

Когда все потребное готово переходите к сборке. Каждый из вариантов может иметь дополнительные детали, но они чётко оговариваются непосредственно в руководстве.
Первым делом соберите ветряное колесо - главный элемент конструкции, ведь именно эта деталь будет преображать энергию ветра в механическую. Лучше всего, чтобы у него было 4 лопасти. Запомните, что чем меньше их количество, тем больше механической вибрации и тем сложней будет его сбалансировать. Делают их из листовой стали или железной бочки. Форму они должны носить не такую, как вы видели в старых мельницах, а напоминающие крыльчатый тип. У них аэродинамическое сопротивление намного ниже, а эффективность выше. После того как вы с помощью болгарки, вырежете ветряк с лопастями диаметром 1.2-1.8 метра, его вместе с ротором требуется прикрепить с осью генератора, просверлив отверстия и соединив болтами.

Сборка электрической схемы

Закрепляем провода и подключаем их непосредственно к аккумулятору и преобразователю напряжения. Требуется использовать все, что в школе на уроках физики вас учили мастерить при сборке электрической схемы. Перед началом разработки подумайте, какие кВт вам нужны. Важно отметить, что без последующей переделки и перемотки статора вовсе не пригодны, рабочие обороты составляют 1,2 тыс-6 тыс. об/м, а этого недостаточно для производства энергии. Именно по этой причине требуется избавится от катушки возбуждения. Чтобы поднять уровень напряжения, перемотайте статор тонким проводом. Как правило, в результате мощность будет при 10 м/с 150-300 ватт. После сборки ротор хорошо будет магнитить, будто к нему подключили питание.

Роторные самодельные ветрогенераторы очень надёжны в работе и экономично выгодны, единственным их несовершенством является страх сильных порывов ветра. Принцип работы имеет простой - вихрь через лопасти заставляет механизм крутиться. В процессе этих интенсивных вращений вырабатывается энергия, необходимого вам напряжения. Такая электростанция – это очень удачный способ обеспечить электричеством небольшой дом, конечно, чтобы выкачивать воду из скважины его мощности будет недостаточно, но посмотреть телевизор или включить свет во всех помещениях с его помощью возможно.

Из домашнего вентилятора

Сам вентилятор может быть в нерабочем состоянии, но из него требуется всего несколько деталей - это стойка и сам винт. Для конструкции понадобиться небольшой шаговый двигатель спаянный диодным мостиком для того, чтобы он выдавал постоянное напряжение, бутылочка от шампуня, пластиковая водопроводная трубка длиной примерно 50 см, заглушка для неё и крышка от пластикового ведра.

На станке делают втулку и фиксируют в разъёме от крыльев разобранного вентилятора. В эту втулку будет крепиться генератор. После закрепления, нужно заняться изготовлением корпуса. Срезают с помощью станка или в ручном режиме дно от бутылки шампуня. Во время отрезания, требуется также оставить отверстие на 10, чтобы в него вставить ось, выточенную из алюминиевого прута. Прикрепляют её с помощью болта и гайки к бутылочке. После того как была выполнена припайка всех проводов, в корпусе бутылочки проделывают ещё одно отверстие для вывода этих самых проводов. Протягиваем их и закрепляем в бутылочке сверху на генераторе. По форме они должны совпадать и корпус бутылки должен надёжно скрывать все его части.

Хвостовик для нашего устройства

Чтобы в будущем он улавливал потоки ветра с разных сторон, соберите хвостовик, использовав заранее подготовленную трубку. Хвостовая часть будет крепиться с помощью откручиваемой крышки от шампуня. В ней тоже делают отверстие и, предварительно надев на один конец трубки заглушку, протягивают её и закрепляют к основному корпусу бутылочки. С другой стороны, трубку пропиливают ножовкой и вырезают ножницами из крышки пластикового ведра крыло хвостовика, оно должно иметь круглую форму. Все что вам нужно, это попросту обрезать края ведра, которыми оно прикреплялось к основной ёмкости.

На заднюю панель подставки прикрепляем USB выход и складываем все полученные детали в одну. Крепить радио или подзаряжать телефон можно будет через этот вмонтированный USB порт. Конечно, сильной мощностью он от бытового вентилятора не обладает, но все же освещение одной лампочки может обеспечить.

Ветрогенератор своими руками из шагового двигателя

Устройство из шагового двигателя даже при небольшой скорости вращения вырабатывает около 3 Вт. Напряжение может подниматься выше 12 В, а это позволяет заряжать небольшой аккумулятор. В качестве генератора можно вставить шаговый двигатель от принтера. В таком режиме у шагового двигателя вырабатывается переменный ток, а его без труда преобразовать в постоянный, используя несколько диодных мостов и конденсаторы. Схему вы можете собрать собственноручно. Стабилизатор устанавливают за мостами, в следствии получим постоянное выходное напряжение. Чтобы контролировать зрительно напряжение, можно установить светодиод. С целью уменьшения потери 220 В, для его выпрямления, применяются диоды Шоттки.

Лопасти будут из трубы ПВХ. Заготовку рисуют на трубе, а затем вырезают отрезным диском. Размах винта должен составлять около 50 см, а ширина - 10 см. Нужно выточить втулку с фланцем под размер вала ШД. Она насаживается на вал двигателя и крепится с помощью винтов, непосредственно к фланцам будут крепиться пластиковые “винты”. Также проведите балансировку – от концов крыльев отрезаются кусочки пластика, угол наклона изменить посредством нагрева и изгиба. В само устройство вставляют кусок трубы, к которому его тоже прикрепляют болтами. Что касается электрической платы, то её лучше разместить внизу, а к ней вывести питание. С шагового двигателя выходят до 6 проводов, которые соответствуют двум катушкам. Для них потребуются токосъёмные кольца для передачи электроэнергии от подвижной части. Соединив все детали между собой переходим к тестированию конструкции, которая будет начинать обороты при 1 м/с.

Ветряк из мотор-колесо и магнитов

Не каждый знает, что ветрогенератор из мотор-колеса можно собрать своими руками за короткое время, главное заранее запастись нужными материалами. Для него лучше всего подходит ротор Савониуса, его можно приобрести готовый или же самостоятельно. Он состоит из двух полуцилиндрических лопастей и перекрытия, из которых и получаются оси вращения ротора. Материал для их изделия выбирайте самостоятельно: дерево, стеклоткань или пвх-трубу, что является самым простым и оптимальным вариантом. Изготовляем место соединения деталей, на котором нужно проделать отверстия для крепления в соответствии с количеством лопастей. Потребуется стальной поворотный механизм, чтобы устройство могло выдерживать любую погоду.

Из ферритовых магнитов

Ветрогенератор на магнитах будет сложно освоить малоопытным мастерам, но все же можно попробовать. Итак, должны быть четыре полюса, в каждом будет находиться по два ферритовых магнита. Покрывать их будут накладки из металла толщиной чуть меньше миллиметра для распределения более равномерного потока. Основных катушек должно быть 6 штук, перемотаны толстым проводом и должны находиться через каждый магнит, занимая пространство, соответствующее длине поля. Крепление схем обмотки может быть на ступице от болгарки, в середину которой установлен заранее выточенный болт.

Регулируется поток подачи энергии высотой закрепления статора над ротором, чем он выше, тем меньше залипаний, соответственно мощность понижается. Для ветряка нужно сварить опору-стойку, а на диске статора закрепить 4 больших лопасти, которые вы можете вырезать из старой металлической бочки или крышки от пластикового ведра. При средней скорости вращения выдаёт примерно до 20 ватт.

Конструкция ветряка на неодимовых магнитах

Если вы хотите узнать о создании, нужно сделать основой ступицу автомобиля с дисками тормоза, такой выбор вполне оправдан, ведь она мощная, надёжная и хорошо сбалансированная. После того как вы отчистите ступицу от краски и грязи, переходите к расстановке неодимовых магнитов. Их потребуется по 20 штук на диске, размер должен составлять 25х8 миллиметров.

Магниты нужно размещать, учитывая чередование полюсов, перед склейкой лучше создать бумажный шаблон либо прочертить линии, делящие диск на сектора, чтобы не перепутать полюса. Очень важно, чтобы они, стоящие друг напротив друга, были с разными полюсами, то есть притягивались. Клеят их супер-клеем. Поднимите бордюрчики по краям дисков, и в центре намотайте скотч или залепите пластилином для недопущения растекания. Чтобы изделие работало с максимальной отдачей, катушки статора следует рассчитать правильно. Увеличение количества полюсов приводит к росту частоты тока в катушках, благодаря этому, устройство даже при низкой частоте оборота даёт большую мощность. Намотка катушек осуществляется более толстыми проводами, с целью снижения сопротивления в них.

Когда основная часть готова, изготовляют лопасти, как в предыдущем случае и закрепляют их к мачте, что может быть изготовлена из обыкновенной пластиковой трубы с диаметром- 160 мм. В конце концов наш генератор, работающий на принципе магнитной левитации, с диаметром в полтора метра и шестью крыльями, в 8м/с, способен обеспечить до 300 Вт.

Цена разочарования или дорогой флюгер

Сегодня существует множество вариантов как сделать устройство для преобразования энергии ветра, каждый способ по-своему эффективен. Если вы ознакомлены с методикой изготовления оборудования вырабатывающего энергию, то будет неважно на базе чего его делать, главное, чтобы он отвечал задуманной схеме, и на выходе давал хорошую мощность.

Проезжая на велосипеде мимо дачных участков, я увидел работающий ветрогенератор:

Большие лопасти медленно, но верно вращались, флюгер ориентировал устройство по направлению ветра.
Мне захотелось реализовать подобную конструкцию, пусть и не способную вырабатывать мощность, достаточную для обеспечения "серьезных" потребителей, но все-таки работающую и, например, заряжающую аккумуляторы или питающую светодиоды.

Шаговые двигатели

Одним из наиболее эффективных вариантов небольшого самодельного ветроэлектрогенератора является использование шагового двигателя (ШД) (англ. stepping (stepper, step) motor ) - в таком моторе вращение вала состоит из небольших шагов. Обмотки шагового двигателя объединены в фазы. При подаче тока в одну из фаз происходит перемещение вала на один шаг.
Эти двигатели являются низкооборотными и генератор с таким двигателем может быть без редуктора подключен к ветряной турбине, двигателю Стирлинга или другому низкооборотному источнику мощности. При использовании в качестве генератора обычного (коллекторного) двигателя постоянного тока для достижения таких же результатов потребовалась бы в 10-15 раз более высокая частота вращения.
Особенностью шаговика является достаточно высокий момент трогания (даже без подключенной к генератору электрической нагрузки), достигающий 40 грамм силы на сантиметр.
Коэффициент полезного действия генератора с ШД достигает 40 %.

Для проверки работоспособности шагового двигателя можно подключить, например, красный светодиод. Вращая вал двигателя, можно наблюдать свечение светодиода. Полярность подключения светодиода не имеет значения, так как двигатель вырабатывает переменный ток.

Кладезем таких достаточно мощных двигателей являются пятидюймовые дисководы гибких дисков, а также старые принтеры и сканеры.

Двигатель 1

Например, я располагаю ШД из старого 5.25″ дисковода, работавшего еще в составе ZX Spectrum - совместимого компьютера "Байт".
Такой дисковод содержит две обмотки, от концов и середины которых сделаны выводы - итого из двигателя выведено шесть проводов:

первая обмотка (англ. coil 1 ) - синий (англ. blue ) и желтый (англ. yellow );
вторая обмотка (англ. coil 2 ) - красный (англ. red ) и белый (англ. white );
коричневые (англ. brown ) провода - выводы от средних точек каждой обмотки (англ. center taps ).

разобранный шаговый мотор

Слева виден ротор двигателя, на котором видны "полосатые" магнитные полюсы - северный и южный. Правее видна обмотка статора, состоящая из восьми катушек.
Сопротивление половины обмотки составляет ~ 70 Ом.

Я использовал этот двигатель в первоначальной конструкции моего ветрогенератора.

Двигатель 2

Находящийся в моем распоряжении менее мощный шаговый двигатель T1319635 фирмы Epoch Electronics Corp. из сканера HP Scanjet 2400 имеет пять выводов (униполярный мотор):


первая обмотка (англ. coil 1 ) - оранжевый (англ. orange ) и черный (англ. black );
вторая обмотка (англ. coil 2 ) - коричневый (англ. brown ) и желтый (англ. yellow );
красный (англ. red ) провод - соединенные вместе выводы от средней точки каждой обмотки (англ. center taps ).

Сопротивление половины обмотки составляет 58 Ом, которое указано на корпусе двигателя.

Двигатель 3

В улучшенном варианте ветрогенератора я использовал шаговый двигатель Robotron SPA 42/100-558 , произведенный в ГДР и рассчитанный на напряжение 12 В:

Ветротурбина

Возможны два варианта расположения оси крыльчатки (турбины) ветрогенератора - горизонтальное и вертикальное.

Преимуществом горизонтального (наиболее популярного) расположения оси, располагающейся по направлению ветра, является более эффективное использование энергии ветра, недостаток - усложнение конструкции.

Я выбрал вертикальное расположение оси - VAWT (vertical axis wind turbine ), что существенно упрощает конструкцию и не требует ориентации по ветру . Такой вариант более пригоден для монтирования на крышу, он намного эффективнее в условиях быстрого и частого изменения направления ветра.

Я использовал тип ветротурбины, называемый ветротурбина Савониуса (англ.Savonius wind turbine ). Она была изобретена в 1922 году Сигурдом Йоханнесом Савониусом (Sigurd Johannes Savonius ) из Финляндии.

Сигурд Йоханнес Савониус

Работа ветротурбины Савониуса основана на том, что сопротивление (англ. drag ) набегающему потоку воздуха - ветру вогнутой поверхности цилиндра (лопасти) больше, чем выпуклой.

Коэффициенты аэродинамического сопротивления (англ. drag coefficients) $C_D$

двумерные тела:
вогнутая половина цилиндра (1) - 2,30
выпуклая половина цилиндра (2) - 1,20
плоская квадратная пластина - 1,17
трехмерные тела:
вогнутая полая полусфера (3) - 1,42
выпуклая полая полусфера (4) - 0,38
сфера - 0,5
Указанные значения приведены для чисел Рейнольдса (англ. Reynolds numbers ) в диапазоне $10^4 - 10^6$. Число Рейнольдса характеризует поведение тела в среде.

Сила сопротивления тела воздушному потоку ${F_D} = {{1 \over 2} {C_D} S \rho {v^2} } $, где $\rho$ - плотность воздуха, $v$ - скорость воздушного потока, $S$ - площадь сечения тела.

Такая ветротурбина вращается в одну и ту же сторону, независимо от направления ветра:

Подобный принцип работы используется в чашечном анемометре (англ. cup anemometer) - приборе для измерения скорости ветра:

Такой анемометр был изобретен в 1846 году ирландским астрономом Джоном Томасом Ромни Робинсоном (John Thomas Romney Robinson ):

Робинсон полагал, что чашки в его четырехчашечном анемометре перемещаются со скоростью, равной одной трети скорости ветра. В реальности это значение колеблется от двух до немногим более трех.

В настоящее время для измерения скорости ветра используются трехчашечные анемометры, разработанные канадским метеорологом Джоном Паттерсоном (John Patterson ) в 1926 году:

Генераторы на коллекторных двигателях постоянного тока с вертикальной микротурбиной продаются на eBay по цене около $5:

Такая турбина содержит четыре лопасти, расположенные вдоль двух перпендикулярных осей, с диаметром крыльчатки 100 мм, высотой лопасти 60 мм, длиной хорды 30 мм и высотой сегмента 11 мм. Крыльчатка насажена на вал коллекторного микродвигателя постоянного тока с маркировкой JQ24-125H670 . Номинальное напряжение питания такого двигателя составляет 3 ... 12 В.
Энергии, вырабатываемой таким генератором, хватает для свечения "белого" светодиода.

Скорость вращения ветротурбины Савониуса не может превышать скорость ветра , но при этом такая конструкция характеризуется высоким крутящим моментом (англ. torque ).

Эффективность ветротурбины можно оценить, сравнив вырабатываемую ветрогенератором мощность с мощностью, заключенной в ветре, обдувающем турбину:
$P = {1\over 2} \rho S {v^3}$ , где $\rho$ - плотность воздуха (около 1,225 кг/м 3 на уровне моря), $S$ - ометаемая площадь турбины (англ. swept area ), $v$ - скорость ветра.

Моя ветротурбина

Вариант 1

Первоначально в крыльчатке моего генератора использованы четыре лопасти в виде сегментов (половинок) цилиндров, вырезанных из пластиковых труб :


Размеры сегментов -
длина сегмента - 14 см;
высота сегмента - 2 см;
длина хорды сегмента - 4 см;

Я установил собранную конструкцию на достаточно высокой (6 м 70 см) деревянной мачте из бруса, прикрепленную саморезами к металлическому каркасу:

Вариант 2

Недостатком генератора была достаточно высокая скорость ветра, требуемая для раскрутки лопастей. Для увеличения площади поверхности я использовал лопасти, вырезанные из пластиковых бутылок :

Размеры сегментов -
длина сегмента - 18 см;
высота сегмента - 5 см;
длина хорды сегмента - 7 см;
расстояние от начала сегмента до центра оси вращения - 3 см.

Вариант 3

Проблемой оказалась прочность держателей лопастей. Сначала я использовал перфорированные алюминиевые планки от советского детского конструктора толщиной 1 мм. Через несколько суток эксплуатации сильные порывы ветра привели к излому планок (1). После этой неудачи я решил вырезать держатели лопастей из фольгированного текстолита (2) толщиной 1,8 мм:

Прочность текстолита на изгиб перпендикулярно пластине составляет 204 МПа и сравним с прочностью на изгиб алюминия - 275 МПа. Но модуль упругости алюминия $E$ (70000 МПа) намного больше, чем у текстолита (10000 МПа), т.е. тексолит намного эластичнее алюминия. Это, по моему мнению, с учетом большей толщины текстолитовых держателей, обеспечит гораздо большую надежность крепления лопастей ветрогенератора.
Ветрогенератор смонтирован на мачте:

Опытная эксплуатация нового варианта ветрогенератора показала его надежность даже при сильных порывах ветра.

Недостатком турбины Савониуса является невысокая эффективность - только около 15 % энергии ветра преобразуется в энергию вращения вала (это намного меньше, чем может быть достигнуто с ветротурбиной Дарье (англ. Darrieus wind turbine )), использующей подъемную силу (англ. lift ). Этот вид ветротурбины был изобретен французским авиаконструктором Жоржем Дарье (Georges Jean Marie Darrieus) - патент США от 1931 года № 1,835,018.

Жорж Дарье

Недостатком турбины Дарье является то, что у нее очень плохой самозапуск (для выработки крутящего момента от ветра турбины уже должна быть раскручена).

Преобразование электроэнергии, вырабатываемой шаговым двигателем

Выводы шагового двигателя могут быть подключены к двум мостовым выпрямителям, собранным из диодов Шоттки для снижения падения напряжения на диодах.
Можно применить популярные диоды Шоттки 1N5817 с максимальным обратным напряжением 20 В, 1N5819 - 40 В и максимальным прямым средним выпрямленным током 1 А. Я соединил выходы выпрямителей последовательно с целью увеличения выходного напряжения.
Также можно использовать два выпрямителя со средней точкой. Такой выпрямитель требует в два раза меньше диодов, но при этом и выходное напряжение снижается в два раза.
Затем пульсирующее напряжение сглаживается с помощью емкостного фильтра - конденсатора 1000 мкФ на 25 В. Для защиты от повышенного генерируемого напряжения параллельно конденсатору включен стабилитрон на 25 В.


схема моего ветрогенератора


электронный блок моего ветрогенератора

Применение ветрогенератора

Вырабатываемое ветрогенератором напряжение зависит от величины и постоянства скорости ветра.

При ветре, колышущем тонкие ветви деревьев, напряжение достигает 2 ... 3 В.

При ветре, колышущем толстые ветви деревьев, напряжение достигает 4 ... 5 В (при сильных порывах - до 7 В).

ПОДКЛЮЧЕНИЕ К JOULE THIEF

Сглаженное напряжение с конденсатора ветрогенератора может подаваться на - низковольтный DC-DC преобразователь

Значение сопротивления резистора R подбирается экспериментально (в зависимости от типа транзистора) - целесообразно использовать переменный резистор на 4,7 кОм и постепенно уменьшать его сопротивление, добиваясь стабильной работы преобразователя.
Я собрал такой преобразователь на базе германиевого pnp -транзистора ГТ308В (VT ) и импульсного трансформатора МИТ-4В (катушка L1 - выводы 2-3, L2 - выводы 5-6) :

ЗАРЯД ИОНИСТОРОВ (СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ)

Ионистор (суперконденсатор, англ. supercapacitor ) представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.
Ионистор - неполярный элемент, но один из выводов может быть помечен "стрелкой" - для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе.
Для первоначальных исследований я использовал ионистор емкостью 0,22 Ф на напряжение 5,5 В (диаметр 11,5 мм, высота 3,5 мм):

Я подключил его через диод к выходу через германиевый диод Д310.

Для ограничения максимального напряжения зарядки ионистора можно использовать стабилитрон или цепочку светодиодов - я использую цепочку из двух красных светодиодов:

Для предотвращения разряда уже заряженного ионистора через ограничительные светодиоды HL1 и HL2 я добавил еще один диод - VD2 .

Продолжение следует

Я уже писал в начале лета о самодельном ветряке – анемометре.

Его целью было организовать сбор статистики о ветре и принятие на ее основе решения о постройке большого серьезного ветряка. К сожалению, не нашлось ни программиста, желающего написать программу обработки данных с анемометра, ни специалиста по микроконтроллерам, для создания соответствующего прибора. Поэтому, увы пришлось наблюдать за ветром визуально, благо флюгер был всегда на виду. И к сожалению, наблюдения эти крайне удручающие…

Дело в том, что ветер в средней полосе европейской части России обладает крайней турбулентностью в своих приземных слоях. Буквально в течении 3-5 минут ветряк многократно и останавливается (или сильно замедляется) и раскручивается так, что лопастей не видно. При этом и направление ветра меняется в секторе до 90-120 градусов. Крайне редко бывают дни когда дует относительно сильный и ровный ветер. За все лето в моей местности таких дней было всего 4. Было несколько штилевых дней. А в остальные — ветер был очень турбулентный, и по скорости, и по направлению.

В таких условиях делать «глобальный» ветроэлектрогенератор (на 1-2 КВт или более) совершенно бессмысленно. Он не только себя никогда не окупит, но вообще будет плохо работать. Поскольку мощный генератор потребует больших лопастей, а они будут обладать большой инерцией и следовательно — «пропускать» порывы сильного ветра. Т.е. попросту не будут успевать раскручиваться. Порой такие порывы, несущие в себе основную мощность «среднего» ветрового потока длятся всего 15-30 секунд.

Кроме того, любой вращающийся предмет обладает значительным моментом инерции в плоскости вращения и представляет собой, по сути, гироскоп. Надеюсь, читатель помнит простой школьный опыт по демонстрации гироскопического эффекта с велосипедным колесом. Будучи раскрученным, оно легко удерживается буквально «двумя пальцами» за один из торчащих концов своей оси. И его чрезвычайно трудно повернуть в бок и заставить крутиться в другой плоскости. Примерно тоже самое будет происходить и с пропеллером ветряка при изменении направления ветра. И ось, и лопасти пропеллера будут испытывать чудовищные боковые знакопеременные нагрузки.

Эти обстоятельства фактически ставят жирный крест на надеждах обойтись одним большим ветряком. Работать он, конечно же будет. Но редко и бестолково. При слабых турбулентных ветрах он будет все равно выдавать мизерную мощность, а при сильных – вы не будете знать куда девать излишек. И уж конечно, следует забыть про его окупаемости. Он будет просто дорогой и красивой игрушкой, самым бестолковым вложением средств и труда, которое только можно представить.

Перспективными же конструкции ветряков – это небольшие маломощные ветрогенераторы, имеющие практически нулевую инерционность. Именно они способны взять от ветра практически всю энергию, которую он несет. Таких, что бы успевали быстро раскручиваться и отрабатывать смену галса. А для получения большой мощности потребуется устройство своеобразного ветропарка ветряных генераторов, расположенных на разновысоких мачтах (что бы не экранировать друг друга от ветра). Это же, кстати, значительно повысит буреустойчивость, решение проблем с мощными тяжелыми мачтами и растяжками (мачты будут держать друг друга), с надежностью «электростанции» — ведь все сразу генераторы сломаться не могут и плановый ремонт и обслуживание не приведут к полной остановке генерирующих мощностей.

Придя к таким неутешительным выводам, я решил переделать свой анемометр в рабочую модель ветрогенератора. Т.е. вместо бестолкового созерцания флюгера начать получать от него практическую пользу. Тем более, что генератор ветряка представляет собой шаговый двигатель с 200 «шагами» на оборот и довольно шустро генерит электричество даже на малых оборотах. Мощность генератора примерно Ватт 7-8

Прежде всего потребовалась замена лопастей на менее инерционные. Лопухи от вентилятора все же довольно тяжелы. Новые лопасти ветряка я сделал их из остатков дюралюминиевого отлива для пластиковых окон. Диаметр пропеллера — примерно сантиметров 50. Что сулит выход на максимальную мощность для генератора уже при ветре 4 м/с. Вырезал из толстой фанеры треугольник. Вклеил в него (эпоксидной смолой) втулку, внутренний диаметр которой совпадал в диаметром оси шагового моторчика. Тщательно разметив, сделал пропилы в фанерном «кокпите» и вклеил в прорези лопасти. Дополнительно зафиксировал их небольшими винтами. Пока эпоксидка не застыла, постарался максимально отбалансировать винт, что он не вибрировал при вращении. После застывания эпоксидной смолы еще раз проверил балансировку и довел ее до совершенства путем срезания тончайших полосок дюраля с краев лопастей.

Вообще говоря, маломерные ветрогенераторы обладают приятным свойством. Практически нет смысла заморачиваться сложнейшими расчетами КИЭВ, профилей лопасти и их изготовлением. Будут прекрасно работать и простейшие, плоские. А нужную мощность можно получить простым их удлинением (следовательно, увеличением площади ометания).

Все это чрезвычайно удешевляет ветрогенератор, появляется смысл его изготовления и использования. В частности, на свой я потратил примерно 3-4 часа времени (включая флюгер) и без учета времени полимеризации эпоксидной смолы. Затраты составили «ноль», так как делалось все «из мусора», т.е. подручных материалов.

Казалось бы, где можно использовать такой маломощный генератор? В перспективе, я собираюсь использовать его на… нагреве воды. Вернее, для компенсации теплопотерь воды, нагретой солнцем. Простейший расчет показывает абсолютную состоятельность моих надежд.

Допустим, есть некий бак – термос, литров на 50, куда вечером сливается нагретая до 50 градусов вода из солнечного коллектора. Размер бака примерно 40 х 40 х 40 см. Соответственно площадь поверхности будет равна 1 кв. метру. Бак окружен теплоизоляцией с К теплопроводности 0,15 Вт/м*град и толщиной 30 см. и теплопотери будут составлять примерно 0,5 Вт/град. Т.е. для того, что бы поддерживать разность температур в 20-25 градусов между горячей водой в баке-термосе и окружающим воздухом, достаточно генератора мощностью всего 10-15 Вт! Он будет компенсировать теплопотери и однажды нагретая вода уже никогда не остынет. А случись крепкий ветерок — так еще и подогреется.

Сейчас мой генератор крутится пока без нагрузки, проходит «ходовые испытания». Но в ближайшее время я его заставлю заряжать аккумуляторы в освещении дачного туалета и подсветки дорожки к нему. А то тащить сетевой провод туда и лень и затруднительно, а менять батарейки в китайском фонаре уже надоело.