Jak własnoręcznie wykonać małą turbinę wiatrową?

Do wytwarzania energii elektrycznej turbina wiatrowa nie potrzebuje paliwa ani energii słonecznej. Ta cecha sprawia, że wiele osób zastanawia się, jak zbudować turbinę wiatrową własnymi rękami, ponieważ zakup i instalacja gotowych urządzeń nie jest tania.

Zasada działania i typy turbogeneratorów wiatrowych

Samodzielne wykonanie turbiny wiatrowej jest możliwe tylko wtedy, gdy rozumie się jej budowę. Prototypem tej maszyny jest stary wiatrak. Ciśnienie powietrza przepływającego przez skrzydła wprawia w ruch wał, który przekazuje moment obrotowy do urządzeń młyna.

W wiatrakach do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystuje się tę samą zasadę, polegającą na wykorzystaniu energii wiatru do obracania wirnika:

1. Ruch łopat wywołany wiatrem powoduje obracanie się wału głównego z przekładnią. Moment obrotowy jest przenoszony na wał wtórny (wirnik) generatora, który jest wyposażony w 12 magnesów. Jego obrót generuje prąd zmienny w pierścieniu stojana.
2. Ten rodzaj energii elektrycznej nie może ładować akumulatorów bez specjalnego urządzenia - regulatora (prostownika). Urządzenie to przekształca prąd zmienny w prąd stały, umożliwiając jego magazynowanie, dzięki czemu urządzenia gospodarstwa domowego mogą pracować bez zakłóceń. Kontroler pełni również inną funkcję: zatrzymuje na czas ładowanie akumulatora i przekazuje nadwyżkę energii wytworzonej przez turbinę wiatrową do urządzeń zużywających duże ilości energii (np. elementów grzejnych do ogrzewania domu).
3. Aby zasilić instalację 220 V, prąd jest doprowadzany z akumulatorów do falownika, a następnie do punktów poboru mocy.

Aby łopaty zawsze znajdowały się w najlepszym położeniu do oddziaływania z wiatrem, na skrzydłach zamontowany jest ogon, który umożliwia obracanie śmigła w kierunku wiatru. Fabryczne modele turbin wiatrowych są wyposażone w urządzenia hamujące lub dodatkowe obwody do składania ogona lub kierowania łopatami z dala od wstrząsów wiatru przy niesprzyjającej pogodzie.

Istnieje kilka typów turbin wiatrowych, sklasyfikowanych według liczby i materiału łopat lub skoku śmigła. Główny podział opiera się jednak na umiejscowieniu osi lub wału głównego:

1. Typ poziomy polega na ustawieniu wału równolegle do podłoża. Takie generatory są nazywane generatorami skrzydełkowymi.
2. W pionowych turbinach wiatrowych oś jest prostopadła do horyzontu, a płaszczyzny są rozmieszczone wokół niej. Generatory pionowe mogą być nazywane ortogonalnymi lub okrągłymi.

Niezależnie od położenia osi obrotu, zasada działania urządzenia pozostaje taka sama.

Modele turbin wiatrowych mogą mieć śmigło lub koło wiatrowe z 2, 3 lub większą liczbą łopat. Uważa się, że urządzenia wielopłatowe są w stanie wytwarzać prąd przy słabym wietrze, natomiast śmigła z dwoma lub trzema skrzydłami wymagają silniejszego przepływu powietrza. Ważną zasadą, którą należy wziąć pod uwagę przy wyborze modelu, jest to, że każda łopatka stawia opór strumieniowi wiatru i zmniejsza prędkość obrotową, dlatego trudno jest rozkręcić koło wielołopatkowe do prędkości roboczej.

Wśród odmian turbin wiatrowych wyróżnia się turbiny żaglowe i sztywne. Nazwy te odnoszą się do materiału, z którego wykonane są skrzydła. W przypadku samodzielnego montażu typ żagla będzie łatwiejszy i bardziej ekonomiczny, ale łopatki wykonane z tworzywa sztucznego (tkaniny, folii itp.) nie są trwałe i odporne na zużycie.

Wersja pionowa

Budowa pionowej turbiny wiatrowej jest łatwiejsza niż poziomej. Konstrukcja nie wymaga urządzenia łopatkowego, umieszczonego na małej wysokości (do 2 m). Opinie użytkowników pionowych turbin wiatrowych (turbin wiatrowych) świadczą o niewielkim hałasie podczas obracania oraz łatwości konserwacji pracujących jednostek. Generator jest umieszczony w dolnej części konstrukcji, a prace konserwacyjne można przeprowadzać bez konieczności pracy z wysokości lub opuszczania masztu na ziemię.

Na górnym końcu osi zamontowane jest łożysko, które służy również jako maszt. Jest praktycznie bezobsługowy i może służyć przez wiele lat bez konieczności naprawy.

W przeciwieństwie do turbin wiatrowych z łopatami, pionowe turbiny wiatrowe nie wymagają wysokiego masztu. Działają one niezależnie od kierunku wiatru, co upraszcza konstrukcję części ruchomej. Do budowy łopat kompaktowego generatora wiatrowego można użyć rury PVC o dużej średnicy (np. rury kanalizacyjnej), natomiast do budowy turbiny wiatrowej o większej mocy nadaje się cienka stal galwanizowana. Materiały te są dostępne dla każdego majsterkowicza i są stosunkowo tanie.

Konstrukcję koła wiatrowego można wybrać spośród wielu dostępnych opcji:

• Konstrukcja Dorniera z 2 płaskimi ostrzami;
• System Savoniusa z 4 półcylindrycznymi skrzydłami;
• ortogonalna wielopłatowa turbina wiatrowa z dwoma rzędami płaszczyzn;
• Spiralne turbiny wiatrowe o zakrzywionym profilu łopaty.

Wszystkie pionowe turbiny wiatrowe wykorzystują zasadę działania agregatu Savoniusa. W warunkach domowych ostrza można wykonać z beczek stalowych lub plastikowych, przeciętych wzdłuż na pół. Osobliwością tej konstrukcji jest to, że sprawność urządzenia osiąga maksimum przy prędkości łopat równej połowie prędkości wiatru. Dlatego nie warto próbować zwiększać prędkości obrotowej pionowej turbiny wiatrowej.

Modele poziome

W przeciwieństwie do generatorów pionowych, turbiny wiatrowe ze śmigłem domowej roboty mają wyższą sprawność, gdy zwiększa się prędkość obrotową łopat. Jednak liczne i wąskie elementy śmigła nie sprzyjają jego najlepszej pracy: przy silnym wietrze nie mają one czasu na obracanie wału ze względu na poduszkę powietrzną tworzącą się przed śmigłem.

Wielołopatkowe generatory wiatrowe do użytku domowego najlepiej wykonywać własnoręcznie w miejscach o niezbyt silnych wiatrach. Jeżeli siła wiatru w danym regionie często przekracza 10-15 m/s, sensowne jest zbudowanie turbiny wiatrowej z 2-3 łopatami. Oba typy są w stanie startować z prędkością powietrza około 2-3 m na sekundę.

Model poziomy wymaga wysokiego masztu (6-12 m). Aby uniknąć prac wysokościowych podczas konserwacji, rzemieślnicy ludowi instalują u podstawy masztu prosty mechanizm składający - oś. Aby zapewnić stabilność konstrukcji pod wpływem silnego wiatru, do utrzymania masztu w pozycji pionowej wymagane są wsporniki kablowe.

Gondola z generatorem i śmigłem musi być zamontowana na łożysku i wyposażona w łopatkę pogodową, tak aby śmigło zawsze znajdowało się w korzystnym położeniu względem wiatru. Kable, którymi płynie prąd, muszą być tak ułożone, aby nie skręcały się podczas obrotu gondoli i nie powodowały zakłóceń i uszkodzeń. Z tego powodu są one przenoszone wewnątrz masztu rurowego.

Jak zrobić generator turbiny wiatrowej o napięciu 220 V?

Pierwszym krokiem w budowie turbiny wiatrowej jest określenie wymaganej mocy urządzenia:

• Do oświetlenia kilku pomieszczeń wystarczy generator o mocy mniejszej niż 1 kW; zapewni on zasilanie żarówek lub żarówek energooszczędnych, a dodatkowo można podłączyć do niego laptopa lub telewizor;
• domowy generator wiatrowy o mocy 5 kW zapewni energię elektryczną dla urządzeń domowych (lodówka, pralka, kuchenka itp.);
• Aby przestawić dom na autonomiczne zasilanie, potrzebny jest mocny generator o mocy ponad 20 kW.

Generator można wykonać samodzielnie lub zaadaptować go ze starego samochodu. W ten sposób można wytworzyć do 2-3 kW mocy. Aby własnoręcznie wykonać turbinę wiatrową o większej mocy 220 V, należy przeprowadzić dokładne obliczenia dotyczące liczby zwojów i obrotów drutu, wielkości i liczby magnesów na wirniku oraz parametrów skrzydeł łopat.

Prosta konstrukcja

Do najprostszej konstrukcji o mocy ok. 1-1,5 kW potrzebne są:

• alternator samochodowy (12 V);
• akumulator kwasowy (12 V);
• Wyłącznik zasilania (12 V);
• przetwornik prądu 700-1500 V i 12-220 V;
• metalowa duża pojemność;
• śruby, podkładki, nakrętki;
• zaciski mocujące alternatora (2 szt.).

Wykonaj symetryczne otwory na śruby w kole pasowym alternatora samochodowego. Obwód naczynia podzielić na 4 równe części. Wytnij ostrza:

• Zaznacz prostokąty na bocznej ścianie zbiornika odpowiadające okręgom;
• Znajdź pionowy środek każdego elementu;
• Zaznacz górną i dolną część naczynia solidną obręczą o szerokości 3-5 cm;
• Przytnij metal pomiędzy poszczególnymi prostokątami do linii obręczy;
• Wykonaj nacięcia wzdłuż górnej i dolnej granicy oznaczeń, tak aby środek prostokąta pozostał nienaruszony i połączony z obręczami;
• rozłożyć każdą łopatkę względem osi centralnej;
• Wyznacz środek okrągłego dna, zaznacz miejsca otworów na śruby zgodnie z ich położeniem na kole pasowym alternatora.

Podczas rozkładania skrzydeł warto określić kierunek obrotu koła wiatrowego, aby wydobyć odpowiednie części samolotu. Należy zmierzyć kąty skrętu wszystkich łopatek, aby zapewnić równe obciążenie.

Montaż polega na przykręceniu koła pasowego generatora do dna zbiornika. Następnie przygotowuje się podstawę dla generatora wiatrowego (maszt wykonany z grubej rury o wysokości około 2 metrów). Najłatwiej jest przymocować generator do tego masztu za pomocą zacisków o odpowiedniej średnicy. Aby naładować akumulator, prąd z alternatora musi być przepuszczony przez prostownik, a połączenie musi być wykonane zgodnie ze schematem elektrycznym pojazdu.

Generator domowej roboty do turbiny wiatrowej

Zespół generatora poziomej turbiny wiatrowej można zmontować z piast kół samochodowych lub wykorzystać silnik elektryczny z pralki. Prace te wymagają zakupu magnesów neodymowych (stop niobu). Najlepsze są elementy prostokątne.

W przypadku silnika liczbę tę można określić na podstawie liczby zwojów. W przypadku alternatora trójfazowego liczba magnesów powinna wynosić 2/3 liczby cewek, a w przypadku alternatora jednofazowego powinna być taka sama. Mistrzowie praktycy zalecają wybór generatora trójfazowego.

W przypadku stosowania silnika pralki magnesy muszą być przyklejone do wirnika silnika. Jeśli używana jest piasta koła, magnesy umieszcza się na okręgu z blachy stalowej o grubości około 5 mm. Podczas montażu wirnika należy przestrzegać następujących zasad:

1. Odległość między magnesami musi być jednakowa. Umieść elementy prostokątne na piaście długimi bokami wzdłuż promieni koła, a na wale silnika wzdłuż jego osi podłużnej.
2. Przed przystąpieniem do pracy należy zidentyfikować i oznaczyć bieguny magnesów. Zamontuj je w taki sposób, aby przeciwległe elementy miały różne bieguny. Podczas umieszczania magnesów należy naprzemiennie ustawiać bieguny dodatnie i ujemne sąsiadujących elementów.
3. Zaleca się wypełnienie magnesów żywicą epoksydową, aby mocno przylegały do powierzchni wirnika.

W przypadku używania wału silnika jako wirnika należy umieścić część na jej miejscu w uzwojeniu i sprawdzić działanie, przykładając końcówki woltomierza do przewodów i obracając wał wiertarką.

Jeżeli używana jest piasta, należy samodzielnie nawinąć zwoje emaliowanego drutu miedzianego o średnicy 1 mm. Każda cewka musi mieć 60 zwojów i wysokość 9 mm. Cewki muszą być zamocowane na płaskiej części piasty koła.

W przypadku alternatora trójfazowego końcówki przewodów należy podłączyć w następujący sposób:

• pozostawić wolny przewód zewnętrzny 1 cewki i połączyć przewód wewnętrzny 4 z przewodem zewnętrznym;
• połączyć przewód wewnętrzny cewki 4 z przewodem zewnętrznym cewki 7 i kontynuować aż do końca, łącząc części uzwojenia co 2 sztuki; ostatnia z nich powinna mieć luźny koniec wewnętrzny, który można łatwo skręcić z pozostałym już przewodem lub oznaczyć w inny sposób;
• powtórz proces od cewki 2, łącząc przewody w ten sam sposób co 2 sztuki;
• to samo zrób z cewką 3 i pozostałymi niepodłączonymi.

Po zakończeniu pracy mistrz będzie miał 6 oddzielnych przewodów. Uzwojenie należy wypełnić żywicą epoksydową i wysuszyć.

Następnie wał należy zamocować w łożysku piasty, na którym zamontowany jest pierścień wirnika z magnesami. Odstęp między powierzchniami części wynosi 1-1,5 mm. Sprawdź, czy przewody są pod napięciem, zmontuj wiatrak i zamontuj go na maszcie.

Obsługa techniczna

Podczas eksploatacji wiatraka raz w miesiącu należy przeprowadzić ogólny przegląd elementów złącznych, sprawdzić instalację elektryczną pod kątem asymetrii napięć, sprawność sterownika oraz równomierność naciągu lin. Aby zapewnić bezproblemową pracę, raz na 3-4 miesiące warto sprawdzić zaciski akumulatora oraz sprawdzić poziom elektrolitu i oleju w przekładni generatora.

Coroczna kontrola obejmuje sprawdzenie powierzchni łopatek, określenie funkcjonalności łożysk oraz ich wymianę. W tym czasie uzupełniany jest również poziom elektrolitu oraz olej w skrzyni biegów. Coroczna konserwacja obejmuje sprawdzenie wszystkich zespołów pod kątem ich prawidłowego działania.

Powiązane artykuły: