Наиболее распространенным вариантом применения ветряков является выработка электроэнергии. Кажется, что может быть проще, чем сделать ветряк, насадить на него ось электрогенератора и готово! Можно пользоваться электричеством!

Но не все так просто. Рассмотрим, почему.

Все ветряные установки или ветряки приводятся в действие, т.е. начинают вращаться при помощи силы ветра. От мощности потока ветра зависит то, какое количество энергии мы сможем получить от генератора.

Следующей важнейшей характеристикой ветряной установки является КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. У наилучших образцов ветряков данный показатель составляет 40-50% (хотя встречаются утверждения о 60-80% КИЭВ, что является преувеличением продавцов данных моделей). Поэтому в действительности можно рассчитывать на то, что ветряк будет применять только 25-30%, притом, что расчетную мощность ветряка нужно делить на 3-4. Это то, что можно действительно получить от ветроустановки при условии применения идеального электрогенератора.

О мощности ветряка. Многие могут не поверить, и это на самом деле выглядит парадоксально, но мощность ветряка (помимо скорости ветра) зависит от его площади. Ее также называют «площадь ометания». Существует много практических подтверждений и математических доказательств, но мощность ветряка, имеющего одну лопасть (которая описывает круг диаметром D), и ветряной установки с 6 лопастями этого же диаметра одинакова! В это можно верить или не верить, но это так!

• Ветряк для дачи
• Инновационный ветряной генератор Festo
• Strawscrape — городская ветровая электростанция
• Японцы будут на Камчатке тестировать арктические ВЭС
• Япония: первая в мире плавающая гибридная электростанция
• Япония устанавливает плавающую ветряную турбину
• Ямайка обеспечит сельские дома солнечной и ветряной энергей
• Якутия переходит на альтернативную энергетику

Дело в том, что лопасти для ветра являются не отдельными «дощечками», и он давит не на каждую по очереди, а как диск, круг. Поэтому важно не количество лопастей, а их площадь. При раскручивании лопасти ветряка, ветер придает ей скорость. Наряду с угловой скоростью вращения, у лопасти есть еще линейная скорость. А значит, так как она крутится не в вакууме, то она встречает сопротивление воздуха, которое увеличивается пропорционально скорости в кубе. Тем более что лопасть является не плоской дощечкой, а своего рода аэродинамическим профилем, который имеет определенную толщину и угол поворота. И при вращении данный профиль «натыкается» на воздух пространства между лопастями.

Получается, что чем большую мощность потока мы желаем получить, увеличивая количество лопастей, тем большее воздушное сопротивление им приходится испытывать при вращении. В итоге – что указано выше – мощность ветряной установки зависит не от количества лопастей, а от площади ометания.

Мы подошли к следующей важной характеристики ветряка – быстроходности – это величина, которая показывает, насколько линейная скорость лопасти больше скорости ветра.

Например, если нам известно, что быстроходность ветряка равна 7, то это означает, что на кончике его лопасти линейная скорость в 7 раз выше скорости ветра. И в случае, когда скорость ветра равна 10 м/с, кончик его лопасти передвигается по воздуху со скоростью 70 м/с, т.е. 250 км/час! Поэтому настоятельно рекомендуем не пытаться остановить лопасть руками. Их срежет как бритвой.

Такие ветряки шумят как пылесосы, т.к. постоянно нарезают воздух своими лопастями, создавая звуковые волны.

Проблему шума адресуют в вертикальных ветряках, т.к. обычно быстроходность вертикальных ветряков ниже горизонтальных.

Мы еще вернемся к быстроходности ветряка и ее расчету, а сейчас посмотрим, чем она важна для выработки электрической энергии.

Генератор

На Руси исстари повелось добывать электроэнергию при помощи специальных устройств – генераторов. Существует много конструкций генераторов, но в плане использования их с ветряками нас интересуют электрогенераторы, которые вырабатывают электроэнергию в процессе вращения. На самом деле, кто добра от добра ищет. Ветряк предоставляет вращение, его и нужно использовать.

В ходе строительства ветряка мастер обязательно сталкивается с тем, что генераторов, предназначенных для ветряка, вообще-то НЕТ. В природе они, конечно, есть, их даже выпускают серийно. Но приобрести их достаточно сложно и по возможности, и по цене. Это слишком специфическая вещь, именно поэтому их так мало и они такие дорогие. Поэтому приходится или изготавливать генератор для ветряка самостоятельно или приспосабливать то, что есть.

А что мы можем использовать? Выбор не богатый. Это двигатели с постоянными магнитами, автомобильные генераторы, шаговые двигатели, генераторы от изношенных бензогенераторов, асинхронные двигатели. Другими словами, почти любые электродвигатели. Согласно теории, любая электрическая машина обратима. Т.е. любой электрический двигатель в определенных условиях может работать в качестве генератора с определенной эффективностью, серьезностью и ценой переделки.

Почему нельзя применять просто то, что есть? Потому что оно все – быстроходное! Восклицательный знак не означает ничего хорошего. Кроме, разве что, шаговых двигателей. Они тихоходны по определению. Все остальные двигатели-генераторы работают на 1000 оборотах в минуту и более (15-20 об/секунду).

Чтобы получить обратный эффект – генерацию электротока, им необходимо придать соответствующие обороты. Например, самый дешевый и доступный вариант, как кажется, приличного генератора в 0,5 КВт – автомобильного, сталкивается с цифрой в 2-3 тыс. об/мин.

Даже на холостых оборотах двигатель машины держит вращение на скорости 800 об/мин. Также добавляется мультипликация шкивов генератора и мотора как минимум 1:2. Генератор крутится изначально на 1500 об/мин. А если поддать газу и «открутить» мотор до 3-4 тыс. (рядовая ситуация) – то генератор выдаст свои полкиловатта. На 5-8 тыс. об/мин.

Аналогично и с остальными моторами. Что ни возьми – не найти ничего меньше 1000 об/минуту.

Вернемся к быстроходности ветряка и пересчитаем данный параметр, учитывая скорость ветра, размеры ветряной установки, и обнаружим, что обороты вала ветряка недостаточно велики. У наиболее быстроходных ветряков и при оптимальном ветре – 200-400 об/минуту!

Поставим мультипликатор, скажут многие, и обороты повысятся в 5-10 раз! (То, что повышает обороты – это мультипликатор, а то, что понижает – это редуктор). Справедливости ради скажем – так и делается обычно. Но только на мощных больших ветряках. На ветряках, мощность которых менее 500 Ватт, мультипликаторы являются роскошью. Качественный и надежный необслуживаемый мультипликатор с небольшими потерями – дорогое удовольствие. И цена его переносится на стоимость вырабатываемого электричества. Поэтому использование мультипликатора в «домашнем» ветряке никак необоснованно. Если, конечно, он не достался каким-то образом бесплатно.

Из низкооборотных генераторов в нашем распоряжении есть лишь шаговые двигатели. Шаговый двигатель – это двигатель, вращающий свой вал на определенный угол (шаг) при подаче импульса напряжения на его обмотки. У таких моторов обычно несколько обмоток, а их ротор просто напичкан магнитами. Этот выгодный факт и дает возможность применять шаговые двигатели в качестве генератора ветряка. В результате придания валу шагового двигателя вращения извне, он приступает к выработке электричества, причем достаточно эффективно.

«Вычислить» шаговый двигатель легко. При вращении вала его вращения не плавные, а как бы толчками. Данный эффект имеет название «залипание». Если закоротить все выводы такого двигателя, то вращение вала заметно затруднится. Это означает, что шаговый мотор уже вырабатывает электричество. Это общеизвестный метод проверки двигателей постоянного тока «на вшивость». Если в момент закорачивания выводов стало труднее вращать вал мотора, то электромотор в свете применения его как электрогенератора небезнадежен и можно смело снимать его характеристики.

Достать шаговый электромотор небольшой мощности легко. Любой принтер, который продается на интернет-аукционах за 100-300 рублей, имеет минимум 2 таких двигателя. Один двигал головку, второй – бумагу. Сканер и старые дисководы на 5,25 дюйма - по 1. Это вполне хорошая новость. Плохая новость состоит в том, что легко достать только шаговые двигатели совсем малой мощности! 1-2-3 Ватта. Достать шаговый двигатель минимум на 30-50 Ватт – редкая удача, если это получилось, то можно считать, что у вас в кармане отличный генератор для ветряка.

Как можно использовать шаговый двигатель на 2 Ватта? Например, можно с его помощью заряжать аккумулятор плеера, мобильника и т.п. Этой мощности будет достаточно. Нужно 10-20 Ватт? Установите 10 таких двигателей. Они стоят совсем недорого.

А если вам нужно получить с ветряка 200-300 Ватт, при этом желательно дешевле (помним о соотношении затраты/отдача), то придется сделать генератор самому. Это сложно, но вполне возможно.