Обычно дует лёгенький ветерок но мой мини ветрячёк периодически раскручивается до очень больших оборотов, винт вращается с такой скоростью, что его практически не видно, правда при таких оборотах доносится едва слышное рокатание лопастей. Сёйчас этот ветрячёк поддерживатет в рабочем состоянии старенький, но рабочий аккумулятор, чтобы тот не разряжался. Максимальная мощность ветрячка всего до 100мА, возможно он может выдать и больше, но у нас обычно дует небольшой ветер, и замерял на обычном ветерке.

Конструкцию подобных ветрячков подсмотрел на одном заморском сайте и решил повторить, так и родился этот малышь. В качестве генератора использовал шаговый моторчик от давно нерабочего и пылившегося у меня струйного принтера. Разобрав его выкрутил маторчик. Далее посмотрел, повертел, покрутил руками, померил сколько даёт, давал очень мало, но вольты поднимались выше 12-ти, а значит он теоретически мог заряжать аккумулятор.

Далее из транзистора сделал крепление для лопастей. Транзистор просверлил по диаметру вала на котором стаяла зубчатая насадка, в общем под её размеры. Надел на вал транзистор, капнул клея и покрутил убедившись что всё ровно. Потом окончательно зафиксировал с помощъю эпоксидки. Развёл немного и залил отверстие транзистора, дополнительно защитил моторчик от непогоды замазав дырочки в моторчике. Ниже фотография сего генератора.

>

Далее из отрезка ПВХ трубы, диаметром 110мм, вырезал лопасти, на трубе нарисовал заготовку, которую вырезал отрезной машинкой. Размеры взял примерные ширина получилась 9см, а размах винта 48см. Просверлил отверстия и прикрутил винт к моторчику-генератору с помощъю маленьких болтиков.

>

Зо основу использовал отрезок 55-той ПВХ трубы, далее вырезал хвост из фанерки, и добавил кусочек от 110-той.Мторчик вклеел внуть трубы. После сборки получилась вот такая ветроэлектростанция. Сразу собрал выпрямитель.Так как этот мотор не хотел давать много вольт на малых оборотах, то собрал по схеме удвоения и включил последовательно.

Диоды взял HER307, конденсаторы - 3300мкф

Схему укутал в полиэтилен и вставил в трубу выпрямитель, потом мотор и привязал его проволкой сквозь просверленные дырдочки, пространство замазал силиконом. Так-же силиконом потом замазал все дырдочки сверху, а снизу просверлил одно отверстие на всякий случай, чтобы если что вода стекла, и испарялся конденсат.

Хвост закрепил насквозь болтом, полукруглый хвост вставил и привязал проволкой, он и так прочно держиться. Нашёл центр тяжести, просверлил (диам. 9мм.) Ещё просверлил диам. 6мм два болта М10, насквозь, под ось. (Болты М10 здесь служат "подшипником" оси) Ввернул сверху и снизу болты М10 в трубу, смазал длинный болт М6 солидолом и всё скрутил, получилось довольно жёстко. Болт-ось (М6) прикрутил к уголку, а его к палке. Сверху на болт М10 одел на силиконе пробку, теперь ось воды не боиться. Всё ветрогенератор изготовлен.

>

>

>

>

Для мачты взял несколько брусочков. которые скрутил саморезами, закрепил ветряк и поднял на верер. Подключил к аккумулятору, зарядка идёт, но очень слабенькая, поддерживает аккумулятор от естественного разряда. Так как верячок крутиться, то остался доволен, по крайней мере буду знать откуда ветер дует.Этот вариант - как сказано на том сайте - little weekend project, то-есть маленький проект для выходных, для удовольствия что-нить поковырять, тем более я не потратил ни копейки... клей не в счёт. Так по идее может пару маленьких светодиодов зажечь, или мобильный телефон за пару суток зарядить, но скорее всего такой слабый ток телефон примет за плохой контакт и отключит, написав на дисплее плохое соединение.

В будещем если будет время и желание может сделаю на освещение двора, вот только второй такой-же соберу и аккумулятор небольшой поставлю, или несколько аккумуляторных батареек. Для этого остался ещё один шаговый, только этот выдаёт под 2х20вольт от прокручивания рукой, но ток маленький. А второй - на щётках, сразу постоянка. От руки 10 вольт, КЗ - 0,5 Ампера. А ещё всё-же буду мучить автогенератор, вот только магниты дождусь.

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.

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.

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

Я использовал этот двигатель в первоначальной конструкции моего ветрогенератора.

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.

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

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) $C_D$

вогнутая половина цилиндра (1) – 2,30

выпуклая половина цилиндра (2) – 1,20

плоская квадратная пластина – 1,17

вогнутая полая полусфера (3) – 1,42

выпуклая полая полусфера (4) – 0,38

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 $ = <<1 \over 2> S \rho > $, 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 JQ24-125p70 . 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 $ , где $\rho$ – плотность воздуха (около 1,225 кг/м 3 на уровне моря), $S$ – ометаемая площадь турбины (англ. swept area ), $v$ – скорость ветра.

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

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:

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

длина сегмента – 18 см;

высота сегмента – 5 см;

длина хорды сегмента – 7 см;

расстояние от начала сегмента до центра оси вращения – 3 см.

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.

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

В ветреную погоду напряжение холостого хода на выходе электронного блока ветрогенератора достигает 10 В, а ток короткого замыкания – 10 мА.

ПОДКЛЮЧЕНИЕ К JOULE THIEF

Затем сглаженное напряжение с конденсатора может подаваться на Joule Thief – низковольтный DC-DC преобразователь. 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) :

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.

мой преобразователь Joule Thief

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 5R5D11F22H емкостью 0,22 Ф на напряжение 5,5 В (диаметр 11,5 мм, высота 3,5 мм):

Я подключил его через диод к выходу Joule Thief 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 .

Мой самодельный ветрогенератор на шаговом двигателе, Мои увлекательные и опасные эксперименты

Мой самодельный ветрогенератор на шаговом двигателе Проезжая на велосипеде мимо дачных участков, я увидел работающий ветрогенератор. Большие лопасти медленно, но верно вращались, флюгер

Шаговый двигатель в качестве генератора?

Валялся у меня шаговый двигатель и, решил я его попробовать использовать в качестве генератора. Двигатель был снят со старого матричного принтера, надписи на нем следующие: EPM-142 EPM-4260 7410. Двигатель попался униполярный, это означает что у этого двигателя 2 обмотки с отводом от середины, сопротивление обмоток составило 2х6ом.

Для теста нужен другой двигатель, чтобы раскрутить шаговый. Конструкция и крепление двигателей показаны на рисунках ниже:

Плавно запускаем двигатель, чтобы резинка не слетела. Надо сказать что на высоких оборотах она все же слетает, по этому напряжение выше 6 вольт не поднимал.

Подключаем вольтметр и начинаем тестировать, для начала меряем напряжение.

Думаю ничего объяснять не нужно и все понятно по фотографии ниже. Напряжение составило 16 вольт, обороты раскручивающего двигатели не большие, думаю если сильнее раскрутить то, можно и все 20 вольт выжать.

Выставляем напряжение чуть меньше 5 вольт, так, чтобы шаговый двигатель после моста выдавал около 12 вольт.

Светит! Напряжение при этом с 12 вольт просело до 8 и двигатель стал раскручивать чуть медленнее. Ток КЗ без светодиодной ленты составил 0.08А – напомню, что раскручивающий двигатель работал НЕ на полную мощность, и не забываем про вторую обмотку шагового двигателя, просто параллелить их нельзя, а собирать схему мне не хотелось.

Думаю, из шагового двигателя можно изготовить неплохой генератор, прицепить его на велосипед, или сделать на его основе ветрогенератор.

Шаговый двигатель в качестве генератора? Меандр - занимательная электроника

Шаговый двигатель в качестве генератора? Валялся у меня шаговый двигатель и, решил я его попробовать использовать в качестве генератора. Двигатель был снят со старого матричного принтера, надписи

Пришла в голову простая, очевидная, но гениальная мысль. Ведь если учесть, что шаговый двигатель является не только моторчиком, который обеспечивает механическую работу абсолютно разных устройств (начиная от принтеров сканеров и другой офисной аппаратуры, заканчивая различными агрегатами, применяемыми в более серьезных устройствах). Шаговый двигатель так же может послужить отличным генератором электричества!

А его самый главный плюс во всем, это то, что ему вовсе не требуются большие обороты, он вполне может исправно работать и при малых нагрузках. То есть даже при минимальном действии силы направленной на него, шаговый двигатель отлично вырабатывает энергию. Самое главное, что этой энергии вполне хватит на различные нужды, вроде освещения дороги велосипедисту с помощью подключенного к шаговому двигателю фонаря.

К сожалению с обычным генератором стандартному велосипеду будут все же необходимы начальные обороты, до того как фонарик начнет испускать лучи достаточно яркого света для четкого освещения пути. Но при использовании шагового двигателя этот недостаток удаляется сам собой, то есть освещение будет подаваться сразу как только начнется вращение колеса.

Но правда у этой чудо конструкции все же будет ряд недочетов. Например наиболее явный из них, это большое магнитное залипание. Но на самом деле это не так страшно для велосипедиста.

Что приступая к работе нам будет необходимо найти некоторые детали:
1) Собственно сам шаговый двигатель.
2) парочка конденсаторов большой емкости.
3) светодиодные фонари
4) стабилизатор напряжения 5-6 вольт.

Найти шаговый двигатель довольно просто в силу того, что он весьма распространен во всех офисных приборах. Единственное что нужно понимать, это то, что чем больше шаговый двигатель - тем соответственно лучше для нас.

Тут будет описано и представлено несколько моделей шаговых двигателей и различные варианты их крепления к железному коню.
Для начала возьмем самый большой двигатель, что удалось раздобыть автору. Он демонтировал его из обычного офисного плоттера для печати(по сути это принтер, только в несколько раз большего размера).

Внешне двигатель довольно велик.

Но прежде чем приступить к изучению схемы стабилизации так же схемы питания, стоит обратить внимание на методику крепления этого агрегата к велобайку.

Если взгляните на рисунок, то поймете, что генератор расположен ближе к оси колеса и вращение передается от дополнительного круга.

И все же так как модель велосипеда у каждого своя и кто-то не захочет повреждать раму саморезами, вам будет нужно самому разработать крепление а так же круг вращения, вариантов тут действительно много.

Если же вы не представляете себе как прикрутить большой шаговый двигатель к конструкции, есть вариант поменьше:

Вам остается только выбрать вариант генератора, подходящего под размеры вашего транспортного средства.

Чтож когда с шаговыми двигателями разобрались, можно приступить и к фонарям и цепям питания.

Фонари необходимо взять светодиодные. схема выпрямления будет выглядеть так: блок выпрямительных диодов, несколько конденсаторов большой ёмкости и естественно стабилизатор напряжения. В принципе это стандартная схема питания.

Шаговый двигатель стандартно имеет на выходе четыре проводка, которые соответствуют двум катушкам. именно по этой причине на изображении выпрямительных блока тоже два. Этот самодельный генератор электричества вполне может выдавать аж до 50 вольт напряжения на больших оборотах, так что, конденсаторы лучше взять соответственные(напряжение выше 50). Ну а стабилизатор на напряжение 5-6 вольт.

И так в чем же суть самоделки, и почему она понадобилась?

Все дело в его преимуществе, даже только тронувшись с места- вам путь будет уже ярко освещен фонарем, запитанным от нашего шагового двигателя- он же генератор.

Так же хотелось бы отметить, что в процессе движения фонарь не будет мигать или тухнуть- освещение будет плавным и ровным.

Электроснабжение загородных домов, дачных или коттеджных поселков зачастую отличается нестабильностью. Линии изношены, перебои от аварий или обрыва проводов происходят гораздо чаще, чем бы хотелось. На исправление повреждений не требуется много времени, но и небольшие промежутки создают немало неудобств. Решением вопроса может стать установка , способного обеспечить энергией основные потребляющие приборы.

Мини-ветрогенератор своими руками

Размеры ветрогенератора необязательно должны поражать воображение своей грандиозностью. Вырабатывать ток способна и небольшая установка, созданная из мелких подручных деталей или устройств. Она может стать учебным пособием для детей, источником освещения для аварийных ситуаций, зарядником для батареи мобильного телефона и т.д.

Расходы снижаются в десятки раз, эффективность получается такой, какую заложили при создании проекта. В качестве пробной модели, позволяющей отработать технологию и получить некоторый опыт в создании подобных устройств, может стать мини-ветрогенератор. Для изготовления можно использовать различные от вышедшего из строя или устаревшего оборудования.

Используем старый компьютерный кулер

Для изготовления ветряка нужен большой кулер, он выдает лучшие результаты и удобен в работе. Прежде всего, надо его разобрать. Снимается наклейка, удаляется заглушка и стопорное кольцо. После этого кулер легко разбирается по оси вращения на две примерно одинаковые по размерам половины.

Одна из них - ротор, лопасти которого придется изменить на более крупные. Для этого аккуратно обламываются или отрезаются старые лопасти, из пластиковой бутылки делаются новые, длиной примерно раза в 4 больше прежних. Удобнее всего сделать три штуки, они будут иметь достаточную площадь основания для прочного приклеивания.

На статоре имеются четыре обмотки. Их можно оставить в неприкосновенности, или изменить число витков. Берется более тонкий провод и наматывается на все по очереди, причем, в разном направлении. Катушки соединяются соответствующим образом.

После этого необходимо изготовить выпрямитель, для чего понадобятся четыре диода. Они парами соединяются последовательно, затем параллельно. Присоединяются провода, устройство готово. Для установки его на ветер понадобится подставка или небольшая мачта, которую проще всего изготовить из обрезка металлической трубки. Для того, чтобы ветряк самостоятельно наводился на ветер, понадобится хвостовой стабилизатор, наподобие самолетного хвоста.

Для проверки работоспособности присоединяется тестер или светодиодный фонарик.

Устройство для зарядки автомобильной АКБ

Небольшой ветрогенератор, способный зарядить автомобильный аккумулятор - весьма практичное и нужное устройство. Необходимо обеспечить напряжение, не превышающее номинал АКБ (обычно 12 В), иначе появится риск перезаряда и закипания батареи.

В качестве генератора потребуется самодельное устройство соответствующей мощности или готовый асинхронный двигатель, тракторный или автомобильный генератор, способные создавать напряжение заряда. Для защиты от перезарядки потребуется контроллер на основе автомобильного реле-регулятора, отключающий заряд при появлении слишком высокого напряжения.

Походный ветрогенератор

Иметь походный ветряк , позволяющий получить максимальный комфорт от пребывания на природе, удобно и полезно для каждого любителя путешествий. Требования к такому ветряку очевидны:

• компактность
• возможность быстрой сборки или разборки для транспортировки
• мощность, обеспечивающая электроэнергией необходимые устройства

Понадобится изготовить крыльчатку с отсоединяющимися лопастями и генератор, выдающий достаточную мощность. Оптимальный вариант - горизонтальный тип, с лопастями на винтах. Генератор лучше всего приспособить от автомобиля, он нуждается в небольшой модернизации (перемотка катушек) и установке магнитов на ротор (используются неодимовые магниты для возбуждения обмоток).

На природе достаточно закрепить устройство на стволе дерева или иной подходящей опоре и навести на ветер. Для компактности можно не делать устройство вращения вокруг вертикальной оси и регулировать положение вручную.

Ветряк из шагового двигателя от принтера

Шаговые двигатели способны выдавать 12 и более вольт, но сила тока у них мала. Конструкция не позволяет усиливать их обмотки, поэтому используются как есть. На вал устанавливаются лопасти соответствующего размера, сделанные из полипропиленовых канализационных труб. Потребуется собрать простейший выпрямитель. Обычные шаговые двигатели в теории способны за пару дней зарядить аккумулятор мобильного телефона, но на практике этого добиться очень сложно возможно использование для подсветки с помощью светодиодных фонариков.

Другие возможные варианты

Для изготовления мини-ветрогенератора можно использовать любые электродвигатели от бытовых приборов. Можно приспособить двигатель от лентопротяжного механизма, от старой микроволновки (вентилятор), разные варианты щеточных конструкций. Все они имеют малую мощность и не смогут обеспечить сколько-нибудь серьезные устройства, но как пробные модели, созданные вместе с детьми и дающие опыт и понимание процесса, все эти варианты вполне подойдут.

На базе полученных знаний и навыком может быть создан более производительный ветрогенератор, способный обеспечивать потребности частного дома, перевести его в автономный режим электропитания.

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