Шаговый двигатель как генератор для ветряка
Электрогенератор что это такое
Электрогенератор что это такое
Казалось бы — чего проще, сделал ветряк, насадил на его ось электрогенератор и вауля! Получай электричество!
Но не все так просто. Давайте рассмотрим, почему.
Все ветряки или ветровые установки приводятся в действие (вращение) силой ветра. О мощности ветрового потока мы уже говорили. И понятно, что большей энергии от генератора мы не сможем получить принципиально.
Другой важнейшей характеристикой ветряка является т.н. КИЭВ — коэффициент использования энергии ветра. У самых лучших образцов ветряков он составляет всего 40-45%! (Хотя можно встретить утверждения о чуть ли не о 60-80% КИЭВ. Это, мягко сказать, преувеличение продавцов этих ветряков. Поэтому рассчитывайте, что ветряк будет использовать ветер едва ли на 25-30% и не забудьте поделить расчетную мощность ветряка на 3-4. Вот что вы реально сможете получить с ветроустановки в случае использования идеального электрогенератора.
Кстати, о мощности ветряка. Вы можете не поверить, и это действительно парадоксально выглядит, но единственно, от чего зависит мощность ветряка (кроме скорости ветра) — это его площадь. Иногда ее называют «площадь ометания». Можно привести много формул математических доказательств и практических подтверждений, но мощность ветряка с одной лопастью (которая ометает — описывает круг диаметром D), и ветряка с 6-ю лопастями такого диаметра — одинакова! Вот хотите верьте, хотите нет, но это – так!
Дело в том, что ветер воспринимает лопасти не как отдельные «дощечки» и давит на каждую по очереди, а как круг, диск. Поэтому важна только площадь, а не количество лопастей. Ветер, раскручивая лопасти ветряка, придает ей скорость. Кроме угловой скорости вращения, лопасть еще имеет и линейную скорость. А следовательно, поскольку крутится не в вакууме, начинает встречать сопротивление воздуха, которое растет пропорционально кубу скорости. Тем более, что лопасть представляет собой не плоскую дощечку, а определенный аэродинамический профиль, имеющий и конкретную толщину, и угол поворота. И этот профиль при вращении «натыкается» на воздух «межлопастного» пространства. И получается, что чем большую мощность потока мы собираемся собрать увеличивая число лопастей, тем большее сопротивление воздуха они испытывают во время вращения. Как результат — то, что написано выше — мощность ветряка зависит от площади ометания, а не от числа лопастей.
Таким образом, мы подошли к другой важной характеристикой ветряка — быстроходности. Быстроходность ветряка — величина, показывающая, насколько линейная скорость лопасти больше скорости ветра. Если вы узнаете, например, что у ветряка быстроходность 7, то это значит, что кончик его лопасти имеет линейную скорость в 7 раз больше скорости ветра. И при ветре в 10 м/с, кончик лопасти летит по воздуху со скоростью 70 м/сек, т.е 250 км/час! Так что очень не рекомендую пытаться останавливать лопасть руками. Их просто срежет как бритвой.
К быстроходности и ее расчету мы еще вернемся, а сейчас давайте посмотрим, чем она важна именно для процесса выработки электроэнергии.
Так уж исстари повелось на Руси, что электроэнергию тут добывают с помощью специальных устройств — генераторов. Конструкций генераторов много, но в плане стыковки с ветряком, нас интересуют электрогенераторы, выдающие электроэнергию в результате вращения. В самом деле, зачем нам от добра добра искать. Ветряк нам поставляет вращение, его надо и использовать.
Так вот, при строительстве ветряка вы обязательно столкнетесь с тем, что генераторов-то пригодных для ветряка вобщем-то НЕТ. Ну вообще то в природе они есть, их даже выпускают серийно. Но купить их достаточно проблематично и по цене, и по возможности. Слишком это специфическая вещь, оттого и дороги и их мало. Поэтому придется либо приспосабливать то, что есть, либо делать генератор самому.
А что у нас есть, что б электричества поесть? Из готового. Выбор блюд, вобщем небогатый. Это двигатели с постоянными магнитами, шаговые двигатели, автомобильные генераторы, асинхронные двигатели, генераторы от умерших бензогенераторов. Вобщем, практически любые электро двигатели. Их подробный анализ мы проведем позже. Согласно всем теориям, всякая электрическая машина является обратимой. Т.е. любой электродвигатель при соответствующих условиях может работать и как генератор. С той или иной эффективностью. С той или иной серьезностью, степенью и ценой переделки.
Почему нельзя просто использовать то что есть? Да потому что оно все — быстроходное! Можете воспринимать это восклицательный знак как знак траура. Ну разве что кроме шаговых двигателей. Они по определению тихоходы. Остальные все двигатели – генераторы рассчитаны на 1000 оборотов в минуту и выше ( т.е. 15-20 оборотов в секунду). Соответствующие обороты им надо придать и для получения обратного эффекта — генерации электротока. Например, казалось бы самый доступный и дешевый вариант приличного генератора в 0,5 КВт — автомобильного, натыкается на цифру в 2-3 тыс. об/мин. Двигатель машины даже на холостых оборотах держит вращение со скоростью 800 об/мин. Плюс мультипликация шкивов мотора и генератора 1:2 как минимум. Генератор крутится уже 1500 об/мин. А если газу поддать и мотор «открутить» до 3-4 тыс (рядовой случай) – генератор тогда выдает свои полкиловатта. При 5-8 тыс. оборотов/мин.
То же и с другими моторами. За что ни схватись — меньше 1000 об/минуту и не найти ничего.
Вернувшись к параметру быстроходности ветряка и пересчитав ее с учетом скорости ветра, размеров ветряка, вы с удивлением обнаружите, что обороты вала ветряка не так велики. 200-400 об/минуту у самых быстроходных ветряков и при хорошем крепком ветре!
Поставим мультипликатор, скажете вы и повысим обороты в 5-10 раз! (Кстати, то, что снижает обороты – это редуктор. А то, что повышает – это мультипликатор). Ну справедливости ради скажу — так, вобщем то и делается. Но только на очень больших и мощных ветряках, что бы закрутить большие и мощные генераторы. На ветряках с мощностью менее 500 Ватт мультипликаторы — это роскошь. Надежный и качественный необслуживаемый мультипликатор с малыми потерями — это само по себе дорогое устройство. И его цена, соответственно переносится на стоимость вырабатываемой электроэнергии. Поэтому применение мультипликатора в маленьком «домашнем» ветряке необоснованно никак. Разве что он достался на халяву.
А из низкооборотных генераторов у нас есть только шаговые двигатели. Что такое шаговый двигатель? Это двигатель, который поворачивает свой вал на определенный угол (шаг) при подаче на его обмотки импульса напряжения. Такие моторы имеют как правило несколько обмоток, а из ротор буквально напичкан магнитами. Этот отрадный факт и позволяет использовать шаговые двигатели в качестве генератора. При придании вращения валу шагового двигателя извне, он начинает вырабатывать электричество, причем весьма эффективно.
«Вычислить» шаговый двигатель просто. При вращении вала, он вращается не плавно, а как бы толчками. Этот эффект называется «залипание». Если закоротить все выводы двигателя, то вращать вал станет заметно труднее. Это значит, что шаговый мотор уже вырабатывает электрический ток. Кстати, это общий принцип проверки двигателей постоянного тока «на вшивость». Если при закорачивании выводов вращать вал мотора стало труднее, то электромотор в плане использования его в качестве электрогенератора небезнадежен и есть смысл снять его характеристики.
Добыть шаговый электромотор малой мощности несложно. Любой принтер, который можно купить на интернет-аукционе за 100-300 рублей, содержит их как минимум 2. Один «гонял» головку, другой — бумагу. Сканер – 1, старые дисководы на 5,25 дюйма — тоже 1. Это хорошая новость. Плохая состоит в том, что легкодоступны шаговые двигатели лишь очень малой мощности! 1-2-3 Ватта. Добыть шаговый двигатель на 30-50 Ватт хотя бы — это редкая удача, считайте что отличный генератор у вас в кармане!
Куда применить шаговик на 2 Ватта? Да вобщем заряжать аккумулятор мобильника, плеера и т.п. Этой мощности уже хватит. Надо 10-20 Ватт? Ну поставьте 10 таких двигателей. Они дешевле, чем яичная скорлупа после Пасхи.
Ну а если вы хотите получать с ветряка 200-300 Ватт, причем желательно задешево (держим в уме соотношение затраты / отдача ), то скорее всего, придется делать генератор самому. Это сложно, но абсолютно реально, если вы все же решите делать ветро электрогенератор.
ВИЭ шаговой доступности
Наверное, читатель согласится с тем, что истинная забота о природе предполагает не только разговоры о ВИЭ и повторном применении различных изделий и материалов, но и реальные дела. Предлагаем вам на досуге из ненужных вещей изготовить ветровую микротурбину. Она пригодится в походах и на любимой даче, особенно если там иногда отключают свет.
В качестве генератора удобно применить шаговый двигатель (ШД) от старого 5,25-дюмового накопителя на гибких дисках, которые были в ходу лет 20–25 назад, а сегодня всё ещё встречаются в старых компьютерах, валяющихся в кладовках и на антресолях. Во-первых, шаговый двигатель от флоппи-накопителя способен выдать мощность 5 Вт, которой хватит для зарядки стандартных аккумуляторов и гаджетов, а также питания миниатюрных светодиодных ламп и других устройств. (Если вам нужна большая мощность, возьмите ШД от принтера.) Во-вторых, шаговый двигатель не требует высоких оборотов, следовательно, к его валу можно напрямик подсоединить винт (крыльчатку) самодельного ветряка.
Прототип 5-ваттного самодельного ветряка
ШД имеет четыре обмотки, соединённые попарно. Общие выводы пар могут быть замкнуты между собой (тогда из двигателя выходят пять проводов) или не замкнуты (шесть проводов).
Если вал шагового двигателя не будет вращаться,
разберите его и смажьте
Чтобы получить напряжение 5 В, предлагаем собрать двойной мостовой выпрямитель (см. схему на шаге 3) и применить интегральный стабилизатор напряжения типа КРЕН5А (КР142ЕН5А) или его зарубежный аналог, например, TL780-05CKC. Для вывода напряжения удобно взять стандартное USB-гнездо, которое можно попросить у знакомого компьютерного мастера. Показанные на схеме диодные мосты рекомендуем извлечь из старого блока питания от компьютера.
Обратите внимание, что при сборке схемы вам нужно будет задействовать все фазовые выводы, а общие провода – оставить неподключёнными. В нашем случае у двигателя был один общий вывод (красный провод). Порядок подключения фаз к диодным мостам не имеет значения. Общие выводы ищите с помощью омметра по сопротивлению обмоток. Интегральный стабилизатор обязательно посадите на металлический теплоотвод.
Для иллюстрации статьи мы собрали модель ветрогенератора с вертикальной осью вращения, которая не требует ориентирования по ветру. Крыльчатку изготовили из жестяной банки от печенья, вырезав и изогнув части её боковых стенок. Вы можете сделать крыльчатку любого типа – в Интернете достаточно примеров различных конструкций. Важно продумать надёжное крепление крыльчатки на оси двигателя и монтаж последнего на опоре.
Учтите, что отечественный интегральный стабилизатор КРЕН5А более требователен к схемам «обвязки», чем его зарубежные аналоги. К входу и особенно выходу КРЕН5А (как можно ближе) нужно присоединить керамические конденсаторы ёмкостью не менее 2 мкФ.
Возможно, вам придётся опробовать несколько вариантов крыльчатки, чтобы добиться хороших ветровых характеристик. Завершив эксперименты, закройте шаговый двигатель и электронные схемы кожухом.
При работе с паяльником и другими инструментами соблюдайте технику безопасности.
Шаг 1. Соберите всё, что потребуется: флоппи-дисковод,
жестяную банку из-под печенья, радиодетали, инструменты,
мультиметр, провода, паяльник и т. д.
Шаг 2. Извлеките из дисковода шаговый двигатель.
В цилиндре на его валу просверлите три отверстия
диаметром 2,5 мм под резьбу М3. Нарежьте резьбу.
Шаг 3. У шагового двигателя с помощью омметра найдите
общий провод. Соберите приведённую схему. Позаботьтесь
об охлаждении стабилизатора.
Шаг 4. Проверьте работу схемы, вращая вал рукой.
Опробуйте генератор под нагрузкой. Оцените требуемые
для его работы размеры лопастей (крыльев).
Шаг 5. Превратите пластиковую бутылку или жестяную
банку в крыльчатку ветрогенератора. Надёжно прикрепите
её к валу шагового двигателя.
Шаг 6. Закрепите получившуюся систему на опоре.
Проверьте ветровую микротурбину в действии
с помощью вентилятора. Желаем удачи!
Шаговый двигатель как генератор для ветряка
С началом дачного сезона я решил перейти от теории к практике в части постройки ветряка для своих дачных нужд. Но поскольку не зная броду я в воду соваться не люблю, я решил для начала подсобрать статистики в плане ветра. А для этого – построить анемометр. Анемометр я решил делать на основе шагового двигателя. Во первых, он выдает практически синусоиду, частота которой зависит от частоты вращения вала (читай, скорости ветра, который будет вращать крыльчатку – пропеллер). Во-вторых, шаговый моторчик – это практически генератор мощностью в несколько Ватт и в дальнейшем его можно будет использовать для каких то нужд. Например, пусть аккумулятор заряжает, от которого будет освещаться садовый туалет, стоящий на отшибе. Тем более, что этот электрогенератор мне обходился куда дешевле провода, если бы его пришлось тянуть к этому туалету. Или воду пусть греет…
Выбрав из своего барахла шаговый моторчик с наименьшим залипанием вала (есть у них такой неприятный эффект) и с максимально большим числом шагов на один оборот, я озаботился изготовлением пропеллера. Решение проблемы обнаружило себя в виде крыльчатки от старого напольного вентилятора, который уж Бог весть когда был вывезен на дачу ради находящегося в нем электродвигателя. Ее и решено было использовать в качестве пропеллера. К тому же, вал шагового двигателя и отверстие в пропеллере чудесным образом подошли друг к другу. Даже не потребовалось делать какой либо переходник. Диаметр пропеллера был почти 40 см, что сулило, вобщем неплохую снимаемую мощность при сильном ветре ( 50 Ватт при 8-9 м/сек!) . Разумеется, потребовался бы другой двигатель – генератор.
Почему именно ветряк пропеллерного типа? Ведь обычно анемометр — это 3-4 чашечки, закрепленные на оси и вращающиеся при любом направлении ветра, не отслеживая его направление. Однако их ометаемая площадь достаточно мала, и я опасался, что скорость ветра при которой начнет вращаться анемометр будет достаточно высокой. Я просто упущу информацию о слабых ветрах. Не скажу, что бы меня это сильно волновало, поскольку ветры менее 3 м/с мало интересны в плане энергетики. Но все же. Да и насадить готовый винт на готовый мотор – это куда как проще, чем городить вертушку из чашек, балансировать ее, делать датчик, отслеживающий скорость вращения. А в конце концов — мне надо просто собрать статистику ветров. А не суть, каким способом.
Насадив на ось двигателя пропеллер, я опробовал его «в деле». К моей радости, пропеллер раскручивался даже от очень слабого ветра. Это и понятно — «лопухи» пропеллера работали как ветряк парусного типа и занимали практически всю ометаемую площадь пропеллера. Это сулило очень высокую чувствительность, хотя и невысокую быстроходность. Впрочем, это компенсировалось большим числом полюсов шагового моторчика.
Всю внешнюю арматуру самодельного анемометра я сделал из совершенно подручных материалов, нашедшихся в моем сарае. Несущую траверсу решил сделать из двутавровой дюралевой балочки, держатель двигателя в виде хомута — из обрезка 2-х миллиметрового алюминия, а киль — из обрезка дюралевого отлива, оставшегося при установке пластиковых окон. Т.е. практически весь прибор у меня получался из «крылатого» металла, что было несколько символично. Да и с коррозией вопрос отпадал. А ведь анемометру предстояло работать практически целый год, накапливая статистику. В жару и мороз, под солнцем и в дождь и в снегопад.
Оставалось найти точку равновесия на траверсе и устроить крепление ветряка, что бы он свободно вращаться при изменении направления ветра.
После того, как точка равновесия была найдена, была выпилена часть тавра в нижней части балки. В качестве оси вращения использован небольшой отрезок дюралевой трубки диаметром 10 мм. Вдоль трубки сделан пропил, в который вставлялась вертикальная часть балки и просверлены два отверстия. Винтами с гайками оси крепилась к несущей траверсе достаточно надежно. (на фото достаточно крупно изображен этот узел).
При устройстве поворотного узла было решено пока отказаться от подшипников. В конце – концов, ось в любой момент можно было и заменить. В качестве направляющей муфты был подобран отрезок другой дюралевой трубки, чуть больше диаметром, чем ось, и ось вращалась внутри муфты совершенно свободно.
рлась о муфту и не создавала дополнительное трение повороту, проложены несколько шайб, обильно смазанных машинным маслом. И таким образом вращение флюгера – анемометра стало весьма легким и он практически мгновенно реагировал на изменение направления ветра.
На время «ходовых» испытаний я просто прикрутил муфту в длинному металлическому профилю с помощью широкой специальной изоленты. Разумеется, после калибровки и при установки анемометра на штатное рабочее место, я применю либо хомуты, либо какой либо другой надежный способ крепления муфты к мачте.
В качестве испытательной мачты послужил металлический пофиль 20 х 20 мм, длиной метра 3,5. И уже на такой высоте, ветер дует немного сильнее, чем у поверхности. И анемометр вращался со скоростью несколько оборотов в секунду при хорошем, крепком ветре.
Таким образом, после испытаний и установки анемометра стационарно на высоту 6-8 метров, можно будет приступать к сбору статистики о ветровой обстановке в месте будущей эксплуатации большого ветряка. Разумеется, перед этим его надо откалибровать и устроить систему сбора статистики. Но это темя для других статей.
Следует сказать, что не всем требуется анемометр. Кому то пригодится и походный ветроэлектрогенератор. В данном случае — это практически готовая конструкция. Только желательно, конечно использовать более мощный шаговый моторчик (Ватт на 10-15) и сделать конструкцию легко разборной. Ну и на выход генератора поставить диодные мосты, что бы можно было заряжать аккумуляторы.
Простой самодельный ветроэлектрогенератор на основе шагового двигателя. Ветряк, энергия ветра.
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 Ктеплопроводности 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.
