Преимущества гидроэлектростанций очевидны:

♦ постоянно возобновляемый самой природой запас энергии;

♦ простота эксплуатации;

♦ отсутствие загрязнения окружающей среды.

Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы ока­зать немалую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса (http://www. apxu. ru).

Но пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетиче­ского потенциала Земли. Ежегодно огромные потоки воды, образо­вавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользо­ванными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, чело­вечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии.

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию (http://ru. teplowiki. org/).

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию (рис. 4.1).

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располага­ется все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное обо­рудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, транс­форматорная станция, распределительные устройства и многое другое.

Таким образом, в гидроэлектростанции кинетическая энергия пада­ющей воды используется для производства электроэнергии. Турбина и генератор преобразовывают энергию воды в механическую энергию, а затем — в электроэнергию. Турбины и генераторы установлены либо в самой дамбе, либо рядом с ней. Иногда используется трубопровод,
чтобы подвести воду, находящуюся под давлением, ниже уровня дамбы или к водо­заборному гидроузлу гидроэлектростан­ции (рис. 4.2).

Мощность гидроэлектростанции опре­деляется, прежде всего, по функции двух переменных:

♦расход воды, выраженный в кубиче­ских метрах в секунду (м3/с);

♦ гидростатический напор, который

Рис. 4.2. Структурная является разностью высот между на-

схема работы ГЭС чальной и конечной точкой падения

воды.

Проект станции может основываться на одной из этих переменных или на обеих.

Примечание.

С точки зрения превращения энергии, гидроэнергетика — техноло­гия с очень высоким КПД, зачастую превышающем более чем в два раза КПД обычных теплоэлектростанций.

Причина в том, что объем воды, падающий вертикально, несет в себе большой заряд кинетической энергии, которую можно легко преобразовать в механическую (вращательную) энергию, необходи­мую для производства электричества.

Оборудование для гидроэнергетики достаточно хорошо разрабо­тано, относительно простое и очень надежное. Поскольку никакая теплота в процессе не присутствует (в отличие от процесса горения), оборудование имеет продолжительный срок службы, редко случаются сбои. Срок службы ГЭС — более 50 лет. Многие станции, построен­ные в двадцатые годы XX века — первый этап расцвета гидроэнерге­тики — все еще в действии.

Так как всеми существенными рабочими процессами можно управ­лять и контролировать их дистанционно через центральный узел1 управления, непосредственно на месте требуется небольшой техниче­ский персонал. В настоящее время накоплен уже значительный опыт по работе гидроэлектростанции мощностью от 1 кВт до сотен мегаватт.

График нагрузки определенного района или города, который пред­ставляет собой изменение во времени суммарной мощности всех
потребителей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одно время суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другое время часть генераторов или электростанций может быть отключена или может работать с уменьшенной нагрузкой.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от выра­батываемой мощности:

♦ мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;

♦ средние — до 25 МВт;

♦ малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.

Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Вариант 1. Генератор переменного тока от автомобиля

Достоинства: дешевый, легко найти, уже собран.

Недостатки: требуется высокая скорость вращения, требуется зуб­чатая передача или шкив, небольшой выход энергии, токосъемник требует постоянного техобслуживания.

Пригодность для ветроэлектростанции: низкая.

Главная проблема при использовании автомобильных генераторов для ветряков — то, что они разработаны для слишком высоких скоро­стей — для получения ветряной энергии приходится выполнить мно­жество значительных модификаций. Даже маленькая и работающая на сравнительно быстрых оборотах ветряная мельница требует ско­рости 600 об/мин, что даже близко нельзя назвать достаточным для автомобильного генератора. Это значит, что придется использовать зубчатые передачи или шкивы, чтобы большая часть энергии трати­лась на вращение.

Стандартный автомобильный генератор электромагнитный — то есть часть вырабатываемой энергии должна быть послана на якорь через щетки и токосъемники, чтобы создать магнитное поле. Генератор, который использует электричество для возникновения поля, менее эффективный и более сложный. Тем не менее, его проще регулировать, так как магнитный поток может быть изменен настрой­кой мощности ПОЛЯ.

Кроме того, щетки и токосъемники имеют тенденцию изнаши­ваться, требуя постоянного ухода. Генератор также может быть пере­мотан для выработки энергии на более низких скоростях. Это воз­можно путем замены существующих витков статора более частыми витками из более тонкой легированной стали.

Вариант 2. Самодельный генератор с постоянными магнитами

Достоинства: низкая стоимость киловатт-часа, высокая эффектив­ность, возможно получение большой мощности, удивительно крепкая конструкция.

Недостатки: трудоемкий, сложный проект, требующий обработки на токарном станке.

Пригодность для ветроэлектростанции: хорошая.

Многочисленные эксперименты показали, что самодельный гене­ратор с постоянными магнитами является наиболее мощным и эко­номным решением для ветрогенератора. Он способен отлично рабо­тать на низких скоростях вращения, на высоких же скоростях он буквально выдает амперы благодаря своей эффективности. Наиболее часто самодельные генераторы производятся из тормозных дисков от Volvo, так как они очень прочные и имеют встроенные упорные под­шипники. Так как такой генератор производит переменный ток, тре­буется выпрямитель для преобразования его в постоянный и после­дующей зарядки батареи.

Наилучшие результаты показывает трехфазный генератор, однако его сложнее построить, чем однофазный, так что при построении генератора необходимо решить, сможете ли вы построить трехфаз­ный или ограничитесь однофазным.

Генератор для ветряка 2 м в диаметре выдает больше 60 А в 12-вольтную батарею, а это более 700 Вт. На пике мощности он может выдавать даже 100 А. Пока что это решение наиболее эффективно.

Вариант 3. Конверсионный асинхронный генератор переменного тока

Достоинства: дешевый, легко найти, сравнительно легко переобо­рудовать, хорошая работа на низких оборотах.

Недостатки: результирующая мощность ограничена внутренним сопротивлением, неэффективен на высоких скоростях, требует обра­ботки на токарном станке.

Пригодность для ветроэлектростанции: средняя.

Обычный асинхронный электродвигатель, вырабатывающий пере­менный ток, может достаточно просто быть перестроен в генератор с постоянными магнитами. Эксперименты показывают, что полу­чившийся генератор хорошо работает на очень низких скоростях, но быстро становится неэффективным на высоких скоростях.

Асинхронный двигатель не имеет никаких проводов в сердечнике, только переменные пластины из алюминия и стали (снаружи они выглядят гладкими). Если вы выдолбите желоба в центре сердечника и вставите туда постоянные магниты, электродвигатель станет гене­ратором с постоянными магнитами.

На практике такой генератор выдает около 10—20 А. Он очень быстро становится малоэффективным: при возрастании скорости ветра количество результирующих ампер возрастает незначительно, остальная же мощность тратится на нагрев самого генератора. Асинхронный электродвигатель обмотан слишком тонкой проволо­кой и не может поддерживать ток большой мощности. Для того же ветряка диаметром 2 м пиковая сила тока равна всего 25 А.

Если вас устраивает небольшой ток при высоких скоростях ветра, асинхронный двигатель может оказаться хорошим решением. Рекомендуется выбирать трехфазный двигатель. Такой генератор про­изводит переменный ток, поэтому требуется выпрямитель для преоб­разования его в постоянный ток и последующей зарядки батареи.

Вариант 4. Генератор постоянного тока

Достоинства: простой и уже собранный, некоторые хорошо рабо­тают на низких оборотах.

Недостатки: прихотливый, большинство плохо работают на низких оборотах, очень сложно найти генератор достаточно большого раз­мера, маленькие генераторы не могут выдавать большую мощность.

Пригодность для ветроэлектростанции: слабая.

Выбор генератора постоянного тока на первый взгляд кажется логичным, так как батарея заряжается именно постоянным током, и такой системе не потребуется преобразователь. На практике же гене­раторы постоянного тока даже близко не могут сравниться с генерато­рами переменного тока. Их щетки требуют постоянного наблюдения, а передающий механизм часто выходит из строя. Такие генераторы могу быть использованы как дополнение к генераторам постоянного тока и выдавать порядка 12 В, что эквивалентно 100—200 Вт. Это немного, но при желании может хватить для небольшого ветряка высотой 1—2 м.

Ветроэлектростанция WE1500 на 1,5 кВт

Ветроэлектростанция — устройство позволяющее преобразо­вывать чистую, природную энергию ветра в электричество, широко используемое человеком в своей повседневной жизни. Установка WE1500 представляет собой высокоэффективную, бесшумную, самоо — риентирующуюся систему способную работать в автономном режиме при минимальных скоростях ветра от 2 м/с.

При ветре 10 м/с WE1500 может производить электроэнергию мощностью более 1,5 кВт. Использование генератора без повышаю­щего редуктора (мультипликатора) позволяет во много раз увеличить срок необслуживаемого использования, и позволяет в течение срока службы эксплуатировать WE1500, не прибегая к плановой замене деталей или узлов. Отсутствие редуктора позволяет добиться старта ВЭС при самом слабом ветре и делает работу наших ветряков бес­шумной.

Характеристики электростанции WE1500:

TOC o "1-5" h z количество лопастей, штук……………………………………………………. 3;

стартовая скорость ветра, м/с………………………………………………… 2;

номинальная скорость ветра, м/с…………………………………………. 10;

ориентация по ветру…………………………………………………………. есть;

защита от ураганных ветров……………………………………………… есть;

тормоз ротора………………………………………………………………….. есть;

шкаф управления микропроцессорный Control Box………….. СВ 10;

TOC o "1-5" h z высота мачты не менее, м……………………………………………………. 12;

напряжение аккумулятора, В……………………………………………… 240;

максимальный ток заряда, А………………………………………………… 10;

минимальные аккумуляторы……………………… 20штукх12 В 26 Ач;

конструкция мачты…………………………………………………….. сборная;

масса, кг…………………………………………………………………………….. 54;

уровень шума (на расстоянии 10 м), дБ, не более…………………. 45.

Комплектация электростанции WE1500:

♦ ВЭС, WE1500 номинальной мощностью 1,5 кВт, 1 шт.;

♦ мачта, высотой 12 м/18 м (в зависимости от технических усло­вий), 1 шт.;

♦ шкаф управления, WE-CB10 для WE1500 с зарядным устрой­ством от ВЭС 10 А и зарядным устройством от солнечной элек­тростанции (при дополнительном использовании солнечных модулей), 1 шт.;

♦ АКБ, 12 В/40 Ач 20 шт х 12 В х 40 Ач = 9600 ватт/час, 20 шт.;

♦ шкаф АКБ, для АКБ 12 В/40 Ач 20 шт., 1 шт.;

♦ инвертор, WE-PSW5F1 (220 В 5 кВА), однофазный псевдо- синусоидальный инвертор-UPS, мощность 5 кВА (3,5 кВт), 1 шт.

На рис. 1.53 показана система с использованием WE1500.

Простейшая самодельная солнечная батарея

Эта конструкция рассматривается в познавательных целях, т. к. она не очень эффективна при высокой цене. Цена одного КД202 состав­ляет 50 руб. Итого на 4 блока по 5 шт. понадобиться 20 диодов.

Это примерно 1000 руб., не считая универсальных разъемов для подключения разных устройств. При этом устройство генерирует напряжение до 2,1 В при токе до 0,8 мА.

Примечание.

Разумеется, это изобретение морально устарело. Проще купить кремниевую, панель за 1100 руб. Но кому интересен процесс, то можете попробовать.

В хозяйстве радиолюбителя всегда найдутся старые диоды и тран­зисторы от ставших ненужными радиоприемников и телевизоров. В умелых руках это — богатство, которому можно найти дельное при­менение. Например, сделать полупроводниковую солнечную батарею для питания в походных условиях транзисторного радиоприемника.

Как известно, при освещении полупроводник становится источ­ником электрического тока — фотоэлементом. Этим свойством мы и воспользуемся (http://electro-shema. ru/zl l. htm).

Сила тока и электродвижущая сила такого фотоэлемента зависят:

♦ от материала полупроводника;

♦ от величины его поверхности;

♦ от освещенности.

Но чтобы превратить диод или транзистор в фотоэлемент, нужно добраться до полупроводникового кристалла, а, говоря точнее, его нужно вскрыть.

Последовательность работ представлена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Последовательность работ по созданию солнечной батареи

Примечание.

Энергия, вырабатываемая одним фотоэлементом, очень мала, поэтому их объединяют в батареи. Чтобы увеличить ток, отда­ваемый во внешнюю цепь, одинаковые фотоэлементы соединяют параллельно, а для увеличения напряжения — последовательно.

Но наилучших результатов можно добиться при смешанном соеди­нении, когда фотобатарею собирают из последовательно соединенных групп, каждая из которых составляется из одинаковых параллельно соединенных элементов.

Предварительно подготовленные группы диодов собирают на пла­стине из гетинакса, органического стекла или текстолита. Между собой элементы соединяются тонкими лужеными медными проводами.

Совет.

Выводы, подходящие к кристаллу, лучше не паять, так как от высо­кой температуры можно повредить полупроводниковый кристалл.

Пластину с фотоэлементом поместите в прочный корпус с про­зрачной верхней крышкой. Оба вывода подпаяйте к разъему — к нему будете подключать шнур от радиоприемника.

Солнечная фотобатарея из 20 диодов КД202 (пять групп по четыре параллельно соединенных фотоэлемента) на солнце генерирует напря­жение до 2,1 В при токе до 0,8 мА. Этого вполне достаточно для того, чтобы питать радиоприемник на одном-двух транзисторах.

Преобразователь представляет собой вертикально установленную трубу, нижний конец которой снабжен тройниковым наконечником с входным и выходным клапаном (рис. 5.1, левый).

Так, при площади сечения трубы 1 м2, амплитуде волны 2 м и периоде волнения 10 с, потенциальная энергия рабочего объема воды составит 8160 кгм, а средняя мощность в течение периода — 816 кгм/с или около 11 лошадиных сил.

При прохождении волны вода с одного конца входит в трубу, а из другого выходит. Имея однонаправленное горизонтальное движение, вода создает реактивную тягу, определяемую массой воды в трубе, высотой волны и скоростью свободного падения.

Трубы могут крепиться на борту плавсредства и обеспечивать ему:

♦ или линейное движение (для мобильного объекта);

♦ или круговое движение (для стационарного энергетического объекта).

Вторая разработка (рис. 5.1, правый), представляет собой пневма­тический преобразователь. Группа труб, открытых с нижнего конца, устанавливается вертикально на водной поверхности. В верхней части каждая труба имеет по два клапана, входной и выходной которые также объединены, соответственно, между собой.

Конструкция представляет собой гигантский многоцилиндровый газовый компрессор, поршнями которого является вода, движимая, энергией морских волн по вертикальным трубам вверх и вниз.

Морской утюг. Между горизонтально расположенным трубопро­водом верхнего давления и трубопроводом нижнего давления уста­новлена воздушная турбина, вращающая электрогенератор для стаци­онарного варианта, или редуктор с винтом для мобильного объекта.

Новым в предложенных разработках является то, что одна воз­душная турбина может работать на неограниченное количество труб, играющих роль цилиндров в получившемся компрессоре.

Самоходная платформа «Морской утюг» (рис. 5.2) использует энергию морских волн для собственного движения и аккумулирова­ния энергии. Может использоваться для защиты береговых сооруже-

ний, в качестве понтонной переправы, создания морских и авиацион­ных портов на открытой морской акватории, зарядки аккумуляторов энергии, перевозки грузов и т. д.

Выбор электромотора

Пусть стоит задача для использования в отдаленной от цивилиза­ции местности установить ветряную турбину, которая давала бы хоть немного электроэнергии, а позднее дополнить ее несколькими пане­лями солнечных батарей. AlexAAN по заказу РадиоЛоцман сделал перевод интересной американской статьи на эту тему.

Реально можно установить не дорогую, покупную турбину, а само­дельную, которая не стоит почти ничего. Нужны лишь навыки работы руками и минимальные познания в электронике.

Конструирование ветряка автор Майкл Дэвис (USA) начал с поиска в Гугле информации о самодельных турбинах. Там было найдено мно­жество описаний, самых различных по конструкции и по сложности. Пять элементов были общими для всех вариантов:

♦ генератор;

♦ ветроколесо;

♦ устройство, разворачивающее ветроколесо к ветру;

♦ мачта;

♦ аккумуляторы и электроника управления.

Проект можно урезать до пяти небольших частей. Если заниматься каждой последовательно, проект выглядит относительно простым. Исследования в Интернете показали, что очень многие делали свои собственные генераторы. Это показалось слишком сложным, по край­ней мере, для первого раза. Остальные использовали моторы постоян­ного тока с постоянными магнитами. Такой вариант явно был проще, и автор приступил к поиску подходящих моторов.

Как показалось, многие предпочитают использовать моторы накопителей на магнитной ленте от старых компьютеров. Лучшими, по-видимому, были несколько моторов, выпускавшиеся фирмой Ametek. А наиболее подходящим из них, для использования в качестве генератора, был мотор 99 В DC. К сожалению, достать такие моторы в наши дни практически невозможно. Хотя есть много других моторов Ametek, некоторые из которых все еще можно приобрести, скажем, на Ebay.

Примечание.

Обращаю внимание, что указанные технические средства приме­нимы для американского континента, где стандартом для сети переменного тока является напряжение 120 В 60 Гц. Но принципы построения ветроэлектростанции не отличаются.

Вероятно, еще есть немало моторов с постоянными магнитами, раз­ных изготовителей и моделей, которые можно было бы использовать в качестве генераторов; Но, при выборе мотора помните, что двигатель постоянного тока с постоянными магнитами может работать гене­ратором, но его никогда не конструировали как генератор. Поэтому генераторы из них неважные.

Некоторые моторы совсем не годятся. Используемые в качестве генераторов, моторы, как правило, вынуждены вращаться со скоро­стью намного большей, чем та, для которой их рассчитывали.

Примечание.

Мотор, который необходимо выбрать, должен быть рассчитан на максимальное напряжение питания, максимальный ток, и иметь минимальную скорость вращения.

Держитесь подальше от низковольтных или высокооборотных моторов. Вам необходим мотор, способный обеспечить 12 В при невысокой скорости вращения, и отдавать достаточный ток. Можно ожидать, что мотор с номинальной скоростью вращения 325 об/мин и номинальном питании 30 В, включенный генератором, сможет выра­батывать +12 В.

С другой стороны, мотор с номинальной скоростью 7200 об/мин и номинальном питании 24 В, вероятнее всего, не сможет дать вам 12 В, т, к. скорость его вращения слишком велика для ветряной турбины.

На Ebay автору удалось, всего лишь за $26, купить один из хороших 30-вольтовых моторов Ametek (рис. 1.25). Сейчас они уже стоят намного дороже из-за того, что все считают их идеальными генерато­рами. Но не зацикливайтесь на Ametek.

Моторы других брендов тоже работают нормально.

Купленный мотор работал великолепно. Даже поворачивая вал пальцами, можно было заставить ярко светиться 12 В лампочку. Но настоящий тест бы устроен вращением мотора электродрелью. К мотору была подключена нагрузка, на которой развивалась мощность в несколько сотен ватт.

Стало ясно, что если удастся сделать хороший комплект лопастей для вращения этого мотора, энергия от него обязательно будет получена.

Задачи, решаемые гелиосистемой:

♦ получение альтернативного источника неограниченной, эколо­гически чистой бесплатной энергии;

♦ обеспечение потребностей в горячей воде для бытовых нужд (даже в местах отсутствия магистрального водопровода);

♦ полное или частичное обеспечение потребностей отопления (осенне-весенний период — до 80 %, а зимний — до 50 %);

♦ снижение уровня потребления традиционных энергоресурсов, а, следовательно, и финансовых затрат.

Гелиосистемы состоят из солнечного коллектора, системы управле­ния с насосами и бака-аккумулятора (рис. 2.4).

В коллекторе (лат. накопитель) медная пластина аккумулирует солнечную энергию. Они рассмотрены выше. Под пластиной прива­рены медные трубы, по которым течет коллекторная жидкость. Она транспортирует тепло. Система управления с насосом обеспечивает циркуляцию коллекторной жидкости внутри установки. В хорошо изолированном баке-аккумуляторе тепло жидкости передается воде (теплообменник). Таким образом, в доме будет нагретая вода и ночью, и в дождливые дни.

Важной частью гелиоустановки является поддерживающая кон­струкция для солнечных коллекторов. Она обеспечивает правиль­ный угол наклона, а также необходимую жесткость конструкции. Комбинация поддерживающей конструкции с солнечными модулями должна выдерживать порывы ветра и другие неблагоприятные воз­действия окружающей среды.

Варианты монтажа установки:

♦ наклонный (на крышу с любым углом наклона ската);

♦ горизонтальный (на плоскую крышу);

♦ свободностоящий (солнечный коллектор с опорной конструкцией).

Импульсный понижающий стабилизатор напряжения позволяет получить стабильное напряжение для питания потребителей от раз­личных источников (солнечные батареи, адаптеры, аккумуляторы и т. д.). За счет импульсного режима работы имеет высокий КПД (до 90% в зависимости от режима работы).

Выбор выходного напряжения осуществляется пользователем с помощью ДИП-переключателя. Плавная регулировка выходного напряжения с помощью переменного резистора позволяет то напря­жение на выходе, которое требуется с высокой точностью. Это важно, например, для безопасной зарядки литиевых аккумуляторов.

Встроенный ограничитель тока также служит для обеспечения без­опасной зарядки аккумуляторов или маломощных потребителей.

Таким образом, с помощью данного стабилизатора можно как запи­тать большинство мобильных устройств (в том числе спутниковых телефонов), так и непосредственно заряжать различные типы аккуму­ляторов (никелевых, литиевых, свинцовых). Может быть использован в качестве драйвера для питания мощный светодиодов.

Внимание.

На всех круглых разъемах плюс в центре.

Секундная энергия или мощность потока пропорциональна кубу скорости, т. е. если скорость ветра увеличилась, например, в два раза, то энергия воздушного потока возрастает в 23 = 2x2x2 = 8 раз.

Мощность, развиваемая ветродвигателем, изменяется также про­порционально квадрату диаметра ветроколеса, т. е. при увеличении диаметра в 2 раза, мощность при той же скорости ветра увеличива­ется в 4 раза (http://www. freeenergyengines. ru/).

Однако в механическую работу можно превратить только часть энергии потока, протекающего через ветроколесо. Другая часть энер­гии теряется на трение воздушных частиц и различные потери, так как ветроколесо оказывает сопротивление движению воздушных частиц. Кроме того, значительная часть энергии содержится в воздушном потоке, уже прошедшем через ветроколесо. Это объясняется тем, что поток за ветроколесом также имеет некоторую скорость.

В теории крыльчатых ветродвигателей доказывается:

♦ что скорость потока за ветроколесом не может быть равна нулю;

♦ что наилучший режим работы ветродвигателя будет в том слу­чае, когда скорость непосредственно за ветроколесом составля­ет 2/3 от первоначальной скорости потока, набегающего на ве­троколесо.

Число, показывающее, какая часть мощности воздушного потока полезно используется ветроколесом, называется коэффициентом использования энергии ветра и обозначается греческой буквой % (кси).

Величина коэффициента использования энергии ветра %, прежде всего, зависит от типа ветродвигателя, формы его крыльев и качества их изготовления, а также от ряда других факторов.

Для лучших быстроходных ветродвигателей, имеющих крылья обтекаемого аэродинамического профиля, % = от 0,42 до 0,46. Это означает, что ветроколеса таких ветродвигателей могут полезно использовать, т. е. превращать в механическую работу, 42—46% энер­гии, которой обладает ветровой поток, проходящий через ветроколесо. Для тихоходных ветродвигателей значения % могут быть в пределах от 0,27 до 0,33. Максимальное значение теоретического коэффициента использования энергии ветра у идеальных крыльчатых ветродвигате­лей равно 0,593.

Определение.

Под идеальным ветродвигателем принято понимать такой двигатель, который имеет наиболее совершенное ветроколесо, лишенное каких-либо аэродинамических потерь.

Крыльчатые ветродвигатели получили преимущественное распро­странение, и только они выпускаются промышленностью. Крыльчатые двигатели делятся на две группы:

♦ быстроходные (малолопастные), с числом лопастей до 4;.

♦ тихоходные (многолопастные), имеющие от 4 до 24 лопастей, а в некоторых случаях и больше.

Примечание.

Чем меньше число лопастей, тем при прочих равных условиях ветроколесо имеет большее число оборотов.

Вот почему малолопастные ветродвигатели называются быстроход­ными. Быстроходность является одним из серьезных преимуществ этих ветродвигателей, так как делает более простой передачу мощности * таким быстроходным машинам, как, например, электрический генератор.

Кроме того, быстроходные ветродвигатели, как правило, более лег­кие, чем тихоходные. Как указывалось выше, они имеют более высо­кий коэффициент использования энергии ветра.

Однако у них имеется и недостаток, заключающийся в том, что их начальный момент трогания, т. е. вращающий момент, развиваемый на неподвижном ветроколесе, при одинаковых диаметрах ветроколес и скорости ветра в несколько раз меньше, чем у тихоходных ветроко­лес.

На рис. 1.3 приведены для сравнения аэродинамические характе­ристики двух одинаковых по диаметру ветроколес, одно из которых имеет 3, а другое — 18 лопастей.

Пунктирные линии — 18-лопастное ветроколесо, сплошные — 3-лопастное ветроколесо. По горизонтальной оси на этом графике отложена быстроходность, или число модулей Z ветроколеса.

Эта величина определяется отношением окружной скорости coxR конца лопасти к скорости V ветра, набегающего на ветроколесо.

Примечание.

Нарис. 1.3 видно, что наибольший коэффициент использования энер­гии ветра ветроколесо имеет лишь при определенной быстроход­ности, т. е. для каждой скорости ветра имеется одно единственное число оборотов, при котором мы получаем максимальный %.

Кроме того, при одинаковой скорости ветра тихоходное ветроко­лесо имеет в несколько раз больший момент, чем быстроходное и, следовательно, будет начинать работать в случае одинаковой нагрузки при меньших скоростях ветра. Это очень важно для эксплуатации, так как возможное число часов работы ветродвигателя увеличивается.

Крыльчатые ветродвигатели работают за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях ветроколеса, при набегании на них воз­душного потока. Так же, как и на крыльях самолета, на крыльях ветро­
колеса возникают подъемная сила и сила сопротивления поверхности. Подъемная сила и создает вращающий момент на ветроколесе.

Для того чтобы лучше использовать энергию ветра, т. е. получить большую мощность, крыльям придают обтекаемые, аэродинамиче­ские профили, а углы заклинення делают переменными вдоль лопа­сти (на конце — меньше, а ближе к валу — большие углы). На рис. 1.4 представлена схема крыльчатого ветрокблеса.

Крыло ветроколеса состоит из трех основных узлов: лопасти и маха, с помощью которого оно скрепляется со ступицей.

Определение.

Угол, который составляет лопасть с плоскостью вращения ветро­колеса, называется углом заклинения и обозначается буквой <р. Углы, под которыми ветер набегает на элементы лопасти, обозна­чаются буквой а и называются углами атаки.

Если бы ветроколесо было неподвижным, то направление потока, набегающего на лопасть, совпадало бы с направлением ветра (т. е. по стрелке V). Но так как ветроколесо вращается, то каждый элемент лопасти имеет определенную окружную скорость coxR, которая тем больше, чем дальше отстоит элемент от оси ветроколеса. Эта скорость направлена в плоскости вращения ветроколеса. Таким образом, поток обдувает элементы лопасти с какой-то скоростью, складывающейся из скоростей V и coxR. Эта скорость получила название относительной скорости потока и обозначается буквой W.

Для каждого элемента лопасти эта скорость имеет свою величину и набегает под разными углами а. А так как наилучший режим работы крыльчатого ветродвигателя будет только при определенных углах атаки, то и приходится углы заклинення ф делать переменными по длине лопасти.

Важно иметь в виду, что если лопасти выполнены одинакового качества и профиля, то мощность ветродвигателя практически очень мало зависит от числа лопастей.

Ведь мощность ветродвигателя, как и любого другого двигателя, определяется произведением развиваемого двигателем вращающего момента М на угловую скорость со.

Примечание.

Момент, развиваемый ветродвигателем, с уменьшением числа лопастей падает, однако примерно в той же пропорции возрас­тает число оборотов, т. е. угловая скорость. Таким образом, про­изведение /Ихсо остается почти постоянным, мало зависящим от числа лопастей.

Кроме ветродвигателей крыльчатого типа, известны карусельные, роторные и барабанные ветродвигатели.

Первые два типа имеют вертикальную ось вращения, а послед­ний — горизонтальную.

В отличие от крыльчатых ветродвигателей, у которых все лопасти работают одновременно, создавая вращающий момент, у карусельных и барабанных ветродвигателей’одновременно работает лишь часть лопастей, а именно тед, движение которых совпадает с направлением ветра.

Для того чтобы уменьшить сопротивление лопастей, идущих навстречу ветру, их прикрывают ширмой, либо делают изогнутыми.

Вращающий момент на ветроколесах этих типов двигателей воз­никает за счет разности давлений на лопастях.

Ввиду малой эффективности (% у этих ветродвигателей не превы­шает значения 0,18) и громоздкости, а также вследствие того, что они очень тихоходны, карусельные, барабанные и роторные двигатели в практике не нашли применения.

Штанга изготовлена из деревянной рейки. На переднем конце ее сделана выемка и просверлено отверстие для крепления генератора.

Выемка усилена металлической накладкой, прибиваемой к штанге. На заднем конце штанги двумя шурупами закреплен хвостовик, вырезан­ный из фанеры толщиной 3 мм.

Штанга надета на полую ось-трубку, для чего в штанге просверлено отверстие по диаметру трубки. Сверху и снизу прибиты накладки из жести. Штанга закреплена на оси с помощью кольца, изготовленного из отрезка резиновой трубки. Надетая на трубку, штанга должна легко поворачиваться при изменении направления ветра.