Ветроэнергетика проделала свой путь от простейших ветряных мельниц до массивных, протянувшихся на многие километры промышленных ВЭС, и при этом осталась одной из самых экологически безопасных отраслей энергетики. Универсальность, экономичность и эффективность ветряной энергии послужили росту популярности бытовых ветрогенераторов среди жителей частных домов. Обеспечить автономное питание для своего жилища с помощью возобновляемого источника энергии – привлекательная идея. Поэтому сегодня мы подготовили для вас инструкцию по сборке домашней ЭС.

Рис. 1

Шаг 1: Материалы и инструменты

Ниже, в основном, перечислено всё то, что опытный изобретатель легко сможет найти в своей мастерской, у знакомых, либо в магазине техники. Наша инструкция не претендует на точное копирование описанных процессов (творчество прежде всего). Главное – держаться близко к базовой структуре и помнить о законах физики. Поэтому, если у вас под рукой не окажется чего-то из нижеперечисленного, попробуйте заменить устройством или деталью с тем же функционалом.

Материалы:

– Гироскутер (нам понадобится его двигатель и некоторые детали корпуса) 

– Труба ПВХ диаметром 150 мм

– Круглые стальные пластины 3 мм в толщину

– Стальные полосы 25 мм в ширину 

– Стальная полоса 50 мм в ширину

– Стальные пластины 5 мм в толщину

– Фанера

– Шестигранный стержень

– Гайки и болты

– Оцинкованная труба 50 мм

Рис. 2 

Инструменты:

– Ручная дрель

– Лобзик

– Угловая шлифовальная машина

– Плоскогубцы

 Шаг 2: Подготовка двигателя

Нам нужен гироскутер, потому что в нём используются бесколлекторные (бесщёточные) двигатели постоянного тока. Для нашего проекта это лучший вариант, так как не нужно беспокоиться ни об износе щеток, как в случае с коллекторным, ни об эффективности (у бесщёточного она значительно выше, чем у его собрата с щётками). Кроме того, двигатели гироскутера могут выдавать хорошее напряжение даже при ручном управлении. А этот фактор важен в ветроэнергетике, так как даёт возможность получать необходимое напряжение даже при слабых потоках ветра. 

Рис. 3

Начнём с того, что разберём гироскутер и вытащим на свет один из его моторов. Чаще всего моторы-двигатели находятся в хорошем состоянии, но, чтобы убедиться в их работоспособности, положите один из них на скамейку, закрепите вал с помощью зажима и подключите лампочку 12В к любым двум проводам, выходящим из него. Быстро раскрутите мотор вручную и ждите, засветится ли лампочка. Если двигатель прошёл проверку, разберите его, открутив винты с обратной стороны, снимите шину с помощью отвертки, и отделите ротор от статора, как показано на рисунках 4, 5 и 6.

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

 Шаг 3: Адаптер для лопастей

Чтобы заставить двигатель вращаться и вырабатывать электричество, нужно сначала преобразовать порывы ветра в механическую энергию. Сделать это легко с помощью лопастей ветрогенератора. Но прежде, чем приступить к их использованию, нужно изготовить адаптер – деталь, необходимую для соединения лопастей с валом двигателя. 

Адаптер можно сделать из двух стальных дисков толщиной 3 мм и диаметром 150 мм (рис. 7). Держатели лопастей будут представлять собой стальные полосы шириной 25 мм и толщиной 5 мм, зафиксированные между дисками.

Рис. 7

Наложите бумагу с метками на металл и просверлите отверстия, необходимые для соединения дисков с двигателем и лопастями (рис. 8 и 9). 

 Рис. 8

Рис. 9

Теперь сделайте отверстия на обратной стороне ротора и на всех держателях лопастей (рис. 10 и 11). 

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

 Соберите детали адаптера вместе с ротором и убедитесь, что все составляющие максимально сбалансированы (в противном случае подшипники прослужат не долго).

Рис. 13

Рис. 14

Рис. 15

Завершите сборку адаптера возвращением статора на его законное место (рис. 16 и 17)

Рис. 16

Рис. 17

Шаг 4: Основной держатель

Для укрепления всей конструкции понадобится основной держатель. Его можно сделать из стальной полосы шириной 50 мм и толщиной 7 мм. 

Просверлите отверстия для последующей установки двигателя и хвоста, как на рисунках 18 и 19. Прямо по центру полосы просверлите широкое 36 мм отверстие – оно понадобится для соединения держателя с подвижным механизмом ветряка (рис. 20).

Рис. 18

Рис. 19

 Рис. 20

Шаг 5: Поворотный механизм

Чтобы всегда держать лопасти на ветру, генератору нужен специальный подвижной механизм. Можно сэкономить много времени, денег и созидательной энергии, просто адаптировав шарнирный механизм уже знакомого нам гироскутера.

Всё, что нужно –  это отрезать центральную часть от корпуса, разделить шатун пополам и полюбоваться видом готового подвижного механизма. 

Рис. 21

Рис. 22

Рис. 23

Рис. 24

Осталось только просверлить отверстия, как на рисунке 25, и смастерить пару адаптеров из стальных дисков 4 мм толщиной и 100 мм в диаметре (рис. 26, 27 и 28).

Рис. 25

Рис. 26

Рис. 27

Рис. 28

Шаг 6: Сборка хвоста

Хвост нужен ветрогенератору, чтобы обеспечить защиту лопастей на случай урагана или бури. Сделать его можно из обычной фанеры. Вырежьте  треугольную форму (рис. 30) и подготовьте два металлических адаптера 5 мм с четырьмя отверстиями для крепления (рис 31). 

Рис. 29

Рис. 30

Рис. 31

Держателем хвоста может стать простой шестигранный стержень, нужно только просверлить  по два отверстия на каждом его конце (рис 32).

Рис. 32

Шаг 7: Лопасти

Лопасти легко сделать из метровой трубы ПВХ с диаметром 150 мм. Никаких сложных расчётов не требуется: просто придерживайтесь расстояния 130 мм для самой широкой части лопасти и 50 мм – для самой узкой. Обозначьте линии среза, вооружитесь лобзиком и пилите. 

Рис. 33

Рис. 34

Когда все лопасти будут готовы (их должно получиться пять), обязательно обработайте концы, как показано на рисунках 35 и 36 – так и форма будет красивее, и вращение плавнее. 

Рис. 35

Рис. 36

Рис. 37

Отверстия для креплений сделайте в широкой части лопастей и в соответствии с изготовленными держателями из третьего пункта.

Рис. 38

Рис. 39

Шаг 8: Монтаж

Прежде, чем собрать все части воедино, защитите ветрогенератор от ржавчины и покрасьте все его детали металлическим спреем. 

Рис. 40

Сборку начните с подвижного механизма, затем установите на него основной держатель, двигатель с адаптером и хвост. 

Рис. 41

Рис. 42

Рис. 43

Рис. 44

Рис. 45

Теперь добавьте лопасти и убедитесь, что они хорошо сбалансированы и имеют равно расстояние между концами. 

Рис. 46

Рис. 47

Попробуйте раскрутить свой ветряк и посмотреть на вращение генератора. Возможно, вы увидите, как он превращает порывы ветра в искры. Но, чтобы эти искры стали электрическим током и пошли по проводам, не хватает еще одного важного устройства.

Шаг 9: Выпрямитель

Помните о трёх проводах, выходящих из сердца двигателя? Именно так выглядит трёхфазный переменный ток. Чтобы преобразовать его в постоянное напряжение, нужно добавить в сборку трехфазный выпрямитель. 

Рис. 48

Это простое устройство, его легко купить, но и самому сделать не сложно. Для тех, кто дружит с паяльником и наслышан о ЛУТ, мы подготовили материалы, необходимые для создания индивидуальной печатной платы выпрямителя (см. файлы в Приложениях).

 Шаг 10: Установка ветрогенератора

Вы можете использовать оцинкованную трубу, чтобы установить свой генератор. Нижний её конец нужно закрепить с помощью двух металлических кронштейнов в земле, а к верхнему приварить стальной диск-адаптер из пятого пункта, чтобы получилась ровная поверхность для расположения ветрогенератора.

Рис. 49

Осталось лишь провести соединение между двигателем и выпрямителем посредством силового кабеля, и можно сказать, работа завершена.

Рис. 50

Рис. 51

Рис. 52

Организация электрической цепи остаётся на ваше усмотрение. Но в случае с небольшим ветряком, всё-таки рекомендуется подключить к сети аккумуляторные батареи. Они будут накапливать энергию и находиться в резерве домашней ЭС, гарантируя бесперебойное питание в безветренный день или в случае поломки. Есть, конечно, и более экзотические варианты, например соединение ветряка с солнечной батареей или дизельным генератором. Но такие комбо заслуживают отдельной статьи.

Пример схемы подключения ветрогенератора к выпрямителю и другим устройствам электрической сети

 Вам уже захотелось эмансипироваться от единой электросети и построить личную ВЭС? Желаем вам успехов в этом деле, обязательно поделитесь результатами с нами. А если вы уже пользовались ветрогенераторами, то расскажите нам о своём опыте. Давайте развивать DIY энергетику!

 

Приложения:

Схема трёхфазного выпрямителя

Схема печатной платы

 

 

 

Трудно представить себе жизнь без электричества. Мы нуждаемся в нём почти также, как в воде или воздухе, и научились получать его многими способами: уголь, нефть, тепловые, атомные и гидроэлектростанции. Но у всего вышеперечисленного есть недостатки – будь то нехватка природных ресурсов, загрязнение окружающей среды, межгосударственные конфликты или риск возникновения аварии. Можем ли мы построить электростанцию абсолютно безопасную для природы и человека? Биология подсказывает, что можем.

Группа исследователей из Вагенингенского университета в Нидерландах под руководством доктора Марджолейн Хелдер разработала метод получения электроэнергии из живых растений и бактерий, живущих в почве. Используя солнечный свет, воду и атмосферный углекислый газ, растения образуют органические вещества (этот процесс известен также как фотосинтез). Микробы в почве используют полученные органические материалы и перерабатывают их, выделяя в процессе углекислый газ, ионы водорода и электроны.

Доктор Хелдер и её коллеги просто поместили положительные и отрицательные электроды (катоды и аноды) в места скопления бактерий и получили электрический ток!

Такой метод получения электроэнергии полностью естественен и безопасен для окружающей среды, не требует никаких дополнительных материалов извне и является частью циклического процесса в природе. Но сколько электричества можно таким образом получить? Всё зависит от площади. По оценкам учёных, небольшой участок почвы размером 50 см х 50 см производит 5 V, а сад площадью 100 м² может дать достаточно электроэнергии, чтобы зарядить мобильный телефон или зажечь несколько светодиодных лампочек. Группа Вагенингена осветила целое здание светодиодными лампами, используя микробные топливные элементы (МТЭ).

Теория предполагает, что с помощью электрохимии в почве можно генерировать до 3,2 Вт электроэнергии на квадратный метр. Но самый высокий уровень, достигнутый до сих пор на практике, составляет лишь 1/16 часть от этого показателя (220 мВт/м2). Учёные видят возможности повышения эффективности путём увеличения площади травяных газонов и фермерских земель и обогащения почвы специальными электрогенными бактериями. Особого внимания, по мнению биологов, заслуживают такие растительные культуры, как рис, томаты, душистый тростник, люпин (волчий боб) и водоросли – эти растения в процессе своей жизнедеятельности наиболее интенсивно производят электрохимию.

Никто не может с точностью сказать, сколько времени понадобится почвенной электроэнергии для того, чтобы встать в один ряд с нефтяными вышками и атомными электростанциями. Но хорошая новость в том, что не нужно ждать всемирной популяризации микробных топливных элементов, чтобы использовать их в повседневной жизни. Всегда найдутся энтузиасты, готовые приспособить малоизвестные технологии к потребностям большинства. Федерико Мерц и его стартап SOILUTION – яркий тому пример. Вдохновлённый исследованиями в области электрохимии, итальянец создал светильник, работающий исключительно на технологии МТЭ.

SOILUTION – это беспроводная настольная лампа в виде живого растения в горшке. Её работоспособность не зависит ни от проводов, ни от батареек. Лампа полностью автономна и самодостаточна благодаря микробному генератору энергии, спрятанному внутри её корпуса. Она может вырабатывать электрический ток до 50 мВт и зажигать маленькие светодиодные лампочки непосредственно в результате деятельности микробов, живущих в почве. 

В среде с низким уровнем кислорода процветают так называемые анаэробные бактерии. Когда они питаются, они теряют часть энергии, полученной в результате сложных биохимических реакций, необходимых для расщепления пищи. Микробный топливный элемент собирает эту энергию в виде электронов, помещает их в цепь и производит электрический ток. При этом растения, принимающие участие в МТЭ, не получают абсолютно никакого вреда.

SOILUTION состоит из двух частей: основного горшка, в котором находится растение, и небольшого ящика, где непосредственно располагается генератор энергии. Конструкция является более чем компактной. Размер всей лампы – 15 см в длину и ширину и 36 см в высоту, а вес – не более 1,5 кг.

Уход за SOILUTION очень прост. Микробные топливные элементы питаются водой и органическими материалами, которые фильтруют из почвы. Поэтому всё, что нужно делать – вовремя поливать растения и заботиться о дневном освещении для них. 

Внутри лампы можно разместить почти все растения, которые так популярны в домашнем садоводстве. Гиацинт, цикламен, бегония, фиалки или бархатцы – есть из чего выбирать. Можно даже засеять почву семенами однолетней зелени, например, базилика, салата или петрушки. Главное, чтобы растения, посаженные в лампу, нуждались во влажной среде, поэтому суккуленты, кактусовые и все, кто предпочитает сухую почву, для этой лампы не подойдут.

Простота конструкции SOILUTION наталкивает на мысль о том, что рано или поздно люди всех континентов обратят своё внимание на технологии МТЭ. Хочется верить, что это случится как можно скорее, потому что образ вновь позеленевшей планеты, освещенной светом растений, радует и вдохновляет.

Но сейчас, в ожидании светлого будущего, мы можем заняться изучением схемы с катодами и анодами, наведаться в цветочный магазин и попробовать самостоятельно собрать микробный генератор энергии.

Всем знакома картина с растянувшимся через всю комнату проводом от сетевого фильтра. И дело даже не столько в том, что сам пилот вмешивается в дизайн интерьера, сколько спотыкаться о провода крайне неприятное дело - высок риск испортить электроприбор или повредить фильтр.