Маломощный ветрогенератор из шагового двигателя: самодельное устройство из принтера

Создание ветрогенератора

Создание ветрогенератора не обязательно означает изготовление крупного и мощного комплекса, способного обеспечивать электроэнергией целый дом или группу потребителей. Можно изготовить небольшой ветряк, представляющий собой, по сути, действующую модель серьезной установки. Целью такого мероприятия может быть:

Ознакомление с основами ветроэнергетики.
Совместные обучающие занятия с детьми.
Экспериментальный образец, предваряющий строительство крупной установки.

Создание такого ветряка не потребует использования большого количества материалов или инструментов, можно обойтись подручными средствами. Рассчитывать на выработку серьезных объемов энергии не приходится, но для питания небольшого светильника на светодиодах может хватить. Основная проблема, существующая при создании небольших ветряков — это генератор. Его сложно создать самостоятельно, поскольку размеры устройства невелики. Проще всего использовать небольшой электродвигатель, позволяющий использовать его в режиме генератора.

↑ Богатство выбора

На сегодняшний день есть достаточно много различных микросхем и достаточно много уже готовых плат и модулей драйверов ШД. Можно купить готовый, а можно «изобретать велосипед», тут каждый решает по-своему.

Из готовых — наиболее распространённые и недорогие драйверы на микросхемах Allegro A4988 (до 2А), Texas Instruments DRV8825 (до 2,5А). Поскольку модули изначально разрабатывались для использования в 3D принтерах типа Rep-rap проекта Arduino, они не являются законченными модулями (например, им нужно еще питание логики (+5V), которое подается с так называемой рампы (Ramp).

Еще есть решения на DRV8811 (до 1,9 А), A3982 (до 2 А), A3977 (до 2,5 А), DRV8818 (до 2,5 А) DRV8825 (до 2,5 А), Toshiba TB6560 (до 3 А) и другие.

Поскольку мне интересно что-то сделать самому, плюс появилась возможность «попробовать на вкус» микросхемы Allegro A3982 и A3977, решил сделать пару драйверов самостоятельно.

Готовые решения на A4988 не понравились, прежде всего, из-за миниатюризации размеров печатной платы в ущерб хорошему охлаждению. Типовое сопротивление открытых транзисторов у A4388 при токе 1,5А 0,32+0,43 Ом, плюс 0,1-0,22 Ома «измерительный» резистор — получается около 0,85 Ом. А таких каналов два, и хотя и работают они импульсно, но 2-3 Ватта тепла надо рассеивать. Ну не верю я в многослойную плату и малюсенький радиатор охлаждения — в даташите нарисована плата гораздо больших размеров.

Провода мотора нужно сделать короткими, драйвер устанавливать рядом с двигателем. Существует 2 технических решения в звукотехнике: длинный сигнальный кабель к усилителю + короткие провода к акустической системе, или короткий сигнальный кабель к усилителю + длинные провода, а акустической системе. Оба решения имеют свои плюсы и минусы. С моторами — так же. Я выбрал длинные провода управления и короткие провода к мотору.

Управляющие сигналы — «шаг» (step), «направление» (dir), «включение» (enable), индикация состояния сигналов управления. Некоторые схемы не используют сигнал «Enable», но это приводит в режиме простоя к ненужному нагреву и микросхемы и двигателя.

Одно питание 12-24 вольта, источник питания логики (+5B) — на плате. Размеры платы — достаточные для хорошего охлаждения, двухсторонняя печать с большой областью «меди», возможность приклеить на микросхему радиатор (применяемой для охлаждения памяти видеокарт).

Самодельный ветряк на основе шагового двигателя

Чаще всего, при изготовлении маломощных ветрогенераторов используют шаговые электродвигатели. Особенность их конструкции состоит в наличии нескольких обмоток. Обычно, в зависимости от размера и назначения, изготавливают двигатели с 2, 4 или 8 обмотками (фазами). При подаче напряжения на них по очереди вал соответственно поворачивается на определенный угол (шаг).

Преимущество шаговых двигателей заключается в способности производить достаточно большой ток при низких скоростях вращения. На генератор из шагового двигателя можно установить крыльчатку без всяких промежуточных устройств — передач, редукторов и т.п. Выработка электроэнергии будет производиться с такой же эффективностью, как и на устройствах другой конструкции с использование повышающих передач.

Разница в скоростях весьма существенная — для получения такого же результата, например, на коллекторном двигателе, потребуется скорость вращения в 10 или 15 раз больше.

Считается, что с помощью генератора из шагового двигателя можно заряжать аккумуляторы или батареи мобильных телефонов, но на практике положительные результаты отмечаются крайне редко. В основном, получаются источники питания для небольших светильников.

К недостаткам шаговых двигателей можно отнести значительное усилие, необходимое для начала вращения. Это обстоятельство снижает чувствительность всей ветроустановки к слабым ветрам, что можно несколько скорректировать путем увеличения площади и размаха лопастей.

Отыскать такие двигатели можно в старых дисководах для гибких носителей, в сканерах или принтерах. Как вариант, можно приобрести новый двигатель, если в запасе нужного устройства не окажется. Для большего эффекта следует выбирать более крупные двигатели, они способны выдавать достаточно большое напряжение, чтобы его можно было как-то использовать.

Содержание / Contents

1 Привод
2 Двигатель (мотор)
3 Выбираем шаговый двигатель
4 Драйвер шагового двигателя
5 Богатство выбора
6 Драйвер ШД на микросхеме Allegro A3982
7 Драйвер ШД на микросхеме Allegro A3977
8 Схема и прототип
9 Печатная плата
10 Работа
11 Файлы

Сразу оговорюсь — все, что здесь далее написано, лишь мои личные выводы и не претендует на абсолютную истину. Истина рождается в споре, так что если уважаемые читатели в чем-то со мной не согласны, давайте это обсудим!

Задача построения станка обычно сводится к трем подзадачам — механика, электроника, программное обеспечение. Видимо и статьи придется писать тоже три. Поскольку у нас журнал всё-таки практической электроники, начну с электроники и чуть-чуть с механики!

Ветрогенератор из деталей от принтера

Один из подходящих вариантов — использование шагового двигателя от принтера. Его можно извлечь из вышедшего из строя старого устройства, в каждом принтере как минимум два таких двигателя. Как вариант, можно приобрести новый, не бывший в эксплуатации. Он способен вырабатывать мощность около 3 ватт даже при слабом ветре, типичном для большинства регионов России. Напряжение, которое может быть достигнуто, составляет 12 и более В, что позволяет рассматривать устройство как возможность зарядки аккумуляторов.

Шаговый двигатель выдает переменное напряжение. Для пользователя необходимо прежде всего выпрямить его. Потребуется создать диодный выпрямитель, для чего потребуется по 2 диода на каждую катушку. Можно и напрямую подключить светодиод к выводам катушки, при достаточной скорости вращения этого хватит.

Крыльчатку ротора проще всего установить прямо на вал двигателя. Для этого надо изготовить центральную часть, способную плотно усаживаться на вал. Доя усиления фиксации крыльчатки необходимо просверлить отверстие и нарезать в нем резьбу. Впоследствии в него буде завинчиваться стопорный винт.

Для изготовления лопастей обычно используют полипропиленовые канализационные трубы или иные подходящие материалы. Главным условием является малый вес и достаточная прочность, поскольку лопасти иногда набирают вполне приличную скорость. Использование ненадежных материалов может создать нежелательную ситуацию, когда крыльчатка разваливается на ходу.

Лопасти

Обычно изготавливают по 2 лопасти, но можно сделать и большее количество. Необходимо помнить, что большая площадь лопастей повышает КИЭВ ветряка, но параллельно с этим увеличивается фронтальная нагрузка на крыльчатку, передающаяся валу двигателя. Изготовление маленьких лопастей также не рекомендуется, поскольку они не смогут преодолеть залипание вала при старте вращения.

Для возможности вращения ветряка вокруг вертикальной оси надо сделать специальный узел. Сложность в этом заключается в необходимости обеспечить неподвижность кабеля, идущего от генератора. Поскольку устройство имеет, скорее, декоративное назначение, обычно подходят к вопросу проще — устанавливают потребитель прямо на корпусе генератора, исключая присутствие длинного кабеля. В противном случае придется монтировать систему наподобие щеточного коллектора, что нерационально и требует большого количества времени.

Читать еще: Шуршит двигатель 2106 что это такое

Мачта

Собранный ветряк необходимо установить на мачту высотой как минимум 3 метра. Потоки ветра у поверхности земли имеют нестабильное направление, вызванное турбулентностью. Подъем на некоторую высоту поможет получить более равномерные потоки. Для самостоятельной установки на ветер по оси вращения устанавливают хвостовой стабилизатор, играющий роль флюгера. Он делается из любого куска пластмассы, алюминиевой пластинки или иного подручного материала.

↑ Привод

Нужно двигать собственно фрезер в 3-х направлениях — XYZ, значит нужно 3 привода — 3 мотора с передачей вращения вала двигателя в линейное перемещение. О передаче… Для фрезерного станка, где есть боковые усилия резания материала, желательно не применять ременные передачи, очень популярные в 3D принтерах. Буду применять передачу «винт-гайка». Самая бюджетная передача — обычный стальной винт и безлюфтовая, желательно бронзовая, гайка. Более правильная — винт с трапециевидной резьбой и гайка из капролона. Самая хорошая (и, увы, самая дорогая) шарико-винтовая пара, или ШВП. Об этом подробнее я еще расскажу далее… У каждой передачи есть свой коэффициент, свой шаг — то есть насколько линейно по оси переместится фрезер за один оборот двигателя, например, на 4 мм.

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.

Принципы использования

Характерная для российского климата турбулентность ветра в приземных слоях приводит к постоянным изменениям его направления и интенсивности. Ветрогенераторы больших размеров, мощность которых превышает 1 Квт будут инерционными. В результате они не успеют полностью раскрутиться при смене направления ветра. Этому также мешает момент инерции в плоскости вращения. Когда боковой ветер действует на работающий ветряк, он испытывает огромные нагрузки, которые могут привести к его быстрому выходу из строя.

Целесообразно применять ветрогенератор малой мощности, изготовленный своими руками, имеющий незначительную инерционность. С их помощью можно заряжать маломощные аккумуляторы мобильных телефонов или использовать для освещения дачи светодиодами.

В дальнейшем лучше ориентироваться на потребителей, нетребующих преобразования вырабатываемой энергии, например, для подогрева воды. Нескольких десятков ватт энергии вполне может хватить для поддерживания температуры горячей воды или для дополнительного подогрева системы отопления, чтобы она не перемерзала зимой.

Ветрогенератор из двигателя постоянного тока

Для питания изготовленной аккумуляторной светодиодной лампы, описание которой приведено на сайте, был изготовлен и используется по настоящее время, ветрогенератор на базе двигателя постоянного тока (24v / 0,7A) на постоянных магнитах. Ветрогенератор, при средних погодных условиях, в зависимости от скорости ветра, обеспечивает выходное напряжение величиной от 0,8 до 6,0 вольт и ток до 200 ма. В дальнейшем, стабилизированный преобразователь напряжения преобразует это выходное напряжение постоянного тока от ветрогенератора в необходимое напряжение постоянного тока, достаточное для заряда аккумуляторной батареи или питания необходимой нагрузки.

Предлагаемый ветрогенератор прост в изготовлении, не требует точных расчетов и изготовления сложных деталей, приобретения дорогостоящих комплектующих. Такому ветрогенератору, кроме варианта рассмотренного в указанной выше статье, возможно найти и другое применение. Используем его там, где может понадобиться небольшое количество электроэнергии для питания маломощного устройства. Например, для работы компактной метеостанции, контроля уровня воды в баке, для дежурного освещения и управления автоматикой теплицы. В течение суток, при наличии ветра, аккумулятор устройства с запасом получает даровую энергию ветра, а в нужное время отдает ее потребителю по мере необходимости. Конечно, попадающая к нам энергия ветра не велика, но она приходит к нам практически постоянно. А если изготовить устройство для ее накопления и использования своими руками, из подручных материалов, то эта энергия и бесплатна, а устройство, кроме того, будет экономным, компактным, мобильным и энергонезависимым.

В этой статье предлагается изготовить ветрогенератор из двигателя постоянного тока.

Изготовление ветрогенератора.

1. Выбор электрогенератора.
Для применения в качестве маломощного электрогенератора для устройства, можно использовать без переделок готовый шаговый двигатель. Для максимальной отдачи, при возможности выбора, желательно использовать двигатель с минимально возможным залипанием вала и с максимально большим числом шагов на один оборот. Возможен вариант переделки электродвигателя или стартера в генератор. Различные варианты переделки описаны в интернете.

В нашем случае, был выбран наиболее простой вариант. В качестве электрогенератора используем двигатель постоянного тока (24v / 0,7A) на постоянных магнитах, не требующий доработок. Он обладает свойством обратимости – при вращении его вала, на контактах двигателя появляется напряжение. Данный электродвигатель был извлечен из морально устаревшей счетной машинки.

2. Выбор конструкции пропеллера.
В первом варианте конструкции ветрогенератора, для упрощения изготовления, за основу пропеллера был взят пластмассовый пропеллер, с подходящим посадочным диаметром, от промышленного вентилятора. Для повышения крутящего момента на валу генератора, длина его лопастей была добавлена тонкостенными металлическими накладками с профилем, приближенным к оригиналу.

Однако такая конструкция пропеллера потерпела неудачу. При сильном ветре, из-за малой жесткости пластмассового пропеллера, металлические накладки лопастей отклонялись назад и ударялись о стойку конструкции, что в итоге окончилось поломкой.

При отработке первого варианта определился с конструкцией технологичного профиля лопастей и их длиной. Эти параметры пропеллера влияют на его чувствительность к слабому ветру, а он преобладает. Необходимо, чтобы при небольшом ветре, пропеллер смог преодолеть залипание вала (притяжение магнитов статора) и начать вращение.

3. Изготовление пропеллера. Подбираем или изготовляем ступицу для установки и крепления лопастей пропеллера.
В нашем случае она представляет собой алюминиевый фланец (толщиной 4 мм, наружный диаметр 50 мм) с осевым отверстием по диаметру выходного вала двигателя (8 мм – на валу запрессована зубчатая шестерня, длиной 10 мм) и четырьмя равномерно расположенными отверстиями М4 для крепления лопастей. Для закрепления ступицы на валу, устанавливаем в ней один или два винта М4 (см. фото).

4. Изготовление лопастей пропеллера.
Из оцинкованного листа толщиной 0,4-0,5 мм вырезаем 4 заготовки в форме равнобедренной трапеции: высота 250 мм, основание 50 мм, верхняя сторона 20 мм. Вдоль высоты трапеции сгибаем лопасти пополам (создание ребра жесткости) на угол 45 градусов (см. фото). Притупляем острые кромки и углы (для своей безопасности).

5. Установка и крепление лопастей пропеллера.
Располагаем лопасть на ступице так, чтобы точка сгиба на основании находилась над осью ступицы, а прилежащая половина основания — над крепежным отверстием ступицы (см. фото). Размечаем и сверлим в лопасти отверстие под соседний крепежный винт, диаметром 4,2 мм. Поочередно закрепляем винтами лопасти пропеллера.

6. Балансировка пропеллера.
Выполняем статическую балансировку пропеллера. Для чего устанавливаем и закрепляем пропеллер на калиброванный (шлифованный) пруток, диаметром равным диаметру выходного вала двигателя. Укладываем пруток с пропеллером на две горизонтально выверенные по уровню линейки (лекальные поверхности), расположенные по концам прутка. При этом пропеллер повернется и одна из лопастей опустится вниз. Повернем пропеллер на четверть оборота и если та же лопасть, вновь опустилась вниз, ее необходимо облегчить, отрезав узкую полоску металла с бока лопасти. Повторяем аналогичную операцию до тех пор, пока пруток с пропеллером не перестанет поворачиваться после установки в любое произвольное положение.

Читать еще: Шкода фабия диагностика двигателя своими руками

7. Изготовление флюгерной части ветрогенератора.
Отрезаем алюминиевый угольник 20 х 20 мм на длину 250 мм. С одной стороны угольника, на один-два винта (заклепки) устанавливаем вертикальный стабилизатор направления на ветер.

С другой стороны угольника, устанавливаем и закрепляем на два винта хомут для крепления двигателя – генератора. Хомут и стабилизатор изготовлены также из оцинкованного листа толщиной 0,4-0,5 мм (возможны варианты применяемого антикоррозионного материала). Длина хомута равна длине двигателя. Длина стабилизатора примерно 200 мм, форма на вкус изготовителя.

На нижней полке угольника, посередине расположения хомута, жестко закрепить стержень (желательно предусмотреть его антикоррозионную защиту) для установки конструкции в трубе стойки ветрогенератора. Лучшим вариантом определения точки расположения этого стержня, это определение центра тяжести предварительно и полностью собранной конструкции, с последующим сверлением там отверстия для крепления стержня.

8. Сборка ветрогенератора.
Устанавливаем двигатель – генератор на место и закрепляем его хомутом. На выходной вал двигателя закрепляем винтами пропеллер. Для защиты генератора от атмосферных осадков, из подходящего по размерам пластмассового флакона вырезаем и устанавливаем на место защитное ограждение. Крепим его винтом.

9. Отладка ветрогенератора.
Предварительно устанавливаем собранный ветрогенератор на открытое место навстречу ветру. Формируем переменный профиль лопастей. Подгибаем отогнутую часть лопастей так, чтобы на концах лопастей (узкая часть) величина отгиба составляла 10…15 градусов (минимальное сопротивление о воздух при максимальной окружной скорости на лопасти). К центру пропеллера, величина отгиба на лопасти изменяется до 30…45 градусов. При увеличении угла отгиба, повышается чувствительность ветрогенератора к ветру, но из-за увеличения сопротивления снижаются обороты генератора, что ведет к снижению выходных характеристик. Поэтому, изменяя угол отгиба лопастей подбираем на ветру оптимальный профиль.

10. Установка ветрогенератора.
Для установки ветрогенератора, из трубы (водопроводной) изготавливается стойка необходимой высоты (желательно выше окружающих деревьев) и закрепляется на объекте. Установочный стержень ветрогенератора должен свободно вращаться в трубе стойки. Перед установкой, на стержень ветрогенератора последовательно надеваются – промежуточная шайба для облегчения поворота, спиральная пружина для сглаживания остаточного дисбаланса пропеллера, защитная шайба для снижения попадания осадков в трубу стойки (в данной конструкции установлена гайка подходящих размеров).

Провод от генератора закрепляется от обрыва контактов механически, спускается по стойке с запасом по длине на возможное закручивание вокруг стойки и обязательную петлю для стекания капель от осадков перед входом к потребителю.

Шаговый двигатель от принтера как ветрогенератор

Самодельный ветрогенератор из мотора от принтера

Простейший маломощный ветрогенератор можно собрать из старого принтера (или любой другой техники, содержащей шаговый двигатель).

Для создания ветрогенератора потребуюся:

старый принтер (или сканер);
выпрямляющие диоды (в проекте использовано 8 диодов 1N4007);
конденсатор 1000 мкФ;
регулятор напряжения LM7805;
труба ПВХ;
пластиковые детали (см. ниже);
алюминиевые пластины (можно использовать любые другие).

Извлекаем из принтера шаговый двигатель.

Сначала соберём выпрямитель. Для каждой фазы двигателя (он четырёхфазный) нам понадобится 2 диода, т.е. всего 8 диодов. Выходное напряжение будет стабилизировано с помощью конденсатора емкостью в 1000мкФ и регулятора напряжения LM7805.

Наш ветрогенератор может свободно вырабатывать напряжение и более 5 вольт, однако для зарядки аккумуляторных батарей мобильных устройств, нам будет достаточно 5В.

Следующий шаг — вырезание лопастей из ПВХ трубы и крепление их к валу ветрогенератора.

Для того, чтобы ветрогенератор сам выстраивался по ветру, сделайте ему хвост из куска пластика (стеклопластика или ему подобных материалов).

Всё. Вы сделали ветрогенератор своими руками.

Ветрогенератор из шагового двигателя принтера. Презентация

Новые аудиокурсы повышения квалификации для педагогов

Слушайте учебный материал в удобное для Вас время в любом месте

откроется в новом окне

Выдаем Удостоверение установленного образца:

Описание презентации по отдельным слайдам:

Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа с. Свищёвки им. П.И. Мацыгина Белинского района Пензенской области Научно-практическая конференция «Старт в науку» Тема: «Ветрогенератор из шагового двигателя принтера.» Выполнил: обучающийся 8класса Стёпушкин Иван Руководитель: Новиков М.Н., учитель физики с. Свищёвка, 2016

Обоснование темы проекта Мы живём в разных населённых пунктах Белинского и Каменского районов. Но проблемы у людей, проживающих там, общие. Одна из которых- проблема электроснабжения. Читая публикации в газетах разного уровня, пришли к выводу, что эта проблема беспокоит почти все сельские населения и не только Пензенской области. Я решил подробно изучить данный вопрос, и вот что я выяснил. Актуальность В сельском хозяйстве, в жилищно-коммунальном секторе расходуется большое количество электричества на поение животных и птицы, уход за ними, приготовления кормов, мойку доильной аппаратуры, посуды вследствие переработки продукции животноводства, полив приусадебных участков и на другие цели. Электрификация и автоматизация объектов сельского хозяйства облегчает труд человека и повышают его производительность Практическая значимость проекта В сёлах Пензенской области и других населённых пунктах за последние 20 лет значительные изменения в быту и общественном устройстве; происходит урбанизация населения. Поэтому в малонаселённых пунктах системы электроснабжения относятся к потребителям III категории, в их работе наблюдаются перерывы , связанные с ремонтом линий электропередач, их отдалённостью от РЭС. Вследствие этого надёжность электроснабжения выступает на первый план. Цель моего исследования — найти автономный (альтернативный) источник электричества, который мог бы поддержать некоторые объекты в работоспособном состоянии. на период отсутствия электроэнергии в сети, сделать расчёт, построить действующую модель.

История энергетики Первое- это история энергетики и еёэволюционное развитие. Ветряныемельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в 13-м веке принесены вЕвропукрестоносцами. До создания паровой машины Уатта-Ползунова существовали следующие основные источники механической энергии : ветер, тягловые животные и вода, а после открытия Майклом Фарадеем в 1831 годуявления электромагнитной индукции, — наступил век пара и электричества. После этого мир энергии разделился на так «называемую» традиционную и нетрадиционную (альтернативную) энергетику. Второе-сделал анализ этих двух видов энергии.

Основные источники энергии . Характерные черты электроэнергетики давняя и хорошая освоенность экологическая чистота чрезвычайно большие затраты на капитальное строительство

Минусы традиционной энергетики При строительстве крупных ТЭС или их комплексов загрязнение еще более значительно. В водохранилищах ГЭС развиваются сине-зеленые водоросли, что приводит к ухудшению качества воды, нарушает функционирование экосистем, происходит затопление плодородных земель, изменяется уровень подземных вод. АЭС не вырабатывают углекислого газа, объем других загрязнений атмосферы по сравнению с ТЭС также мал. Процесс безопасной эксплуатации АЭС дорогостоящий и еще не решен. Вывод: так как ядерный реактор недоступен, рядом нет реки, паровая турбина- вещь проблемная, остаются тепловые двигатели. Заводской бензогенератор относительно дорог , да его использование не является нашей целью.

Плюсы и минусы альтернативной энергетики Большим плюсом отсутствие потребности в привозном топливе, так как по сути возобновляемая энергия используется «на месте». Но из этой особенности вытекают и три главных недостатка альтернативной энергетики: 1.низкая плотность источника энергии; 2. неравномерность поступления энергии по территории Земли; 3.неравномерность поступления энергии по времени. Справка Самой большой солнечной электростанцией в России считается «Каспийская», проектная мощность которой оценивается в 5 МВт. (Дагестан) Помимо энергии солнца используется и сила ветра, в частности, Куликовская (Зеленоградская) ВЭС, построенная в Калининградской области, имеет мощность 1 МВт и состоит из 21 ветрогенератора.

Ресурсы ветроэнергетики в Российской Федерации Для справки: Россия имеет самый большой в мире ветровой потенциал, ресурсы ее ветровой энергии определены в 10,7 ГВт. В целом технический потенциал ветровой энергии России оценивается более чем в 50 000 млрд. кВтч/год, экономический потенциал составляет 260 млрд. кВт*ч/год, т.е. около 30% производства электроэнергии всеми электростанциями страны. Реализованы эти возможности незначительно. На сегодня в России насчитывается около 13 МВт установленной мощности (0,1 % всей мощности в стране ).

Выбор источника альтернативной энергии В нашей зоне (Приволжский Федеральный округ) источниками альтернативной энергии являются: а) ветроэнергетика (ВЭС) б) гелиоэнергетика (СЭС) Так как географическое положение Пензенской области не позволяет использовать солнечную энергию в полной мере (отдаленность от экватора, малым числом солнечных дней в году и т.д.), остановим свой выбор на ветроэнергетических установках (ВЭУ) Основные направления генерации электроэнергии из энергии ветра

Типы ветровых установок. Два вида, два соперника По конструкции существуют ветрогенераторы двух видов (по расположению вала вращения к поверхности земли) : а) вертикальные Ветросиловые установки (ВСУ) с вертикальной осью вращения имеют неоспоримое для быта преимущество: их узлы, требующие обслуживания, сосредоточены внизу и не нужен подъем наверх. Самый простейший, чаще всего называемый ротором Савониуса.В начале октября 1924 года русские изобретатели братья Я. А. и А. А. Воронины получили советский патент на поперечную роторную турбину, в следующем году финский промышленник Сигурд Савониус организовал массовое производство подобных турбин. За нам и осталась слава изобретателя этой новинки. Главный его (ротора)недостаток – низкое использование ветровой энергии. Объясняется это тем, что лопасти-полуцилиндры работают только в четверть оборота, а остальную часть окружности вращения они как бы тормозят своим движением скорость вращения. Расчёты показали, что при этом используется лишь третья часть ветровой энергии.

б)горизонтальные Достоинства горизонтальных – более высокий КПД по сравнению со своими вертикальными соперниками. Недостаток: необходимость устройства флюгера для постоянного поиска направления ветра Главное достоинство однолопастных – высокие обороты вращения. У них вместо второй лопасти установлен противовес, мало влияющий на сопротивляемость движению воздуха, что даёт возможность использовать их для генераторов с высокими оборотами вращения. А это позволяет уменьшить массу и габариты всей установки. Двухлопастные ВЭУ мало чем отличаются по мощности с однолопастными и рассматривать их более подробно не имеет смысла. Трёхлопастные горизонтальные ветряки – самые распространённые на рынках сбыта. Их мощность на выходе может достигать семи мегаватт. Вывод: Из рассмотренных выше типов я выбрал трёхлопастной «ветряк» с горизонтальной осью вращения, решил рассчитать и сделать модель ветрогенератора.

Расчёт мощности ветродвигателя Кинетическая энергия Е k воздушного потока (ветра) преобразуется в потенциальную энергию давления Еp. Рабочее колесо (вентилятора) вследствие силы, действующей на лопасти, начинает вращаться, преобразуя потенциальную энергию давления в кинетическую энергию вращательного движения. Вычислим эту энергию: Ек=m*v2/2 (ф1), m=þ*V (ф2) V= S*v (ф3) S= П*R2 (ф4) Подставляя в (ф1) из ф2,ф3 , ф4 имеем: Ек=П*R*2*p*v3/2 Тогда ЕК=3,14*0,22*1,29*83/2=41,49(кг*м2/с2)=41,49(кг*м/с2*м) =41,49 (Н*м)=41,49 (Дж) Рассчитаем теперь мощность воздушного потока: N=A/t (Ф4) A= Ek , t=1 c

Расчёт мощности ветродвигателя (продолжение) Работа , совершённая воздушным потоком, через площадь круга S=ПR2, равна кинетической энергии Ек за время t=1с N= 41,49 Дж/с=41,49 Вт, т.е. полная мощность воздушного потока равна с округлением 41 Вт. Рассчитаем полезную мощность на валу рабочей машины: Nполез = N пол * ή1* ή2, (Ф5) ή2=0,25- КПД вентилятора ή1=0,9- КПД рабочей машины Тогда Nполез= 41*0,25*0,9= 9,22(Вт)

Механическая часть. Описание. Расчёт Описание устройства- трёхлопастного «ветряка» с горизонтальной осью вращения. — 1-рама, 2-цилиндрический корпус, 3-рабочее колесо, 4- флюгер – стабилизатор 5- вертикальная стойка, 6-ось, 7- опорно –радиальный подшипник, 8, 9 – гайки, 10 — сальник, 11- шаговый двигатель, 12- крышка, 13 — кронштейн

Порядок сборки На раму с помощью винтов крепится корпус , в который помещён шаговый двигатель. С левого торца двигатель защищён сальником и крышкой . На вал двигателя установлен винт , который закреплён гайкой .На раме с помощью кронштейна установлен стабилизатор , Снизу рамы перпендикулярно поверхности установлена стойка с подшипником и осью, которая крепится к раме при помощи гайки .

Электрическая часть Расчёт ЭДС и выбор деталей . Принцип работы генератора Пятое: Возник вопрос –какой нам нужен генератор? Обратимся к теории. Преобразование механической энергии в электрическую основана на явлении электромагнитной индукции. Постоянный магнит с индукцией В создаёт в пространстве магнитный поток Ф и через площадь ограниченную контуром площадью S он определяется: Ф=В* S При вращении магнита в плоскости, перпедикулярной плоскости катушек он ( Магнитный поток) периодически изменяется , принимая значение от нуля до Ф max Ф= B*S* cos α где Ф – изменение магнитного потока ,Вб В- индукция магнитного поля, Тл S-площадь контура,м2 а- угол между вектором магнитной индукции В и нормалью(перпендикуляром) к контуру катушки, град

Расчёт ЭДС и выбор деталей ( продолжение) При изменении магнитного потока Ф в катушках статора возникает ЭДС ( электродвижущая сила) индукции: E = Ф / t где Е -ЭДС индукции, В t- время , за которое произошло изменение магнитного потока,с Ф – изменение магнитного потока, Вб Угловая скорость определяется : w=@/t Откуда следует @= w*t @- угол поворота в радианах t-время, с w-угловая скорость, радиан/с Тогда Э ДС E= B*S*sinwt*w w= 2П/Т, Т=1/v, Тогда имеем E= B*S*sin 2Пvt*2Пv= 2П* B*S*v sin2Пv t Из формулы и графика легко увидеть , что Е max прямо пропорциональна частоте вращения ветродвигателя. Вывод: Из расчётов видно, что нам нужен тихоходный генератор. Заводские автомобильные и тракторные не подходят, так как для них нужны обороты порядка 2000-3000 оборотов в минуту.

Устройство и электрическая схема рабочей машины ( генератора) Пятое: Так как ветровое колесо хоть и обладает высокими оборотами, но они недостаточны ,для нормальной работы промышленных генераторов. Выбор пал на шаговый двигатель принтера 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 некоторые устройства.

Выбор нагрузки и схема подключения к ней При появлении индукционного тока(переменного), он поступает на диодные мосты D1-D4 D5-D8 каждой из обмоток . После выпрямления пульсирующий постоянный ток поступает на блок электролитических конденсаторов С1-С2,С3-С4, (где он «сглаживается» ) и на стабилизатор S1. S2. Стабилизатор устанавливает значение напряжения в пределах 5-6 вольт. Нагрузками стабилизаторами являются светодиоды D9. D10. При малой силе ветра выключатель B1 находится в положение «Выкл», при модернизации выключатель В1 можно заменить электронным ключом, который будет находиться в пол. «Вкл» при увеличении напряжения в обмотке L1 сверх некоторого значения. Между точками 4-5 можно установить аккумулятор G1 на 4 вольт, а разрыв цепи между точками 4-6 фотовыключать В2 , задачей которого — включение светодиода D9 в тёмное время суток и отключение днём.

голоса

Рейтинг статьи

Оценка статьи:

Загрузка...