Ветрогенератор: защита от сильного ветра своими руками

Увеличение интереса пользователей к альтернативным источникам электроэнергии вполне объяснимо. Отсутствие возможностей для подключения к централизованным сетям вынуждает использовать другие методы обеспечения жилья или временных пунктов проживания электроэнергией. Доля самодельных устройств постоянно возрастает, так как приобретение промышленного образца — дело весьма затратное и всегда достаточно эффективное.

Мнение эксперта
Эксперт Energo.House Фомин О. А.
Горный инженер, строитель.
При создании ветряка следует учитывать возможность шквальных порывов ветра и принимать соответствующие меры предохранения конструкции от них.

Для чего нужна защита от сильного ветра?

Работа ветрогенератора рассчитана на определенную силу ветра. Обычно во внимание принимаются средние показатели, типичные для данного региона. Но при усилении ветрового потока до критических значений, что иногда случается в любой местности, возникает риск выхода устройства из строя, а в некоторых случаях — полного разрушения.

Промышленные образцы ветряков оборудованы защитой от подобных перегрузок либо по току (при превышении допустимого значения напряжения срабатывает электромагнитный тормоз), либо по скорости вращения (механический тормоз). Самодельные конструкции также необходимо снабжать подобными приспособлениями.

Рабочие колеса, особенно снабженные массивными большими лопастями, при больших скоростях вращения начинают действовать по принципу гироскопа и сохраняют плоскость вращения. В таких условиях хвост не может выполнять свою работу и ориентировать устройство по оси потока, что приводит к поломкам. Такое возможно даже если скорость ветра не слишком велика. Поэтому приспособление, замедляющее ход рабочего колеса, является необходимым элементом конструкции.

Возможно ли изготовление приспособления своими руками?

Изготовление приспособления вполне возможно. Мало того, это является абсолютной необходимостью. Тормозное устройство должно быть предусмотрено еще на стадии проектирования ветряка. Параметры работы приспособления необходимо как можно тщательнее рассчитать, чтобы его возможности не оказались слишком низкими по сравнению с реальными потребностями конструкции.

Прежде всего надо выбрать способ реализации тормозного устройства. Обычно для таких конструкций используются простые и безотказные механические приспособления, но могут быть созданы и электромагнитные образцы. Выбор зависит от того, какие ветра преобладают в регионе и какова конструкция самого ветряка.

Самый простой вариант — изменение направления оси ротора, производимое вручную. Для этого потребуется лишь установить шарнир, но необходимость выходить при сильном ветре на улицу — не самое лучшее решение. Кроме того, не всегда имеется возможность ручной остановки, так как в этот момент можно находиться далеко от дома.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:  Особенности ветроэнергетических установок: достоинства и недостатки оборудования

Принцип действия

Существует несколько механических способов торможения рабочего колеса. Наиболее распространенными вариантами для горизонтальных конструкций ветряка являются:

  • увод ротора от ветра при помощи боковой лопасти (остановка методом складывающегося хвоста);
  • торможение ротора с помощью боковой лопасти.

Вертикальные конструкции обычно тормозятся при помощи грузов, навешанных на внешних точках лопастей. При увеличении скорости вращения они под действием центробежной силы начинают давить на лопасти, вынуждая их складываться или разворачиваться боком к ветру, отчего скорость вращения снижается.

Мнение эксперта
Эксперт Energo.House Фомин О. А.
Горный инженер, строитель.
Внимание! Такой способ торможения прост и наиболее эффективен, позволяет регулировать скорость вращения рабочего колеса, но применим только для вертикальных конструкций.

Метод защиты складыванием хвоста

Приспособление, осуществляющее увод от ветра складыванием хвоста, позволяет плавно и достаточно гибко регулировать скорость вращения ротора. Принцип действия такой системы заключается в использовании бокового рычага, установленного в горизонтальной плоскости перпендикулярно оси вращения. Вращающееся рабочее колесо и рычаг соединены жестко, а хвост прикрепляется через подпружиненное шарнирное соединение, действующее в горизонтальной плоскости.

При номинальных значениях силы ветра боковой рычаг не способен уводить ротор в сторону, так как хвост направляет его по ветру. При усилении ветра давление на боковую лопасть увеличивается и превышает усилие пружины. При этом ось ротора отворачивается от ветра, воздействие на лопасти снижается и ротор замедляется.

Другие способы

Второй способ механического торможения близок по конструкции, но боковая лопасть действует иначе — при усилении ветра начинает через специальные колодки давить на ось ротора, замедляя его вращение. При этом, ротор и хвост устанавливаются на одном валу, а шарнирное соединение с пружиной применено на боковом рычаге.

При нормальных скоростях ветра пружина удерживает рычаг перпендикулярно оси, при усилении он начинает отклоняться в сторону хвоста, прижимая к оси тормозные колодки и тормозя вращение. Такой вариант хорош при небольших размерах лопастей, поскольку усилие, прилагаемое к валу для его остановки, должно быть довольно большим. На практике этот вариант используется только при относительно невысоких скоростях ветра, при шквальных порывах метод малоэффективен.

Помимо механических приспособлений широко используются электромагнитные. При возрастании напряжения начинает срабатывать реле, притягивающее к валу тормозные колодки.

Другим вариантом, который может быть использован для защиты, является размыкание контура при возникновении слишком высокого напряжения.

Мнение эксперта
Эксперт Energo.House Фомин О. А.
Горный инженер, строитель.
Внимание! Некоторые способы осуществляют лишь защиту электрической части комплекса, не воздействуя на механические элементы конструкции. Такие методы не способны обеспечить целостность ветряка в случае внезапных шквальных ветров и могут использоваться лишь как дополнительные меры, действующие в паре с механическими приспособлениями.

Схема и чертежи защиты

Для более наглядного представления о принципе действия тормозного приспособления рассмотрим кинематическую схему.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:  Применение энергии ветра: виды, история использования и современные способы производства

На рисунке видно, что пружина в нормальном состоянии удерживает вращающийся узел и хвост на одной оси. Усилие, создаваемое потоком ветра, преодолевает сопротивление пружины при повышении скорости и понемногу начинает изменять направление оси ротора, давление ветра на лопасти снижается, из-за чего скорость вращения падает.

Эта схема является наиболее распространенной и эффективной. Она проста в исполнении, позволяет создать приспособление из подручных материалов. Кроме того, настройка этого тормоза проста и сводится к подбору пружины или настройке ее усилия.

Мнение эксперта
Эксперт Energo.House Фомин О. А.
Горный инженер, строитель.
Внимание! Максимальный угол поворота ротора не рекомендуется делать больше 40-45°. Большие углы способствуют полной остановке ветряка, который после этого с трудом запускается при неровных шквалистых ветрах.

Порядок расчета

Расчет тормозного устройства довольно сложен. Для него понадобятся различные данные, найти которые непросто. Неподготовленному человеку произвести такой расчет сложно, велика вероятность ошибок.

Тем не менее, если самостоятельный расчет по каким-либо причинам необходим, можно воспользоваться формулой:

P x S x V2 = (m x g x h) x sinα, где:

  • P — усилие, прилагаемое к винту потоком ветра,
  • S — площадь лопастей винта,
  • V — скорость ветра,
  • m — масса,
  • g — ускорение свободного падения (9,8),
  • h — расстояние от шарнира до точки крепления пружины,
  • sinα — угол наклона хвоста относительно оси вращения.

Следует учитывать, что значения, полученные при самостоятельных расчетах, требуют правильной интерпретации и полного понимания физической сути процесса, происходящего при вращении. В данном случае расчеты не будут достаточно корректными, поскольку не будут учтены тонкие эффекты, сопутствующие функционированию ветряка. Тем не менее, значения, вычисленные таким образом, смогут дать порядок величин, необходимый для изготовления устройства.

Процесс создания ветрогенератора сопровождается массой расходов и требует множества разнообразных действий, что само по себе вынуждает максимально защищать конструкцию от возможности разрушения. Если появляется заранее предвидимая опасность разрушения или выхода из строя комплекса, то пренебрегать созданием и применением защитных устройств не следует ни в коем случае.

Рейтинг автора
Автор статьи
Фомин Олег Александрович
Горный инженер, строитель.
Написано статей
87
Помогла статья? Оцените её
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (4 оценок, среднее: 4,00 из 5)
Загрузка...
ВК

Подписывайтесь на нашу группу Вконтакте!

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:  Как работает и для чего нужен ветрогенератор: разновидности, конструкция и выбор оборудования