Малая ветроэлектростанция

DjVu

      В. Г. РАЗУМОВСКИЙ, заведующий энергетической лабораторией Центральной станции юных техников.
      Энергия ветра — кинетическая энергия масс воздуха, которые приходят в движение вследствие неравномерности нагрева поверхности нашей планеты лучами Солнца. Эта энергия обладает двумя замечательными качествами: она очень дешева и её можно использовать почти в любой точке земного шара.
      До изобретения паровой машины ветер был основной двигательной силой. Ещё в древнейшие времена человек применил силу ветра для передвижения по воде. На протяжении многих веков парус помогал людям плавать по морям, рекам и озёрам.
      Несколько позже человек научился использовать силу давления ветра на поверхность для получения не прямолинейного, а вращательного движения. Он создал одну из первых машин вращательного движения — ветряной двигатель.
      Примитивные ветродвигатели использовались в Китае и Японии несколько тысячелетий тому назад. В Египте сохранились остатки ветряных мельниц, построенных до нашей эры. В Европе первые ветродвигатели появились в 718 году.
      Современные ветродвигатели значительно усовершенствованы. Их можно разделить на два типа — быстроходные (наиболее совершенные) и тихоходные. Первые полнее используют энергию ветра, развивая значительную мощность при небольших размерах; вторые — менее мощны, но просты в изготовлении, а главное — начинают работать при малой скорости ветра (около 2 метров в секунду). В этом их преимущество.
      Мы предлагаем очень простую конструкцию тихоходного ветродвигателя, который приводит в действие велодинамо. Эта конструкция разработана в энергетической лаборатории Центральной станции юных техников; опытный образец установки построен в 1956I57 учебном году Евгенией Софроновой (259-я школа), Владимиром Галаховым (204-я школа) и Виктором Ивлиевым (329-я школа). Установка испытана в лаборатории с помощью аэродинамической трубы и показала хорошие результаты. Мощность установки при скорости ветра 8 м!сек составляет примерно 3 ватта. Этого достаточно для освещения рабочего места школьника или небольшой палатки в туристском путешествии.
      О Разумеется, для питания радиоприёмника или для освещения целой квартиры эта установка не подходит: она слишком слаба. Зато она очень несложна, а необходимое для неё велодинамо легко приобрести в магазинах электротехнических, спортивных и культтоваров или выписать из Центральной торговой базы Посылторга (смотрите объявление на 3-й странице обложки). А главное — приобретя опыт постройки и эксплуатации ветроэлектрической установки, юным техникам будет легче перейти к постройке более мощных ветродвигателей с автомобильными или трактопными генераторами. Мощность подобной установки составит уже 80 — 120 ватт.
     
      Как устроена малая ветррэлектрическая установка
      Общий вид установки показан на рисунке 1. Основными частями её являются ветроколесо, рама 7, объединяющая головку ветродвигателя и хвост 9, опорная труба 5 ц электрическая часть, которая .состоит из велодинаГ-мо 4, подводящих проводов, контактов и электрических лампочек.
      С помощью хвоста установка сама поворачивается на ветер, который приводит во вращение ветроколесо. С Ободом ветроколеса 1 соединён сцеплением шкив велодинамо, точно так же, как и на велосипеде. Один контакт ве-додинамо соединён с массой трубы 5, а второй — со стержнем 8, являющимся вертикальной осью. От трубы и стержня с помощью проводов напряжение подается к 1 — 3 одноваттным электрическим лампочкам (количество их зависит от скорости ветра).
      Для постройки установки нужны: велодинамо; лист дюралюминия, кровельного железа (желательно оцинкованного) или иного металла размером 850X1200 мм; три берёзовых бруска сечением 25X60 мм и длиной — два по 2000 мм и один 500 мм; три берёзовых (или иного крепкого дерева) доски сечением 20X200 мм и длиной по 450 мм; кусок пятимиллиметровой фанеры размером 300X400 мм; водопроводная труба длиной 1200 мм; железный или латунный пруток диаметром 10 мм и длиной 600 мм; бронзовая болванка диаметром не менее 16 мм и длиной 60 мм; 8 — 46 велосипедных спиц; алюминиевые заклёпки; гвозди и шурупы длиной 20 и 30 мм; казеиновый клей; масляная краска или. эмаль; изолированный провод марки ПР.
      Из инструментов потребуются: рубанок, молотки, ножницы по металлу, тиски, плоскогубцы, пила-шлицовка, стамески, отвёртки, дрель и свёрла, ножовки по дереву и металлу, кисти.
     
      Изготовление ветроколеса
      Всё 16-лопастное ветроколесо за исключением втулки и обода изготовляется из цельного ровного листа дюралюминия или любого другого металла. План разметки и все размеры колеса приведены на рисунке 2. Контуры лопастей и обода наносятся чертилкой.
      Сначала следует точно и аккуратно вырезать круг диаметром 830 мм. Затем в нём вырезают пилой-шли-цовкой 16 лопастей, напоминающих в отогнутом виде полуоткрытые форточки. Нужно быть очень внимательным, чтобы при уменьшении ширины лопасти почти наполовину не обрезать верхних отростков 12. Эти отростки потребуются для того, чтобы установить верхние концы лопастей под углом 35°. Лишние части лопастей нужно отрезать совсем (на рисунке 2 эти части заштрихованы).
      Затем приступают к изготовлению обода 1. Он придаёт жёсткость ветроколесу и служит шкивом для фрикционной передачи к велодинамо. Нужно заготовить шаблон 10 из двух берёзовых досок. Доски складывают вместе, на одном конце просверливают тонким сверлом отверстие для оси, а другой конец аккуратно опиливают по дуге окружности радиусом 400 мм. Край металлического круга разрезают на лепестки 16 шириной по 15 мм. Надрезы делают до линии окружности радиусом.400 мм, нанесенной на круг. После этого металлический круг помещают между досками шаблона, продевают через отверстие в досках и в центре круга ось (обыкновенный гвоздь), плотно сжимают доски и с помощью молотка загибают лепестки поочерёдно вверх и вниз (рис. 3).
      Из оставшегося листового металла заготовляют полосы — обойму 15 для обода колеса и вкладыши 14. Шириг на полос указана на рисунке 4, а длина их должна соответствовать длине окружности ветроколеса. Полосы придётся делать составными, складывая их внахлёстку. Края полосы обоймы распиливают пилой-шлиЦовкой на лепестки (нужно именно распиливать, а не разрезать, чтобы между лепестками образовался зазор).
      Сборка обода производится в следующем порядке. Полосы — вкладыши 14 накладывают на отогнутые лепестки колеса 16 с внутренней стороны, а полосу — обойму 15 — с внешней стороны. Лепестки обоймы пригибают вовнутрь (рис. 5, слева). Необходимо внимательно следить, чтобы полосы были совершенно ровными и ложились только на лепестки. В местах соединения полос на ободе их надо склепать.
      Для крепления ветроколеса нужны ещё две деревянные шайбы 2 (рис. 5). Их выпиливают из берёзовой доски. Нижние отростки лопастей 13 отгибают под прямым углом вовнутрь ветроколеса (в сторону тыльной его части), накладывают с двух сторон металлического круга шайбы (точно по центру) и скрепляют гвоздями или шурупами.
      Теперь можно отгибать лопасти под нужным углом. У основания (центра) угол отгиба лопасти должен составлять приблизительно 40°, а на концах (у обода) — 35°. Способ крепления отогнутого края лопасти ясен из рисунка 5. Нижние отростки 13 прикрепляются к шайбе маленькими шурупами или гвоздями. Верхние отростки 12 изгибают, как показано на рисунке, и прикрепляют к плоскости ветроколеса алюминиевыми заклёпками.
      В центре ветроколеса помещается подшипник — бронзовая втулка 23. Её нужно выточить на токарном станке из бронзового прутка, одновременно с осью ?, которая вытачивается из стали (рис. 6). Такое сочетание металлов является наиболее подходящим, так как бронза и сталь имеют небольшой коэффициент трения по отношению друг к другу. Втулка должна свободно, но без малейшего люфта, вращаться на оси.
      Для крепления втулки 23 к деревянной шайбе 2, к ней нужно припаять металлический фланец (из листовой латуни или жести). Отверстие для втулки нужно просверлить в шайбе очень аккуратно, строго по центру и перпендикулярно к плоскости ветроколеса. Втулка туго запрессовывается в это отверстие, а фланец прикрепляется к шайбе гвоздями или шурупами (рис. 6).
      Остаётся проверить ветроколесо. Оно не должно иметь осевого биения, то есть ось его должна проходить строго по центру, а обод — быть совершенно круглым. Оно не должно иметь торцевого биения, то есть вращаться строго в одной плоскости, не иметь изгибов и прочих дефектов. Оно должно быть тщательно отбалансировано, то есть ни один край его не должен перетягивать. На оси такое ветроколесо остаётся в равновесии в любом положении.
      Если ветроколесо сделано аккуратно, то оно или созем не будет иметь дефектов, или же эти дефекты окажутся незначительными и могут быть легко устранены. Втулка, если она поставлена не по центру, может быть смещена с помощью расширения отверстия в шайбах и укладки жестяных прокладок. Торцовое биение устраняется осторожным изгибом обода ветроколеса в нужном направлении и натяжением велосипедных спиц. От четырёх до восьми пар спиц устанавливаются на колесе способом, понятным из рисунка 7. Тщательной балансировки ветроколеса добиваются креплением грузиков на его плоскости (около обода).
      Для более прочного сцепления обода ветроколеса со шкивом велодинамо его обтягивают резиной (лучше в два слоя). Из старой велосипедной или автомобильной камеры вырезается замкнутая полоса, натягивается на обод и закрепляется проволокой в трёх-четырёх местах.
     
      Изготовление рамы
      Рама 7 делается из березовых брусков. Её устройство ясно из рисунка 1. Соединения делаются на шипах. Для большей прочности следует воспользоваться казеиновым клеем.
      Перо хвоста 9 выпиливают из 3 — 5-миллиметровой фанеры, вставляют в специальные прорези, сделанные в рейках рамы и закрепляют казеиновым клеем и гвоздями или шурупами.
      Электрическая часть установки
      Установка велодииамо понятна из рисунка 9. Проводка от динамо к лампочкам возможна различными способами. Самый простой из них — опустить от велодинамо два гибких провода. Но этот способ очень неудобен. При перемене направления ветра ветродвигатель будет поворачиваться, а провода — наматываться на мачту. Время от времени их придётся распутывать; к тому же частое перекручивание проводов приведёт к быстрому их износу и обрыву.
      Значительно лучше осуществить проводку по схеме, приведенной на рисунке 9. По этой схеме вертикальная ось 8 изолируется от трубы 5 деревянными втулками 18 (на рисунке 9 показана только верхняя втулка). На раме 7 сверху крепится контактная втулка 19, а снизу — контактная втулка 20. Под втулки подкладываются латунные шайбы 21 (рис. 8). Контакты велодинамо соединяются проводом с контактными втулками. К трубе 5 и вертикальной оси 8 припаиваются провода, идущие к лампочкам.
      В любом случае проводка должна осуществляться только проводом большого диаметра (во избежание потерь электроэнергии), желательно — предназначенным для сырых помещений (ПР-220 или ПР-500).
     
      Отделка и монтаж установки
      Готовый ветродвигатель тщательно окрашивают масляной краской или эмалью и смазывают машинным маслом, следя только за тем, чтобы ни краска, ни масло не попали на места скольжения контактных втулок по вертикальной оси и концу трубы. В этих местах втулки, ось и труба должны быть тщательно зачищены.
      Готовый ветродвигатель надевают на вертикальную ось, укрепленную в трубе 5. Труба в свою очередь прикрепляется к деревянному шесту (мачте) 6. Способ крепления ясен из рисунка 1. Рисунок на обложке изображает установленный ветродвигатель. Можно установить мачту не на земле, а на крыше дома, но так, чтобы доступ к ней был лёгким. Высота установки ветродвигателя — не менее 5 — 6 метров от поверхности земли. Очень важно, чтобы он находился выше всех соседних построек, то есть не загораживался ими от ветра.
      Весьма желательно придумать устройство, которое позволяло бы поднимать установку на ветер только тогда, когда это нужно. Это значительно удлинит срок её службы и предохранит от неизбежной порчи при ветре штормовой силы. Идею такого устройства подсказывает рисунок, помещённый на последней странице обложки.
      При сооружении ветроустановки следует помнить, что обязательными элементами описанной конструкции являются лишь её размеры (в особенности ветроколеса) и угол заклинения лопастей. Всё же остальное может быть изменено в зависимости от имеющихся под руками материалов и изобретательности юных техников.
      Так, при отсутствии токарного станка, необязательно точить ось 3 и втулку 23. Можно подобрать подходящий металлический пруток и к нему — отрезок трубки. Ветроколесо можно сделать не из цельного, а из составного листового металла. В этом случае имеющиеся 'небольшие листы металла склёпываются в один большой лист. Наконец, в качестве обода ветроколеса можно использовать обод от старого велосипедного колеса, приделав к нему под требуемым углом металлические или даже фанерные лопасти.
     
      БЫСТРОХОДНЫЙ ВАРИАНТ МАЛОЙ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
      В тех местностях, где дуют устойчивые и сильные ветры, можно построить быстроходную ветроэлектрическую установку с. велодинамо. Общий вид такой установки показан на рисунке 10. Основной частью её является воздушный винт 28. Он может быть сделан из полосы листового металла толщиной 1,5 — 2 мм и размером 50X500 мм. Роль рамы ветродвигателя выполняет берёзовый брусок 26: на рисунке 10 он показан и отдельно, в плане. Перо хвоста 27 делается из фанеры.
      Велодинамо 4 крепится к бруску 26 при помощи гайки 29. Для этого необходимо освободить велодинамо от держателя, с помощью которого он крепится на раме велосипеда, и сделать нарезку на конце его крепёжного стержня 30.
      Необходимо обратить особое внимание на крепление воздушного винта на валу велодинамо (шкив с него снимается). Винт должен быть зажат между двумя гайками 31 и закреплён шплинтом 17. Это предотвратит несчастные случаи. Дело в том, что при сильном ветре воз душный винт делает 50 и более оборотов в секунду. Ес ли при такой скорости вращения он сорвётся с вала, то может нанести очень сильный удар.
      Воздушный винт 28 вырезается из полосы металла по форме и размерам, показанным на рисунке 11 (изображающем одну лопасть, то есть половину винта в натуральную величину). В центре винта просверливается отверстие — точно по диаметру вала велодинамо.
      Заготовку винта необходимо тщательно отбалансировать так, чтобы обе лопасти винта, надетого на горизонтальную ось, сохраняли равновесие в любом положении. Если одна из лопастей перетягивает, то её слегка Опиливают напильником, добиваясь полного равновесия. Затем лопасти изгибают в сечении а — а под углом 30°, а в сечении б — б под углом 3° к плоскости вращения винта.
      Крепление ветродвигателя данной конструкции на вертикальную ось 5, соединение велодинамо с контактными втулками, установка трубы 5 и мачты 6 (на рисунке 10 не показана) делаются точно так, как указано в описании тихоходного ветродвигателя.