Евгений Кубасов - Энергия, принесенная ветром. Нехитрая обувь своими руками...(Сделай сам №4∙1995)

Кроме этого, чем мощнее генератор, тем больше и сложнее должен быть его привод — воздушный винт или ветровое колесо, «ветряк».

Поэтому наиболее просто построить ВЭС мощностью не более 0,5 кВт.

Немаловажное значение имеет при выборе генератора его номинальное число оборотов. Генераторы с n = 300–800 об/мин можно назвать тихоходными или низкооборотными. Такие генераторы уже при 200–300 об/мин начинают давать электрический ток, обеспечивающий зарядку аккумуляторов и поддержание напряжения в сети на необходимом уровне. Генераторы с рабочими оборотами выше 1000 — высокооборотные или быстроходные. Низкооборотные генераторы позволяют значительно упростить кинематическую схему ВЭС, насадив непосредственно на вал генератора воздушный винт.

Высокооборотные генераторы потребуют применения редуктора для повышения скорости вращения, так как воздушный винт под нагрузкой при умеренном ветре развивает 250–300 об/мин.

Можно попытаться приобрести подходящий генератор на машинно-тракторных станциях, в автохозяйствах. Там всегда есть выработавшие свой ресурс и списанные генераторы от тракторов, автомобилей и т. д.

Как правило, генераторы от старых типов автомобилей более низкооборотные, чем от современных. Так, генераторы типа ГБФ-4105, применявшиеся в автомобилях ГАЗ, работают при номинальных оборотах 1800 об/мин. Это, конечно, тоже довольно высокооборотный генератор, но по сравнению с генератором Г-221, применяющимся в настоящее время в легковых автомобилях ВАЗ и работающих на 6–8 тысяч оборотов в минуту, довольно малооборотны.

Списанный генератор после соответствующего ремонта вполне подойдет для постройки ВЭС.

Не следует также забывать о том, что практически все коллекторные машины постоянного тока обратимы, т. е. двигатель постоянного тока может работать генератором. В зависимости от типа приобретенного генератора и его рабочего напряжения — 6, 12 или 24 В приобретаются остальные изделия — лампочки накаливания, аккумуляторы, регуляторы напряжения и другое. Об этом будет сказано ниже. Мы же для примера рассмотрим постройку ВЭС, опираясь на конкретный генератор Г-221, применяемый в автомобилях ВАЗ, который наиболее распространен. Достать его всего проще — пойти в магазин автозапчастей и купить. Его технические характеристики:

Номинальное напряжение — 12 В

Направление вращения — правое

Максимальная частота вращения ротора — 13000 об/мин

Максимальная сила тока при 14 В и 5000 об/мин — 42 А

Номинальная мощность — 590 Вт.

Принцип работы воздушного винта

Эту главу я решил включить для того, чтобы тот, кто впервые приступает к постройке воздушного винта, делал это вполне осознанно и целенаправленно, а не вслепую, как тот барин-кузнец из русской сказки, принявшийся ковать соху, а в конце концов получился у него пшик.

По этому поводу вспомнил я один давний случай. Еще в конце пятидесятых годов, в один из зимних морозных дней с улицы послышался рев мотора. Заинтересовавшись, оделся и вышел посмотреть, чем и кто занят. Оживленная толпа наблюдателей окружила сооружение из труб на трех лыжах. Оглушительно ревел и стрелял двигатель. Аэросани! Конструктор суетился вокруг своего детища, то добавляя газ, то пытаясь подтолкнуть, чтобы начать движение. Со всех сторон, как это всегда бывает, раздавались советы — подняться на гору покруче, запрячь лошадь, прицепить к трактору и т. д. Двигатель ревел, конструкция тряслась, но результаты — нулевые. Даже под горку сани ехать не желали.

Когда двигатель был заглушен, я подошел поближе и внимательно осмотрел всю силовую установку, обращая особое внимание на воздушный винт. Он был трехлопастный, деревянный. Изготовлен очень тщательно и красиво. В то время я еще учился в школе, заканчивал последний 10-й класс, немного занимался авиамоделями. Поэтому кое-какие основы знаний о винтах имел.

Присмотревшись, обнаружил, что винт был сделан хоть и красиво, но абсолютно неграмотно. Лопасти в поперечном сечении симметричны, угол атаки был равен нулю. Естественно, что тяга винта тоже равнялась нулю.

Весьма робко, боясь натолкнуться на амбицию старшего относительно меня, зеленого юнца, конструктора аэросаней, я предложил свою помощь.

К моему удивлению и удовлетворению, предложение было принято, мы тут же (не отходя от кассы), разобрали винт, я, состругивая лишнюю древесину, постарался придать лопастям профиль, близкий к необходимому, сбалансировали, выставили угол атаки, и свершилось чудо. Сани поехали.

Для пояснения принципа работы воздушного винта, работающего в качестве двигателя (в отличие от самолетного, где винт является движителем), рассмотрим рис. 2.

Рис. 2

Плоскость АА' установлена под углом φ к плоскости вращения Y , называемом углом установки лопасти. Ось X — ось вращения воздушного винта. На плоскость винта АА' набегает (дует) воздушный поток (ветер) V под углом α . Воздушный поток отражается плоскостью в направлении V' под углом α' = α (угол отражения равен углу падения). В результате отражения воздушного потока возникает реактивная сила F . Составляющая этой силы F' направлена вдоль оси вращения X , вторая — F' направлена по плоскости вращения Y . Вот эта сила и является той, которая создает вращающий момент. Под действием силы F' плоскость АА' начинает двигаться вправо, встречая при этом сопротивление воздуха V", которое создает противодействующую силу Р . Эта сила пропорциональна линейной скорости плоскости АА' и площади проекции S плоскости АА' на плоскость ВВ' , расположенной перпендикулярно плоскости вращения Y , и параллельно продольной оси винта (на чертеже это точка пересечения О осей X и Y ). После набора определенного числа оборотов сила F' будет равна силе Р , и винт будет вращаться с постоянной скоростью при данной скорости ветра V . Наступит динамическое равновесие. При изменении скорости воздушного потока V изменится и величина силы F' . Это приведет к изменению скорости вращения воздушного винта. Сильнее ветер — быстрее вращение.

Мы рассмотрели поведение лопасти воздушного винта на холостом ходу, без нагрузки. Стоит только передать вращение винта генератору, как появится момент сопротивления моменту вращения. Число оборотов винта упадет до нового равновесия.

Из рис. 2 видно, что возникающая бесполезная сила F'' гораздо больше нужной нам силы F' . Кажется, стоит увеличить угол установки Y , как это показано на рис. 3, и полезная сила F' , а значит, и крутящий момент увеличатся. Да, это так и есть. На рис. 3 это отчетливо видно.