Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2001 № 05

Во все времена стремились добиться постоянства скорости вращения ветряка. В начале XX века ветроэнергетика значительно продвинулась в своем развитии за счет идей, взятых из авиации.

Так, например, появился винт переменного шага с поворотом лопастей относительно продольной оси. На ветродвигателе Д-1,5 для поворота лопастей служили специальные грузики (рис. 1).

При вращении ротора на них возникал гироскопический эффект, стремящийся развернуть лопасть вдоль потока. Но на оси лопасти была еще и пружина, которая при этом закручивалась, препятствуя повороту. При определенном подборе массы грузиков за счет противоборства сил инерции и упругости пружины удавалось поддерживать скорость вращения ротора с точностью до 6 % при изменении скорости ветра от 4 до 12 м/с.

Однако винт переменного шага дорог и сложен. Его применение на маломощных ветродвигателях экономически не оправдывалось.

Наиболее дешевые ветряки оснащались деревянным винтом постоянного шага. Поддержание постоянства скорости осуществлялось при помощи «лопаты» (рис. 2).

Она стремилась развернуть плоскость вращения винта по ветру, что уменьшало скорость вращения. Хвост же ветродвигателя, напротив, ставил плоскость вращения винта перпендикулярно ветру, чем достигалось ее увеличение. Регулирование опять-таки достигалось в результате противоборства этих двух сил. Однако без введения дополнительных сложных устройств качество регулирования получалось невысоким.

Сегодня подобное регулирование осуществляется с помощью электроники.

Поддерживая постоянство скорости вращения, можно получать стабильное напряжение и частоту тока. Мощность же, развиваемая генератором, по-прежнему зависит от скорости ветра. Например, ветродвигатель Д-1,5 при скорости 4 м/с развивал мощность на клеммах генератора 2,5 Вт; при 5 м/с — 13 Вт; при 7 м/с — 60 и начиная с 8 и более м/с — 109 Вт. Поэтому без применения аккумуляторных батарей, сглаживающих эту неравномерность получаемой мощности, пользоваться ветряными электростанциями трудно.

Среднегодовая выработка энергии зависит от средней скорости ветра в данной местности. Там, где часто дуют сильные ветры, а значит, могут прекрасно работать ветряки, например в Калмыцких степях, людей не так уж много. В обжитых же местностях либо дуют слабые ветры, либо сильный ветер часто сменяет безветрие. Поэтому ветряная электростанция Д-1,5 в местности со средней скоростью ветра 4 м/с выдает за год 191 кВт/ч. А при среднегодовой скорости ветра 7 м/с — 548 кВт/ч в год.

Учтем, что КПД электрогенератора малой мощности в те годы не превышал 50 %. Таким же низким был и КПД зарядно-разрядного цикла тогдашних аккумуляторов. Таким образом, потребитель получал лишь четвертую часть энергии от лопастей ветродвигателя. Сегодня эффективность подобной электростанции была бы в два раза выше.

Есть смысл сравнить ее с небольшими бензиновыми электростанциями. Обычно они расходуют около 400 г бензина на кВт/ч. Получается, что крохотная ветроэлектрическая станция довоенного образца экономит от 100 до 300 л бензина в год, а ее современное исполнение в два раза больше.

Ветроэлектростанция Д-1,5 крепилась на верхушке обычного зарытого в землю деревянного столба, применяемого для прокладки сельских линий электропередачи. Она состояла из автомобильного электрогенератора постоянного тока с двухлопастным пропеллером на валу. Он вращался со скоростью 900 — 1200 об/мин.

Сам генератор был снабжен хвостом и мог свободно поворачиваться на оси под действием ветра. Общее представление о креплении головки ветродвигателя к оси дает рисунок 4.

Конструкция этого узла может быть и иной, более соответствующей вашим возможностям.

Важнейшая деталь двигателя — воздушный винт. От точности его изготовления зависит вся работа электростанции (рис. 5, 6).

Чертеж лопасти винта взят из старого пособия. Заготовка ее состоит из 2–3 слоев толстой фанеры, склеенных казеиновым клеем. Готовая лопасть должна быть тщательно отлакирована и отполирована.

На рисунке 7 втулка винта с механизмом изменения шага.

Его вам придется конструировать самостоятельно, приведя в соответствие с размерами современных шарикоподшипников и диаметром вала выбранного вами генератора. Поворот лопасти осуществлялся под действием инерционных сил, возникавших на поперечной стальной штанге (длина — 150, диаметр — 8 мм). На рисунке 8 — пружина регулирования, длина заготовки — 1175 мм, число витков — 14.

Рис. 8

Сегодня опыт создания ветродвигателей утерян. Людей, практически знакомых с ними, почти нет. Опыт вам придется нарабатывать с нуля. На наш взгляд, целесообразно вначале изготовить винт постоянного шага, регулировку производить при помощи лопаты. Ее размеры следует подобрать экспериментально.

Электрогенератор, систему регулирования и аккумуляторную батарею можно взять от легкового автомобиля. В этом случае освещение дома можно производить с помощью автомобильных ламп накаливания. Но более целесообразно применить люминесцентные лампы, питаемые от постоянного тока по специальной схеме.

Как видите, заставить ветер освещать дом не так уж просто. Бог вам в помощь!

А.ИЛЬИН

Рисунки автора

В жаркий летний день в зарослях камыша и осоки можно увидеть восхитительный спектакль рождения новой жизни. Выползают на воздух, просушивая свои радужные крылья, юные стрекозы, мечутся головастики, обремененные почти уже ненужными хвостами, маневрируют эскадры мальков, словно ими командует опытнейший адмирал. В каждом пруду — целый космос, неведомая нам планета!

И иной раз мелькнет фантазия: «Вот бы построить батискаф да окунуться в этот загадочный мир!» Но, к сожалению, дело это сложное. Не то что любитель, не каждая страна может его сделать.