Генератор із крокового двигуна. Вітровий генератор з двигуна постійного струму Кроковий двигун як генератор

Вітер – це безкоштовна енергія! Тож давайте її використовувати в особистих цілях. Якщо створення ВЕС у промислових масштабах це дуже дорого, бо крім генератора потрібно провести низку досліджень та розрахунків, держава не бере на себе такі витрати, а інвесторам у країнах колишнього СРСР – це чомусь не викликає особливого інтересу. То в приватному порядку можна зробити міні-вітряк для власних потреб. Варто розуміти, що проект переведення вашого будинку на альтернативну енергію дуже дороге заняття.

Як вже було сказано: потрібно провести тривалі спостереження та розрахунки, щоб підібрати оптимальне співвідношення розмірів вітрового колеса та генератора, що підходить до вашого клімату, троянди вітрів та середньорічної швидкості вітру.

Ефективність вітроелектричної установки в межах одного регіону може відрізнятись у рази, це пов'язано з тим, що рух вітру залежить не тільки від кліматичного поясу, а й від рельєфу місцевості.

Однак ви можете дізнатися, що таке вітроенергетика з мінімальними витратами зібравши бюджетну установку для малопотужного навантаження, типу смартфона, лампочок або радіоприймача. За належного підходу ви можете забезпечити електроенергією невеликий будинок або дачну ділянку.

Давайте розглянемо, яким чином можна зробити найпростішу вітроелектричну установку своїми руками.

Малопотужні вітряки із підручних засобів

Комп'ютерний кулер є безколлектроним двигуном, який у своєму первісному виглядіне становить практичної цінності.

Його потрібно перемотати, тому що в оригіналі обмотки з'єднані невідповідним чином. Мотати котушки по черзі:

За годинниковою стрілкою;

Проти годинникової стрілки;

За годинниковою стрілкою;

Проти годинникової стрілки.

З'єднувати сусідні котушки потрібно послідовно, а ще краще мотати одним шматком дроту, переходячи від одного паза до іншого. Товщину дроту в цьому випадку підбирати довільно, краще буде якщо ви намотаєте якнайбільше витків, а це можливо при використанні найменш тонким дротом.

Вихідна напруга з такого генератора буде змінною, а її величина залежатиме від оборотів (швидкості вітру), встановіть діодний містз діодів Шоттки, щоб випрямити його до постійного, звичайні діоди підійдуть, але гірше, т.к. на них впаде напруга від 1 до 2 вольт.

Ліричний відступ, трохи теорії

Запам'ятайте величина ЕРС дорівнює:

де L - Довжина провідника поміщеного в магнітне поле; V – швидкість обертання магнітного поля;

При модернізації генератора можна впливати тільки на довжину провідника, тобто на кількість витків кожної з котушок. Кількість витків - визначає вихідну напругу, а товщина дроту - максимальне струмове навантаження.

Насправді впливати на швидкість вітру не можна. Однак з цієї ситуації теж є вихід, можна, дізнавшись типову швидкість вітру для вашої місцевості спроектувати гвинт для вітроелектричної установки, а також редуктор або ремінну передачу, для забезпечення достатніх оборотів для генерації потрібного за величиною напруги.

ВАЖЛИВО:Швидше не означає краще! При занадто великій швидкості обертання вітрогенератора скоротиться його ресурс, погіршуватиметься мастильні властивості втулок або підшипників ротора, і він заклинить, а найшвидше відбудеться пробій ізоляції обмоток у генераторі.

Генератор складається з:

Збільшуємо потужність генератора з комп'ютерного кулера

По-перше, чим більше лопат і діаметр колеса - тим краще, тому придивіться до 120-мм кулерів.

По-друге, ми вже сказали, що напруга залежить від магнітного поля, справа в тому, що промислові генератори високої потужності мають обмотки збудження, а низької потужності - сильні магніти. У кулері магніти вкрай слабкі і не дозволяють досягти хороших результатів від генератора, та й зазор між ротором і статором дуже великий - близько 1 мм, і це при слабких магнітах і без того.

Вирішення цієї проблеми кардинально змінити конструкцію генератора. Точніше, від кулера буде потрібно тільки крильчатка, як сам генератор застосуємо моторчик від принтера або будь-якої іншої побутової техніки. Найчастіше зустрічаються щіткові двигуни із збудженням від постійних магнітів.

В результаті це виглядатиме так.

Потужності подібного генератора вистачить, щоби запитати світлодіоди, радіоприймач. Для підзарядки телефону його не вистачить, телефон відображатиме процес заряду, але струм буде дуже малий, до 100 Ампер, при вітрі 5-10 метрів за секунду.

Крокові двигуни в ролі вітрогенератора

Кроковий двигун дуже часто зустрічається в комп'ютерній та побутовій техніці, у різних програвачах, флоппі-дисководах (цікаві старі моделі 5.25”), принтерах (особливо матричних), сканерах тощо.

Дані двигуни без переробок можуть працювати в ролі генератора, вони є ротором. постійними магнітами, та статор з обмотками, типова схема підключення крокового двигунау режимі генератора зображено малюнку.

У схемі встановлений лінійний стабілізатор на 5 Вольт типу L7805, що дозволить без побоювання підключати мобільні телефони до такого вітряка для їх зарядки.

На фото генератор із крокового двигуна із встановленими лопатями.

Двигун у разі з 4-ма вихідними проводами, схема відповідно під нього. Двигун із такими габаритами в режимі генератора видає приблизно 2 Вт при слабкому вітрі (швидкість вітру близько 3 м/с) та 5 м/с при сильному (до 10 м/с).

До речі, ось аналогічна схема зі стабілітроном, замість L7805. Дозволяє заряджати Li-ion батареї.

Доробка саморобного вітряка

Щоб генератор працював ефективніше, потрібно зробити йому напрямний хвостовик і закріпити його на щоглі рухомо. Тоді при зміні напряму вітру - змінюватиметься напрям вітрогенератора. Тоді виникає наступна проблема - кабель, що йде від генератора до споживача, закручуватиметься навколо щогли. Щоб це вирішити, потрібно забезпечити рухомий контакт. На Ebay та Aliexpress продається готове рішення.

Нижні три дроти - нерухомі йдуть вниз, а верхній пучок проводів - рухомий, всередині встановлений ковзний контакт або щітковий механізм. Якщо у вас немає можливості купити, проявіть кмітливість, і надихнувшись рішенням конструкторів автомобіля Жигулі, а саме реалізацією рухомого контакту кнопки сигналу на кермі і зробіть щось схоже. Або скористайтесь контактним майданчиком від електрочайника.

З'єднавши роз'єми, ви отримаєте рухомий контакт.

Потужний вітрогенератор із підручних засобів.

Для отримання більшої потужності ви можете використати два варіанти:

1. Генератор із шуруповерта (10-50 Вт);

З шуруповерта знадобиться тільки моторчик, варіант аналогічний попередньому, як гвинт ви можете використовувати лопаті від вентилятора, це збільшить підсумкову потужність вашої установки.

Ось приклад реалізації такого проекту:

Зверніть увагу як тут реалізована шестерня підвищує передача - вал вітрогенератора розташований в трубі, на його кінці розташована шестерня, яка передає обертання меншої шестерні закріпленої на валу двигуна. Підвищення оборотів двигуна має місце у промислових вітряних електроустановках. Редуктори застосовуються повсюдно.

Однак в умовах саморобки виготовити редуктор стає великою проблемою. Ви можете витягти редуктор з електроінструменту, він там потрібен щоб знизити високі обороти на валу колекторного двигуна нормальні оборотипатрона на дрилі, або диска болгарки:

У дрилі встановлено планетарний редуктор;

У болгарці встановлено кутовий редуктор (стане корисним для монтажу деяких установок та зменшить навантаження з хвоста ВЕУ);

Редуктор від ручного дриля.

Такий варіант саморобного вітрогенератора вже може заряджати 12 В акумулятори, проте потрібен перетворювач для формування зарядного струму та напруги. Це завдання можна спростити застосувавши автомобільний генератор.

Перевага такого генератора – можливість використовувати його для зарядки автомобільних акумуляторів, В принципі він для цього і призначений. Автогенератори мають вбудований реле-регулятор напруги, що позбавляє необхідності купувати додаткові стабілізатори або перетворювачі.

Однак автолюбителі знають, що на низьких неодружених оборотах, приблизно 500-1000 Об/хв потужність такого генератора мала, і він не забезпечує належного струму для заряду акумулятора. Це призводить до необхідності підключення до вітроколеса через редуктор або ремінну передачу.

Відрегулювати кількість обертів за нормальної для ваших широт швидкості вітру можна за допомогою підбору передавального числа або за допомогою правильно спроектованого вітроколеса.

Корисні поради

Мабуть, найзручніша для повторення конструкція щогли для вітряка – зображена на картинці. Така щогла розтягується на тросах, закріплених на утримувачах землі, що забезпечує стійкість.

Важливо:Висота щогли має бути якомога більшою приблизно 10 метрів. На більшій висоті вітер сильніший, тому що для нього немає перешкод у вигляді наземних споруд, пагорбів та дерев. У жодному разі не встановлюйте вітрогенератор на даху свого будинку. Резонансні коливання кріпильних конструкцій можуть спричинити руйнування його стін.

Подбайте про надійність несучої щогли, адже конструкція вітряка на базі такого генератора значно ускладнюється і є досить серйозним рішенням, яке може здійснювати автономне електропостачання дачі з мінімальним набором електричних приладів. Пристрої, які працюють від 220 Вольт, можна запитати від інвертора 12-220 В. Найпоширеніший варіант такого інвертора - .

Найкраще використовувати генератори від дизельних, в т.ч. вантажних автомобілівадже вони розраховані для роботи на низьких оборотах. В середньому дизельний двигунвеликої вантажівки працює в діапазоні оборотів від 300 до 3500 об/хв.

Сучасні генератори видають 12 або 24 Вольт, а струм у 100 Ампер – вже давно став нормальним. Провівши нескладні обчислення можна визначити, що такий генератор максимально видасть вам до 1 кВт потужності, а генератор від жигулів (12 40-60 А) 350-500 Вт, що вже досить пристойна цифра.

Яким має бути вітроколесо для саморобної ВЕУ?

Я згадав у тексті про те, що ветроколесо має бути великою і з великою кількістю лопат, насправді це не так. Це твердження було справедливе для тих мікрогенераторів, які не претендують на звання серйозних електричних машин, а скоріше екземпляри для ознайомлення та дозвілля.

Насправді проектування, розрахунок та створення вітроколеса – це дуже складне завдання. Енергія вітру буде використовуватися раціональніше, якщо він виконаний дуже точно і ідеально виведений «авіаційний» профіль, при цьому він повинен бути встановлений з мінімальним кутом до площини обертання колеса.

Реальна потужність вітроколес з однаковим діаметром і різною кількістю лопатей – однакова, різниця лише у швидкості їхнього обертання. Чим менше крил – тим більше оборотівза хвилину, при тому ж вітрі та діаметрі. Якщо ви збираєтеся досягти максимальних оборотів, ви повинні максимально точно змонтувати крила з мінімальним кутом до площини їх обертання.

Ознайомтеся з таблицею з книги 1956 «Самодельна вітроелектростанція» вид. ДОСААФ Москва. На ній показаний зв'язок діаметра колеса, потужності та оборотів.

У домашніх умовах ці теоретичні викладки дають мало користі, любителі роблять вітроколеса з підручних засобів, в хід йде:

Листи металу;

Пластикові каналізаційні труби.

Зібрати своїми руками швидкохідне 2-4 лопатеве ветроколесо можна з каналізаційних труб, крім них потрібна ножівка або будь-який інший ріжучий інструмент. Використання цих труб обумовлено їхньою формою, після обрізки вони мають увігнуту форму, що забезпечує високу чуйність до потоків повітря.

Після обрізки їх закріплюють за допомогою болтів на металевій, текстолітовій або фанерній болванці. Якщо ви зібралися робити її з фанери - краще переклейте і скрутіть шурупами з обох боків кілька шарів фанери, тоді у вас вийде досягти жорсткості.

Ось ідея двох лопатевої цільної крильчатки для генератора з крокового двигуна.

Висновки

Ви можете зробити вітроелектричну установку, починаючи від малих потужностей - одиниць Ватт, для живлення окремих світлодіодних світильників, маячків та дрібної техніки, до хороших значень потужності в одиницях кіловат, накопичувати енергію в акумуляторі, використовувати її у вихідному вигляді або перетворювати до 220 Вольт. Вартість такого проекту залежатиме від ваших потреб, мабуть, найдорожчим елементом є щогла та акумулятори, що може виявитися в межах 300-500 доларів.

Проїжджаючи на велосипеді повз дачні ділянки, я побачив працюючий вітрогенератор:

Великі лопаті повільно, але вірно оберталися, флюгер орієнтував пристрій у напрямку вітру.
Мені захотілося реалізувати подібну конструкцію, нехай і не здатну виробляти потужність, достатню для забезпечення "серйозних" споживачів, але все-таки працюючу і, наприклад, акумулятори, що заряджають або живить світлодіоди.

Крокові двигуни

Одним із найбільш ефективних варіантів невеликого саморобного вітроелектрогенератора є використання крокового двигуна(ШД) (англ. stepping (stepper, step) motor) – у такому моторі обертання валу складається з невеликих кроків. Обмотки крокового двигуна поєднані у фази. При подачі струму в одну із фаз відбувається переміщення валу на один крок.
Ці двигуни є низькооборотнимиі генератор з таким двигуном може бути без редуктора підключений до вітряної турбіни, двигуна Стірлінга або іншого низькооборотного джерела потужності. При використанні як генератор звичайного (колекторного) двигуна постійного струмудля досягнення таких самих результатів знадобилася б у 10-15 разів більша частота обертання.
Особливістю кроковика є досить високий момент торкання (навіть без підключеного до генератора електричного навантаження), що досягає 40 г сили на сантиметр.
Коефіцієнт корисної дії генератора з ШД сягає 40%.

Для перевірки працездатності крокового двигуна можна підключити, наприклад червоний світлодіод. Обертаючи вал двигуна, можна спостерігати світіння світлодіода. Полярність підключення світлодіода не має значення, тому що двигун виробляє змінний струм.

Кладезем таких достатньо потужних двигунівє п'ятидюймові дисководи гнучких дисків, а також старі принтери та сканери.

Двигун 1

Наприклад, я маю ШД зі старого 5.25″ дисководу, який працював ще у складі ZX Spectrum- сумісного комп'ютера "Байт".
Такий дисковод містить дві обмотки, від кінців і середини яких зроблено висновки - разом із двигуна виведено шістьпроводів:

перша обмотка (англ. coil 1) – синій (англ. blue) та жовтий (англ. yellow);
друга обмотка (англ. coil 2) – червоний (англ. red) та білий (англ. white);
коричневі (англ. brown) Провід - висновки від середніх точок кожної обмотки (англ. center taps).

розібраний кроковий мотор

Зліва видно ротор двигуна, у якому видно " смугасті " магнітні полюси - північний і південний. Правіше видно обмотка статора, що складається з восьми котушок.
Опір половини обмотки становить ~70 Ом.

Я використав цей двигун у початковій конструкції мого вітрогенератора.

Двигун 2

Менш потужний кроковий двигун, що знаходиться в моєму розпорядженні T1319635фірми Epoch Electronics Corp.зі сканера HP Scanjet 2400має п'ятьвисновків (уніполярний мотор):

перша обмотка (англ. coil 1) – помаранчевий (англ. orange) та чорний (англ. black);
друга обмотка (англ. coil 2) – коричневий (англ. brown) та жовтий (англ. yellow);
червоний (англ. red) Провід - з'єднані разом висновки від середньої точки кожної обмотки (англ. center taps).

Опір половини обмотки становить 58 Ом, що вказано на корпусі двигуна.

Двигун 3

У покращеному варіанті вітрогенератора я використав кроковий двигун Robotron SPA 42/100-558, Вироблений в НДР і розрахований на напругу 12 В:

Вітротурбіна

Можливі два варіанти розташування осі крильчатки (турбіни) вітрогенератора – горизонтальне та вертикальне.

Перевагою горизонтального(найпопулярнішого) розташуванняОсі, що розташовується у напрямку вітру, є ефективніше використання енергії вітру, недолік - ускладнення конструкції.

Я обрав вертикальне розташуванняосі - VAWT (vertical axis wind turbine), що істотно спрощує конструкцію та не вимагає орієнтації за вітром . Такий варіант більш придатний для монтування на дах, він набагато ефективніший в умовах швидкої та частої зміни напряму вітру.

Я використовував тип вітротурбіни, званий вітротурбіна Савоніуса (англ. Savonius wind turbine). Вона була винайдена у 1922 році Сігурдом Йоханнесом Савоніусом (Sigurd Johannes Savonius) із Фінляндії.

Сігурд Йоханнес Савоніус

Робота вітротурбіни Савоніуса полягає в тому, що опір (англ. drag) набігає потоку повітря - вітру увігнутої поверхні циліндра (лопаті) більше, ніж опуклої.

Коефіцієнти аеродинамічного опору (англ. drag coefficients) $C_D$

двомірні тіла:
увігнута половина циліндра (1) - 2,30
опукла половина циліндра (2) – 1,20
плоска квадратна пластина – 1,17
тривимірні тіла:
увігнута порожня напівсфера (3) - 1,42
опукла порожня напівсфера (4) - 0,38
сфера – 0,5
Вказані значення наведено для чисел Рейнольдса (англ. Reynolds numbers) у діапазоні $10^4 - 10^6$. Число Рейнольдса характеризує поведінку тіла у середовищі.

Сила опору тіла повітряному потоку $(F_D) = ((1 \over 2) (C_D) S \rho (v^2) ) $, де $\rho$ - щільність повітря, $v$ - швидкість повітряного потоку, $S $ - площа перетину тіла.

Така вітротурбіна обертається в ту саму сторону, незалежно від напрямку вітру:

Подібний принцип роботи використовується у чашковому анемометрі (англ. cup anemometer)- прилад для вимірювання швидкості вітру:

Такий анемометр був винайдений у 1846 році ірландським астрономом Джоном Томасом Ромні Робінсоном. John Thomas Romney Robinson):

Робінсон вважав, що чашки в його чотиричашковому анемометрі переміщуються зі швидкістю, що дорівнює одній третині швидкості вітру. Насправді це значення коливається від двох до трохи більше трьох.

В даний час для вимірювання швидкості вітру використовуються тричашкові анемометри, розроблені канадським метеорологом Джоном Паттерсоном. John Patterson) у 1926 році:

Генератори на колекторних двигунах постійного струму з вертикальною мікротурбіною продаються на eBayза ціною близько $5:

Така турбіна містить чотири лопаті, розташовані вздовж двох перпендикулярних осей з діаметром крильчатки 100 мм, висотою лопаті 60 мм, довжиною хорди 30 мм і висотою сегмента 11 мм. Крильчатка насаджена на вал колекторного мікродвигуна постійного струму з маркуванням JQ24-125H670. Номінальна напругаживлення такого двигуна становить 3...12 В.
Енергії, що виробляється таким генератором, вистачає для світіння "білого" світлодіода.

Швидкість обертання вітротурбіни Савоніуса не може перевищувати швидкість вітру , але при цьому така конструкція характеризується високим крутним моментом (Англ. torque).

Ефективність вітротурбіни можна оцінити, порівнявши потужність, що виробляється вітрогенератором, з потужністю, укладеною у вітрі, що обдує турбіну:
$P = (1\over 2) \rho S (v^3)$ , де $\rho$ - щільність повітря (близько 1,225 кг/м 3 на рівні моря), $S$ - ометана площа турбіни (англ. swept area), $v$ - швидкість вітру.

Моя вітротурбіна

Варіант 1

Спочатку в крильчатці мого генератора використано чотири лопаті у вигляді сегментів (половинок) циліндрів, вирізаних з пластикових труб:

Розміри сегментів -
довжина сегмента – 14 см;
висота сегмента – 2 см;
довжина хорди сегмента – 4 см;

Я встановив зібрану конструкцію на досить високій (6 м 70 см) дерев'яній щоглі з бруса, прикріплену шурупами до металевого каркасу:

Варіант 2

Недоліком генератора була досить висока швидкість вітру, необхідна розкручування лопатей. Для збільшення площі поверхні я використав лопаті, вирізані з пластикових пляшок:

Розміри сегментів -
довжина сегмента – 18 см;
висота сегмента – 5 см;
довжина хорди сегмента – 7 см;
відстань від початку сегмента до центру осі обертання – 3 см.

Варіант 3

Проблемою виявилася міцність утримувачів лопатей. Спочатку я використав перфоровані алюмінієві планки від радянського дитячого конструктора завтовшки 1 мм. Через кілька діб експлуатації сильні пориви вітру призвели до зламу планок (1). Після цієї невдачі я вирішив вирізати тримачі лопат з фольгованого текстоліту (2) товщиною 1,8 мм:

Міцність текстоліту на вигин перпендикулярно пластині становить 204 МПа і порівняємо з міцністю на вигин алюмінію – 275 МПа. Але модуль пружності алюмінію $E$ (70000 МПа) набагато більше, ніж текстоліт (10000 МПа), тобто. тексоліт набагато еластичніший за алюміній. Це, на мою думку, з урахуванням більшої товщини текстолітових власників забезпечить набагато більшу надійність кріплення лопатей вітрогенератора.
Вітрогенератор змонтований на щоглі:

Досвідчена експлуатація нового варіанту вітрогенератора показала його надійність навіть за сильних поривів вітру.

Недоліком турбіни Савоніуса є невисока ефективність - лише близько 15 % енергії вітру перетворюється на енергію обертання валу (це набагато менше, ніж може бути досягнуто з вітротурбіною Дар'ї(Англ. Darrieus wind turbine)), що використовує підйомну силу (англ. lift). Цей вид вітротурбіни був винайдений французьким авіаконструктором Жоржем Дар'є (Georges Jean Marie Darrieus) -патент США від 1931 року № 1,835,018 .

Жорж Дар'ї

Недоліком турбіни Дар'ї є те, що у неї дуже поганий самозапуск (для вироблення крутного моменту від вітру турбіни вже має бути розкручена).

Перетворення електроенергії, що виробляється кроковим двигуном

Висновки крокового двигуна можуть бути підключені до двох мостових випрямлячів, зібраних з діодів Шоттки зниження падіння напруги на діодах.
Можна застосувати популярні діоди Шоттки 1N5817з максимальною зворотною напругою 20 В, 1N5819- 40 В та максимальним прямим середнім випрямленим струмом 1 А. Я з'єднав виходи випрямлячів послідовно з метою збільшення вихідної напруги.
Також можна використовувати два випрямлячі із середньою точкою. Такий випрямляч вимагає вдвічі менше діодів, але при цьому і вихідна напруга знижується вдвічі.
Потім пульсуюча напруга згладжується за допомогою ємнісного фільтра - конденсатора 1000 мкФ на 25 В. Для захисту від підвищеної напруги генерується паралельно конденсатору включений стабілітрон на 25 В.

схема мого вітрогенератора

електронний блок мого вітрогенератора

Застосування вітрогенератора

Напруга, що виробляється вітрогенератором, залежить від величини і сталості швидкості вітру.

При вітрі, що колишає тонкі гілки дерев, напруга досягає 2...3 В.

При вітрі, що колишає товсті гілки дерев, напруга досягає 4...5 В (при сильних поривах - до 7 В).

ПІДКЛЮЧЕННЯ ДО JOULE THIEF

Згладжена напруга з конденсатора вітрогенератора може подаватися на низьковольтний DC-DCперетворювач

Значення опору резистора Rпідбирається експериментально (залежно від типу транзистора) - доцільно використовувати змінний резистор на 4,7 кім і поступово зменшувати його опір, домагаючись стабільної роботи перетворювача.
Я зібрав такий перетворювач на базі германієвого pnp-транзистора ГТ308В ( VT) та імпульсного трансформатора МІТ-4В (котушка L1- висновки 2-3, L2- висновки 5-6):

ЗАРЯД ІОНІСТОРІВ (СУПЕРКОНДЕНСАТОРІВ)

Іоністор (суперконденсатор, англ. supercapacitor) являє собою гібрид конденсатора та хімічного джерела струму.
Іоністор - неполярнийелемент, але один із висновків може бути позначений "стрілкою" - для позначення полярності залишкової напруги після заряджання на заводі-виробнику.
Для початкових досліджень я використав іоністор ємністю 0,22 Ф на напругу 5,5 В (діаметр 11,5 мм, висота 3,5 мм):

Я підключив його через діод до виходу через германієвий діод Д310.

Для обмеження максимальної напруги зарядки іоністора можна використовувати стабілітрон або ланцюжок світлодіодів - я використовую ланцюжок з двохчервоних світлодіодів:

Для запобігання розряду вже зарядженого іоністора через обмежувальні світлодіоди HL1і HL2я додав ще один діод - VD2.

Далі буде

Проїжджаючи на велосипеді повз дачні ділянки, я побачив працюючий вітрогенератор. Великі лопаті повільно, але вірно оберталися, флюгер орієнтував пристрій у напрямку вітру.

Мені захотілося реалізувати подібну конструкцію, нехай і не здатну виробляти потужність, достатню для забезпечення "серйозних" споживачів, але все-таки працюючу і, наприклад, акумулятори, що заряджають або живить світлодіоди.

Ці двигуни є низькооборотнимиі генератор з таким двигуном може бути без редуктора підключений до вітряної турбіни, двигуна Стірлінга або іншого низькооборотного джерела потужності. При використанні як генератор звичайного (колекторного) двигуна постійного струму для досягнення таких же результатів знадобилася б у 10-15 разів більша частота обертання.

Особливістю кроковика є досить високий момент торкання (навіть без підключеного до генератора електричного навантаження), що досягає 40 г сили на сантиметр.

Коефіцієнт корисної дії генератора з ШД сягає 40%.

Кладезем таких потужних двигунів є п'ятидюймові дисководи гнучких дисків, а також старі принтери і сканери.

Наприклад, я маю ШД зі старого 5.25″ дисководу, який працював ще у складі ZX Spectrum– сумісного комп'ютера “Байт”.

Такий дисковод містить дві обмотки, від кінців і середини яких зроблено висновки – разом із двигуна виведено шістьпроводів:

перша обмотка (англ. coil 1) – синій (англ. blue) та жовтий (англ. yellow);

друга обмотка (англ. coil 2) - Червоний (англ. red) та білий (англ. white);

коричневі (англ. brown) Проводи - висновки від середніх точок кожної обмотки (англ. center taps).

розібраний кроковий мотор

Зліва видно ротор двигуна, у якому видно “смугасті” магнітні полюси – північний і південний. Правіше видно обмотка статора, що складається з восьми котушок.

Опір половини обмотки складає

Я використав цей двигун у початковій конструкції мого вітрогенератора.

перша обмотка (англ. coil 1) – помаранчевий (англ. orange) та чорний (англ. black);

друга обмотка (англ. coil 2) – коричневий (англ. brown) та жовтий (англ. yellow);

червоний (англ. red) Провід - з'єднані разом висновки від середньої точки кожної обмотки (англ. center taps).

Опір половини обмотки становить 58 Ом, що вказано на корпусі двигуна.

Можливі два варіанти розташування осі крильчатки (турбіни) вітрогенератора – горизонтальне та вертикальне.

Перевагою горизонтального(найпопулярнішого) розташуванняосі, розташованої у напрямку вітру, є ефективніше використання енергії вітру, недолік – ускладнення конструкції.

Сігурд Йоханнес Савоніус

Коефіцієнти аеродинамічного опору (англ. drag coefficients) $C_D$

увігнута половина циліндра (1) – 2,30

опукла половина циліндра (2) – 1,20

плоска квадратна пластина – 1,17

увігнута порожня напівсфера (3) – 1,42

опукла порожня напівсфера (4) – 0,38

Вказані значення наведено для чисел Рейнольдса (англ. Reynolds numbers) у діапазоні $10^4 – 10^6$. Число Рейнольдса характеризує поведінку тіла у середовищі.

Сила опору тіла повітряному потоку $ =<<1 \over 2>S \rho > $, де $\rho$ – щільність повітря, $v$ – швидкість повітряного потоку, $S$ – площа перетину тіла.

Така вітротурбіна обертається в ту саму сторону, незалежно від напрямку вітру:

Подібний принцип роботи використовується у чашковому анемометрі (англ. cup anemometer)– прилад для вимірювання швидкості вітру:

Така турбіна містить чотири лопаті, розташовані вздовж двох перпендикулярних осей з діаметром крильчатки 100 мм, висотою лопаті 60 мм, довжиною хорди 30 мм і висотою сегмента 11 мм. Крильчатка насаджена на вал колекторного мікродвигуна постійного струму з маркуванням JQ24-125p70. Номінальна напруга такого двигуна становить 3 . 12 Ст.

Енергії, що виробляється таким генератором, вистачає для світіння "білого" світлодіода.

Ефективність вітротурбіни можна оцінити, порівнявши потужність, що виробляється вітрогенератором, з потужністю, укладеною у вітрі, що обдує турбіну:

$P =<1\over 2>\rho S $ , Де $ \ rho $ - Щільність повітря (близько 1,225 кг / м 3 на рівні моря), $ S $ - ометаема площа турбіни (англ. swept area), $ V $ - швидкість вітру.

Спочатку в крильчатці мого генератора використано чотири лопаті у вигляді сегментів (половинок) циліндрів, вирізаних з пластикових труб:

довжина сегмента – 14 см;

висота сегмента – 2 см;

довжина хорди сегмента – 4 см;

довжина сегмента – 18 см;

висота сегмента – 5 см;

довжина хорди сегмента – 7 см;

відстань від початку сегмента до центру осі обертання – 3 див.

Міцність текстоліту на вигин перпендикулярно до пластини становить 204 МПа і порівняємо з міцністю на вигин алюмінію – 275 МПа. Але модуль пружності алюмінію $E$ (70000 МПа) набагато більше, ніж текстоліт (10000 МПа), тобто. тексоліт набагато еластичніший за алюміній. Це, на мою думку, з урахуванням більшої товщини текстолітових власників забезпечить набагато більшу надійність кріплення лопатей вітрогенератора.

Вітрогенератор змонтований на щоглі:

Недоліком турбіни Савоніуса є невисока ефективність – лише близько 15 % енергії вітру перетворюється на енергію обертання валу (це набагато менше, ніж може бути досягнуто з вітротурбіною Дар'ї(Англ. Darrieus wind turbine)), що використовує підйомну силу (англ. lift). Цей вид вітротурбіни був винайдений французьким авіаконструктором Жоржем Дар'є (Georges Jean Marie Darrieus) –патент США від 1931 року № 1,835,018 .

Перетворення електроенергії, що виробляється кроковим двигуном

Висновки крокового двигуна можуть бути підключені до двох мостових випрямлячів, зібраних з діодів Шоттки зниження падіння напруги на діодах.

Можна застосувати популярні діоди Шоттки 1N5817з максимальною зворотною напругою 20 В, 1N5819– 40 В та максимальним прямим середнім випрямленим струмом 1 А. Я з'єднав виходи випрямлячів послідовно з метою збільшення вихідної напруги.

Також можна використовувати два випрямлячі із середньою точкою. Такий випрямляч вимагає вдвічі менше діодів, але при цьому і вихідна напруга знижується вдвічі.

Потім пульсуюча напруга згладжується за допомогою ємнісного фільтра – конденсатора 1000 мкФ на 25 В. Для захисту від підвищеної напруги генерується паралельно конденсатору включений стабілітрон на 25 В.

схема мого вітрогенератора

електронний блок мого вітрогенератора

У вітряну погоду напруга холостого ходуна виході електронного блоку вітрогенератора досягає 10 В, а струм короткого замикання - 10 мА.

ПІДКЛЮЧЕННЯ ДО JOULE THIEF

Потім згладжена напруга з конденсатора може подаватися на Joule Thief- Низьковольтний DC-DCперетворювач. Я зібрав такий перетворювач на базі германієвого pnp-транзистора ГТ308В ( VT) та імпульсного трансформатора МІТ-4В (котушка L1- Висновки 2-3, L2– висновки 5-6):

Значення опору резистора Rпідбирається експериментально (залежно від типу транзистора) – доцільно використовувати змінний резистор на 4,7 кім і поступово зменшувати його опір, домагаючись стабільної роботи перетворювача.

мій перетворювач Joule Thief

ЗАРЯД ІОНІСТОРІВ (СУПЕРКОНДЕНСАТОРІВ)

Іоністор (суперконденсатор, англ. supercapacitor) являє собою гібрид конденсатора та хімічного джерела струму.

Іоністор – неполярнийелемент, але один із висновків може бути позначений “стрілкою” – для позначення полярності залишкової напруги після заряджання на заводі-виробнику.

Для початкових досліджень я використав іоністор 5R5D11F22Hємністю 0,22 Ф на напругу 5,5 В (діаметр 11,5 мм, висота 3,5 мм):

Я підключив його через діод до виходу Joule Thiefчерез германієвий діод Д310.

Для обмеження максимальної напруги зарядки іоністору можна використовувати стабілітрон або ланцюжок світлодіодів – я використовую ланцюжок з двохчервоних світлодіодів:

Для запобігання розряду вже зарядженого іоністора через обмежувальні світлодіоди HL1і HL2я додав ще один діод – VD2.

Мій саморобний вітрогенератор на кроковому двигуні, Мої захоплюючі та небезпечні експерименти

Мій саморобний вітрогенератор на кроковому двигуні Проїжджаючи на велосипеді повз дачні ділянки, я побачив працюючий вітрогенератор. Великі лопаті повільно, але вірно оберталися, флюгер

Кроковий двигун як генератор?

Валявся у мене кроковий двигун і вирішив я його спробувати використовувати як генератор. Двигун був знятий зі старого матричного принтера, написи на ньому наступні: EPM-142 EPM-4260 7410. Двигун попався уніполярний, це означає, що у цього двигуна 2 обмотки з відведенням від середини, опір обмоток склав 2х6ом.

Для тесту потрібний інший двигун, щоб розкрутити кроковий. Конструкція та кріплення двигунів показані на рисунках нижче:

Плавно запускаємо двигун, щоб гумка не злетіла. Треба сказати що на високих оборотахвона все ж таки злітає, тому напруга вище 6 вольт не піднімав.

Підключаємо вольтметр і починаємо тестувати, спершу міряємо напругу.

Думаю нічого пояснювати не потрібно і все зрозуміло на фотографії нижче. Напруга склала 16 вольт, обороти розкручує двигуни не великі, думаю якщо сильніше розкрутити те, можна і всі 20 вольт вичавити.

Виставляємо напругу трохи менше 5 вольт, так щоб кроковий двигун після мосту видавав близько 12 вольт.

Світить! Напруга при цьому з 12 вольт просіло до 8 і двигун став розкручувати трохи повільніше. Струм КЗ без світлодіодної стрічкисклав 0.08А – нагадаю, що розкручуючий двигун працював НЕ на повну потужність, І не забуваємо про другу обмотку крокового двигуна, просто паралелити їх не можна, а збирати схему мені не хотілося.

Думаю, з крокового двигуна можна виготовити непоганий генератор, причепити його на велосипед або зробити на його основі вітрогенератор.

Кроковий двигун як генератор? Меандр - цікава електроніка

Кроковий двигун як генератор? Валявся у мене кроковий двигун і вирішив я його спробувати використовувати як генератор. Двигун був знятий зі старого матричного принтера.

Я вже писав на початку літа про саморобний вітряк – анемометр.

Його метою було організувати збір статистики про вітер та прийняття на її основі рішення про будівництво великого серйозного вітряка. На жаль, не знайшлося ні програміста, який бажає написати програму обробки даних з анемометра, ні спеціаліста з мікроконтролерів для створення відповідного приладу. Тому, на жаль, довелося спостерігати за вітром візуально, благо флюгер був завжди на увазі. І на жаль, спостереження ці вкрай обтяжливі…

Справа в тому, що вітер у середній смузі європейської частини Росії має крайню турбулентність у своїх приземних шарах. Буквально протягом 3-5 хвилин вітряк багаторазово і зупиняється (або сильно сповільнюється) і розкручується так, що лопат не видно. При цьому напрям вітру змінюється в секторі до 90-120 градусів. Вкрай рідко бувають дні коли дме відносно сильний і рівний вітер. За все літо в моїй місцевості таких днів було всього 4. Було кілька штилевих днів. А решта — вітер був дуже турбулентний, і за швидкістю, і за напрямком.

У таких умовах робити «глобальний» вітроелектрогенератор (на 1-2 кВт або більше) абсолютно безглуздо. Він не тільки себе ніколи не окупить, але взагалі погано працюватиме. Оскільки потужний генератор вимагатиме великих лопатей, а вони володітимуть великою інерцією і, отже, «пропускатимуть» пориви сильного вітру. Тобто. просто не встигатимуть розкручуватися. Іноді такі пориви, що несуть у собі основну потужність «середнього» вітрового потоку, тривають всього 15-30 секунд.

Крім того, будь-який предмет, що обертається, має значний момент інерції в площині обертання і являє собою, по суті, гіроскоп. Сподіваюся, читач пам'ятає простий шкільний досвід із демонстрації гіроскопічного ефекту з велосипедним колесом. Будучи розкрученим, воно легко утримується буквально «двома пальцями» за один з кінців своєї осі, що стирчать. І його дуже важко повернути в бік і змусити крутитися в іншій площині. Приблизно те саме відбуватиметься і з пропелером вітряка при зміні напряму вітру. І вісь, і лопаті пропелера будуть відчувати жахливі бічні знакозмінні навантаження.

Ці обставини фактично ставлять жирний хрест на сподіваннях обійтися одним великим вітряком. Працюватиме він, звичайно ж буде. Але рідко і безглуздо. При слабких турбулентних вітрах він все одно видаватиме мізерну потужність, а при сильних – ви не знатимете куди подіти надлишок. І, звичайно, слід забути про його окупність. Він буде просто дорогою і красивою іграшкою, найбезглуздішим вкладенням засобів і праці, яке тільки можна уявити.

Перспективними конструкції вітряків - це невеликі малопотужні вітрогенератори, що мають практично нульову інерційність. Саме вони здатні взяти від вітру практично всю енергію, що він несе. Таких, щоб встигали швидко розкручуватися і відпрацьовувати зміну галсу. А для отримання великої потужності знадобиться влаштування своєрідного вітропарку вітряних генераторів, розташованих на різновисоких щоглах (що б не екранувати один одного від вітру). Це ж, до речі, значно підвищить буростійкість, вирішення проблем з потужними важкими щоглами та розтяжками (щогли будуть тримати один одного), з надійністю «електростанції» — адже всі генератори зламатися не можуть і плановий ремонт і обслуговування не призведуть до повної зупинки потужностей, що генерують. .

Прийшовши до таких невтішних висновків, вирішив переробити свій анемометр в робочу модель вітрогенератора. Тобто. замість безглуздого споглядання флюгера почати отримувати від нього практичну користь. Тим більше, що генератор вітряка є кроковим двигуном з 200 «кроками» на оборот і досить спритно генерує електрику навіть на малих оборотах. Потужність генератора приблизно Ватт 7-8

Насамперед знадобилася заміна лопат на менш інерційні. Лопухи від вентилятора все ж таки досить важкі. Нові лопаті вітряка я зробив їх із залишків алюмінієвого відливу для пластикових вікон. Діаметр пропелера — приблизно сантиметрів 50. Що обіцяє вихід на максимальну потужність для генератора вже за вітру 4 м/с. Вирізав із товстої фанери трикутник. Вклеїв у нього (епоксидною смолою) втулку, внутрішній діаметр якої збігався у діаметрі осі крокового моторчика. Ретельно розмітивши, зробив пропили у фанерному кокпіті і вклеїв у прорізі лопаті. Додатково зафіксував їх невеликими гвинтами. Поки епоксидка не застигла, постарався максимально збалансувати гвинт, що він не вібрував при обертанні. Після застигання епоксидної смоли ще раз перевірив балансування та довів його до досконалості шляхом зрізання найтонших смужок дюралю з країв лопатей.

Взагалі кажучи, маломірні вітрогенератори мають приємну властивість. Практично немає сенсу морочитися найскладнішими розрахунками КИЕВ, профілів лопаті та їх виготовленням. Чудово працюватимуть і найпростіші, плоскі. А потрібну потужність можна отримати простим їх подовженням (отже, збільшенням площі кидання).

Все це надзвичайно здешевлює вітрогенератор, з'являється сенс його виготовлення та використання. Зокрема, на свій я витратив приблизно 3-4 години часу (включаючи флюгер) і без урахування часу полімеризації епоксидної смоли. Витрати склали «нуль», оскільки робилося все «зі сміття», тобто. підручні матеріали.

Здавалося б, де можна використовувати такий малопотужний генератор? У перспективі, я збираюся використати його на… нагріванні води. Точніше, для компенсації тепловтрат води, нагрітої сонцем. Найпростіший розрахунок показує абсолютну спроможність моїх надій.

Допустимо, є якийсь бак – термос, літрів на 50, куди ввечері зливається нагріта до 50 градусів вода із сонячного колектора. Розмір бака приблизно 40 х 40 х 40 см. Відповідно площа поверхні дорівнюватиме 1 кв. метра. Бак оточений теплоізоляцією з Дотеплопровідності 0,15 Вт/м*град та товщиною 30 см. і тепловтрати становитимуть приблизно 0,5 Вт/град. Тобто. для того, щоб підтримувати різницю температур в 20-25 градусів між гарячою водою в баку-термосі і навколишнім повітрям, достатньо генератора потужністю всього 10-15 Вт! Він компенсуватиме тепловтрати і одного разу нагріта вода вже ніколи не охолоне. А якщо міцний вітерець — то ще й підігріється.

Зараз мій генератор крутиться поки що без навантаження, проходить «ходові випробування». Але найближчим часом я його примушу заряджати акумулятори у освітленні дачного туалету та підсвічування доріжки до нього. А то тягнути мережний провід туди і ліньки і важко, а міняти батарейки в китайському ліхтарі вже набридло.

Створення вітрогенераторане обов'язково означає виготовлення великого та потужного комплексу, здатного забезпечувати електроенергією цілий будинок чи групу споживачів. Можна виготовити , що є, по суті, модель серйозної установки, що діє. Метою такого заходу може бути:

Ознайомлення із основами вітроенергетики.
Спільні навчальні заняття із дітьми.
Експериментальний зразок, що передує будівництво великої установки.

Створення такого вітряка не вимагатиме використання великої кількості матеріалів або інструментів, можна обійтися підручними засобами. Розраховувати на вироблення серйозних обсягів енергії не доводиться, але живлення невеликого світильника на світлодіодах може вистачити. Основна проблема, що існує під час створення - це генератор. Його складно створити самостійно, оскільки розміри пристрою невеликі. Найпростіше використовувати , що дозволяє використовувати його в режимі генератора.

Саморобний вітряк на основі крокового двигуна

Найчастіше, при виготовленні малопотужних вітрогенераторіввикористовують крокові електродвигуни. Особливість їх конструкції полягає у наявності кількох обмоток. Зазвичай, залежно від розміру та призначення, виготовляють двигуни з 2, 4 або 8 обмотками (фазами). При подачі напруги на них по черзі вал відповідно повертається певний кут (крок).

Перевага крокових двигунів полягає у здатності виробляти досить великий струм при низьких швидкостяхобертання. На генератор з крокового двигуна можна встановити крильчатку без будь-яких проміжних пристроїв – передач, редукторів тощо. Вироблення електроенергії буде проводитися з такою ж ефективністю, як і на пристроях іншої конструкції з використанням передач.

Різниця в швидкостях дуже суттєва - для отримання такого ж результату, наприклад, на колекторному двигуні, потрібно швидкість обертання в 10 або 15 разів більше.

Вважається, що за допомогою генератора з крокового двигуна можна заряджати акумулятори або батареї мобільних телефонів, але практично позитивні результати відзначаються вкрай рідко. В основному виходять джерела живлення для невеликих світильників.

До недоліків крокових двигунів можна віднести значне зусилля, необхідне початку обертання. Ця обставина знижує чутливість всієї , що можна дещо скоригувати шляхом збільшення площі та розмаху лопатей.

Знайти такі двигуни можна у старих дисководах для гнучких носіїв, у сканерах або принтерах. Як варіант, можна придбати новий двигунякщо в запасі потрібного пристрою не виявиться. Для більшого ефекту слід вибирати більші двигуни, вони здатні видавати досить велику напругу, щоб його можна було якось використовувати.

Вітрогенератор із деталей від принтера

Один з відповідних варіантів- Використання крокового двигуна від принтера. Його можна витягти з старого пристрою, що вийшов з ладу, в кожному принтері як мінімум два таких двигуни. Як варіант, можна придбати новий, який не був в експлуатації. Він здатний виробляти потужність близько 3 ват навіть за слабкого вітру, типовому більшість регіонів Росії. Напруга, яка може бути досягнута, становить 12 і більше, що дозволяє розглядати пристрій як можливість зарядки акумуляторів.

Кроковий двигунвидає змінну напругу. Для користувача необхідно насамперед випрямити його. Потрібно створити діодний випрямляч, для чого потрібно по 2 діоди на кожну котушку. Можна і безпосередньо підключити світлодіод до висновків котушки, за достатньої швидкості цього вистачить.

Крильчатку ротора найпростіше встановити прямо на вал двигуна. Для цього треба виготовити центральну частину, здатну щільно сідати на вал. Додаючи посилення фіксації крильчатки необхідно просвердлити отвір і нарізати в ньому різьблення. Згодом у нього загвинчуватиметься стопорний гвинт.

Для виготовлення лопат зазвичай використовують поліпропіленові каналізаційні труби або інші відповідні матеріали. Головною умовою є мала вага та достатня міцність, оскільки лопаті іноді набирають цілком пристойну швидкість. Використання ненадійних матеріалів може створити небажану ситуацію, коли крильчатка розвалюється на ходу.

Лопаті

Зазвичай виготовляють по 2 лопаті, але можна зробити і більшу кількість. Необхідно пам'ятати, що велика площа лопатей підвищує КИЕВ вітрякаале паралельно з цим збільшується фронтальне навантаження на крильчатку, що передається валу двигуна. Виготовлення маленьких лопатей також не рекомендується, оскільки вони не зможуть подолати залипання валу під час старту обертання.

Для можливості обертання вітряка довкола вертикальної осі треба зробити спеціальний вузол. Складність у цьому полягає у необхідності забезпечити нерухомість кабелю, що йде від генератора. Оскільки пристрій має, швидше, декоративне призначення, зазвичай підходять до питання простіше - споживач встановлюють прямо на корпусі генератора, виключаючи присутність довгого кабелю. А якщо ні, то доведеться монтувати систему на кшталт щіткового колектора, що нераціонально і вимагає великої кількості часу.

Щогла

Зібраний вітряк необхідно встановити на висотою щонайменше 3 метри. Потоки вітру біля землі мають нестабільний напрямок, викликане турбулентністю. Підйом на деяку висоту допоможе отримати рівномірніші потоки. Для самостійної установкина вітер по осі обертання встановлюють хвостовий стабілізатор, що грає роль флюгера. Він виготовляється з будь-якого шматка пластмаси, алюмінієвої пластинки або іншого підручного матеріалу.

Головна » Права та обов'язки » Генератор із крокового двигуна. Вітровий генератор з двигуна постійного струму Кроковий двигун як генератор