Кинематическая схема нашей ВЭС показана на рис. 12.
Рис. 12
Вариантов изготовления может быть несколько. Рассказывать с подробной деталировкой о каком-либо варианте нет необходимости. Все зависит от материальных возможностей конструктора. Просто дадим несколько рекомендаций.
На чертеже (рис. 12) показаны: 1 — воздушный винт со ступицей; 2 — ведущий шкив. Изготавливается на токарном станке из материала, который доступен, — из чугуна, алюминиевого сплава, текстолита. Можно даже, на худой конец, из толстой фанеры с металлическим фланцем. Профиль канавки шкива выгачивают точно такой же, как на штатном шкиве генератора; 3 — ведущий вал. Его диаметр не должен быть менее 30 мм; 4 — генератор Г-221; 5 — два подшипника устанавливают в корпусах с сальниками, которые снаружи не пропускают пыль, изнутри не дают вытекать смазке. Очень хорошо подходят подшипники вместе с корпусами, применяемыми в сельскохозяйственной технике, например, в хлебоуборочных комбайнах. Двухрядные «плавающие» подшипники допускают погрешности в установке, не влияя на легкость вращения вала, хорошо закрыты, не требуют частой смазки, легко устанавливаются на вал при помощи специальных конических зажимных втулок с гайками. Валом в этом случае может служить отрезок стального прутка диаметром не менее 30 мм без токарной обработки (зажимные втулки подшипников это позволяют). Корпуса подшипников устанавливают на полке 6; 7 — устройство натяжения приводного ремня, представляющее собой планку с прорезью шарнирного укрепления на станине; 8 — токосъемные кольца; 9 — изоляционная колодка с щетками; 10 — крепление генератора; 11 — приводной ремень; 12 — корпус-станина. Ее можно сварить из уголка. Снаружи все устройство закрывается листами металла для защиты от воздействий внешней среды.
Габариты станины определяются конструкцией установки. Для основания станины надо использовать стальную плиту толщиной миллиметров 8 или же принять другие меры для повышения жесткости, например — наварить ребра жесткости из уголка, так как конструкция будет испытывать значительные нагрузки.
Токосъем и узел поворота
Чтобы подвести электроэнергию от генератора к потребителю, просто подключить провода нельзя. Наша ВЭС должна и будет поворачиваться к ветру, который не всегда дует по одному направлению. Провода рано или поздно перекрутятся вокруг мачты и оборвутся. Поэтому надо обеспечить подвижное электрическое соединение.
На рис. 13 приведена одна из возможных конструкций поворотного узла с токосъемом.
Рис. 13
Размеры не указаны, так как они будут зависеть от имеющихся подшипников, на которых наша ВЭС будет поворачиваться к ветру. Желательны подшипники с внутренним посадочным диаметром не менее 60 мм. На чертеже указаны: 1 — корпус подшипников, он крепится 4–6 болтами к нижней плите станины ВЭС; 2 — плита; 3, 9 — шарикоподшипники (можно применить и конические роликовые, но конструкцию деталей 1 и 4 надо будет изменить); 4 — ось-втулка. На этой оси будет вращаться вся ВЭС. Нижний конец оси укрепляется на вершине мачты; 5 — текстолитовая насадка с внутренними каналами для проводов; 6 — контактные токосъемные кольца. Вытачиваются из латуни, а еще лучше — из бронзы; 7 — щетки. Лучше всего медно-графитовые. Их надо установить на плоских пружинах, чтобы обеспечить хороший контакт; 8 — стойка из изоляционного материала для крепления щеток; 10 — нижняя защитная крышка; 11 — провода.
Конструкция этого узла может быть и другой. Здесь важно только соблюсти два условия — обеспечить легкий поворот на 360° вокруг внутренней оси и хороший надежный токосъем для подключения генератора к сети потребления.
Мачта
Чтобы наша ВЭС хорошо работала, надо поднять ее на достаточную высоту, где поток воздуха не преграждается рядом стоящими домами, деревьями и др. Для этого можно, в самом простом варианте, поставить столб, наподобие телеграфного. Высота в 6–7 метров будет вполне достаточна. От мачты требуется: достаточная высота, надежность конструкции и установки, такая, чтобы наша ВЭС однажды не свалилась на головы проходящих, и возможность легкого доступа для проведения осмотра и профилактических работ. На рис. 14 приведен вариант мачтового устройства, отвечающий всем перечисленным требованиям.
Рис. 14.
На чертеже: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор с генератором; 3 — стабилизатор; 4 — поворотный узел; 5 — хомут для крепления 4-х растяжек; 6 — мачта; 7 — ось; 8 — затяжка; 9 — два швеллера, вкопанных (а лучше — забетонированных) в землю; 10 — запорный штырь; 11 — противовес.
Для осмотра ВЭС нужно отцепить только одну растяжку из четырех, на чертеже (не показана) направленную к нам. Вынув запорный штырь и придерживая за отцепленную растяжку, опускают агрегат вниз. Противовес служит для облегчения подъема-спуска. При равенстве веса обоих плеч относительно оси поворота опускать агрегат можно одному человеку без всяких усилий. Лучше сделать противовес тяжелее. Это исключит возможность случайного падения и поломки воздушного винта при отцепленных растяжках и вынутом запорном штыре.
На время длительных перерывов в работе ВЭС рекомендуется опускать агрегат и даже снять воздушный винт.
Электрическая сеть ВЭС
Всю электрическую схему электросети можно подразделить на три основные составляющие. Это генератор — источник электроэнергии; батарея аккумуляторов, запасающих электроэнергию впрок; потребители. Все они соединены электропроводкой и дополнены коммуникационными аппаратами — выключателями, розетками, предохранителями.
Работа электроустановки возможна в трех вариантах:
1. Дует хороший ветер. Вырабатываемая электроэнергия поступает к потребителям. Одновременно подзаряжаются батареи аккумуляторов.
2. Ветер отсутствует. К потребителям энергия поступает от аккумуляторов.
3. Генератор не работает. Потребители отключены. Это режим хранения запасенной энергии.
Может быть также и четвертый режим. Это тогда, когда потребляемое количество энергии превышает количество, вырабатываемое генератором. Это может быть при повышенной нагрузке, при слабом ветре. Тогда в помощь генератору подключается аккумулятор. Причем это происходит автоматически.
Приведенные примеры показывают, сколь необходимы в составе электроустановки аккумуляторы. И чем больше их емкость — тем лучше. Самыми доступными являются кислотные аккумуляторы для легковых автомобилей емкостью 55 ампер-часов 6-СТ-55. Для нашего случая подойдут любые 12-вольтовые аккумуляторные батареи. Батареи можно соединять параллельно для увеличения емкости. Только не следует соединять батареи с разными сроками хранения. В этом случае старая батарея может начать разряжать новую. Лучше всего раздобыть более емкую батарею, например, типа 6-СТ-150. Здесь опять все зависит от многих факторов — от частоты и силы ветра в данной местности, от нагрузки, какую мы хотим подключить к электрической сети, от суммарного времени включения этой нагрузки. В процессе эксплуатации вскоре станет ясно, достаточна емкость имеющегося аккумулятора или нет.
О техническом обслуживании аккумуляторных батарей имеется много литературы, инструкций и правил. Поэтому здесь об этом говорить не будем.
Перейдем к описанию электрической схемы. Как было показано выше, генератор при различных скоростях вращения ротора может выдавать самое разное напряжение — от нуля до 35–40 вольт. Таким напряжением пользоваться нельзя. Поэтому к генератору подключают специальные регуляторы напряжения. Нам можно применить схему регулирования, применяющуюся в автомобилях ВАЗ. Такая схема показана на рис. 15.
Рис. 15.Схема регулирования напряжения. Номера выводов на генераторе и реле соответствуют выбитым номерам на корпусах этих приборов
На схеме:1 — узел генератора Г-221; 2 — узел аккумулятор ной батареи и регулировки напряжения; 3 — потребитель энергии. В узле 2: SA1 — отключатель генератора от потребителей; SA2— выключатель нагрузки центральный (общий); FU1 — предохранитель (устанавливается в зависимости от тока нагрузки); БА — батарея аккумуляторов; РА1 — амперметр с «нулем» посреди шкалы. По этому прибору можно видеть ток заряда или разряда аккумулятора. Шкала его, в зависимости от емкости аккумулятора, может быть 30-0-30А; 50-0-50А; прибор полезный, но не обязательный; РА2 — вольтметр 0-15 В также не обязателен. EL1 — сигнальная лампочка на 12 В зарядки аккумулятора; РС702 — реле контрольной (сигнальной) лампы зарядки; это реле сработает при начале зарядки аккумулятора, лампочка EL1 при этом гаснет; РР380 — реле — регулятор напряжения.
Следует заметить, что эта система электромеханического регулирования напряжения довольно несовершенна, груба и ненадежна, хотя и применяется на современных автомобилях. Поэтому, если идет речь о покупке, то вместо этих двух реле, РС702 и РР380, лучше приобрести электронный регулятор РН-4. С этим регулятором точность и надежность работы резко повышается. Отпадает необходимость в четырехпроводной связи генератора с нагрузкой, токосъем можно сделать из трех колец. Схема всей электроустановки показана на рис. 16.
Рис. 16
В обеих схемах нагрузка показана чисто условно. Лампочки освещения, розетки и выключатели устанавливают по необходимости и желанию.
Провода, применяемые для соединений всей электрической схемы, надо брать возможно большего сечения. Самыми подходящими будут медные многожильные провода в изоляции с общим сечением жил 3–4 мм. Токи, протекающие по проводам, довольно значительны, десятки ампер. В таких проводах произойдет значительное падение напряжения. Минусовой провод желательно заземлить. Это резко уменьшит помехи при приеме радио- и телепередач.