Создание бюджетного ветряного генератора для автономной системы "Венера" (часть 2п)

Подробно расписываю и показываю реальную стоимость на данный момент!

Я бы от руки лучше не нарисовал @художник :)

Перед основной частью нужно разобрать всё по полкам и самые очевидные, как может показаться, вещи тоже. Ветрогенератор очень немногим очевидная вещь, как и мне. Давайте разбираться.

План по сборке ветроэлектрогенератора из деталей, которые можно найти на Авито.

Описание будет включать выбор компонентов (по 3-5 вариантов для каждой части, чтобы была вариативность (чтобы через 2 года не переписывать)), их совместимость, процесс сборки, подключения, настройки, защиты от погодных условий и инструкции по эксплуатации.

Общий план ветроэлектрогенератора

Мы создадим ветрогенератор, который будет генерировать электроэнергию для дома в сельской местности. Конструкция включает вышку, генератор, лопасти, хвостовую часть, систему хранения энергии (аккумуляторы, контроллер, инвертор) и защитные элементы.

1. Вышка

Вышка должна быть прочной, чтобы выдерживать вес генератора, лопастей и ветровые нагрузки. Высота — 12 м для оптимального доступа к ветру.

Варианты с Авито (это не реклама, надеюсь, не придется убирать название):

1. Труба стальная бесшовная 108х4 мм, 12 м
   Цена: ~12 000 руб.
   Надежная труба для вышки, вес около 120 кг, устойчива к коррозии при правильной обработке.
2. Труба профильная 100х100х4 мм, 12 м
   Цена: ~10 500 руб.
   Квадратный профиль, чуть легче (около 110 кг), но сложнее для крепления генератора.
3. Труба водопроводная 100 мм, 12 м (б/у)
   Цена: ~8 000 руб.
   Б/у труба, может иметь следы коррозии, требует обработки.
4. Мачта освещения 12 м (б/у)
   Цена: ~15 000 руб.
   Уже готовая мачта, но может быть тяжелее (до 150 кг) и потребует проверки на коррозию.
5. Труба стальная 114х4 мм, 12 м
   Цена: ~13 500 руб.
   Чуть больший диаметр, вес около 130 кг, хорошая устойчивость.

Берем из этого списка, учитывая данный момент, трубу стальную бесшовную 108х4 мм, 12 м, так как она универсальна, не слишком тяжелая и совместима с креплениями для генератора. Профильные трубы сложнее обрабатывать для крепления платформы генератора, а б/у трубы могут быть ненадежными из-за разницы в толщинах по длине и диаметрам (работаю в продажах металлопроката, поэтому есть представление, кстати, если не в розницу брать, то цена сейчас около 90 рублей за кг, а в некоторых местах и 80 рублей за кг).

Установка и крепление:

1. Фундамент:
   Сделаем яму 0,5 м в диаметре и 1,5 м глубиной.
   Установим арматуру: 4 прута диаметром 10 мм, длиной 1,5 м, связанные проволокой в квадрат (Арматура за кг - около 70-80 рублей сейчас).
   Заливаем бетоном (около 0,3 м³, марка М200 (стоимость около 8000 р/м3)). Вставим в бетон 4 анкерных болта М16 (длина 40 см) для крепления основания вышки.
   Даем бетону застыть 48 часов.
2. Крепление вышки:
   Привариваем к нижнему концу трубы стальную плиту 30х30 см (толщина 5 мм) с 4 отверстиями под болты М16.
   Закрепляем плиту на анкерных болтах, затянув гайки.
3. Растяжки для устойчивости:
   Используем 4 стальных троса (диаметр 6 мм, длина 8 м) - здесь может подойти и самый дешевый ГОСТ 2688-80 - стоимость такого будет около 200р/м.п..
   На высоте 8 м привариваем к трубе 4 хомута (например, хомуты для труб 108 мм - стоимость около 2000 рублей).
   Закрепляем тросы на хомутах и протягиваем их к земле под углом 45 градусов.
   На земле устанавливаем анкерные болты (например, анкерный болт М12 с кольцом) на расстоянии 6 м от основания, закрепляем в них тросы.

Защита от погоды, что часто приуменьшается (кстати изначально, при наличии денег, можно использовать и оцинкованные трубы и тросы - тогда будет на долго точно):

• Обрабатываем трубу антикоррозийной грунтовкой (например, ГФ-021 - часто ее для резервуаров используют вертикально стоящих) и покрасим эмалью (например, ПФ-115, цвет серый - также на опыте и не сильно дорого и эффективно) в 2 слоя.
• Проверяем герметичность сварных швов, чтобы точно наверняка - эта ошибка очень часто приводит к уменьшению срока службы продукции - и при необходимости замазываем их силиконовым герметиком.

2. Генератор

Генератор преобразует вращение лопастей в электричество. Мы выбираем автомобильный альтернатор, так как он доступен и подходит для DIY.

Варианты с Авито на сегодня:

1. Автомобильный генератор ГАЗ-53, 12 В, 60 А
   Цена: ~3 000 руб.
   Надежный, но требует проверки состояния.
2. Генератор ВАЗ-2110, 14 В, 80 А
   Цена: ~2 500 руб.
   Более современный, но может быть изношен.
3. Генератор КамАЗ, 24 В, 50 А
   Цена: ~4 000 руб.
   Подходит для 24 В системы, но требует адаптации.
4. Генератор от трактора МТЗ-80, 14 В, 40 А
   Цена: ~2 800 руб.
   Простой, но менее мощный.
5. Генератор Bosch от BMW, 14 В, 90 А (б/у)
   Цена: ~5 000 руб.
   Высокая мощность, но дороже и может быть изношен.

Выбор на момент написания:

Генератор ВАЗ-2110, 14 В, 80 А, так как он подходит для 12 В системы (с батареями 12 В), имеет встроенный регулятор напряжения и легко-доступен. Генераторы на 24 В (как от КамАЗ) потребуют другой системы аккумуляторов, что усложнит сборку, а я хочу максимально простой системы сейчас.

Установка и крепление:

1. Платформа для генератора:
   На верхнем конце вышки привариваем стальную платформу 20х20 см (толщина 5 мм).
   Просверливаем в этой платформе 4 отверстия под болты М8, соответствующие крепежным отверстиям генератора.
2. Крепление:
   Устанавливаем генератор на платформу так, чтобы вал был направлен горизонтально.
   Закрепляем генератор 4 болтами М8 с гайками и шайбами.
3. Поворотный механизм:
   Под платформой надо установить подшипник (например, подшипник 6205, диаметр 25 мм) для поворота генератора по ветру.
   Привариваем к подшипнику штангу для хвоста.

Фотопример из свободных источников

Защита от погодных условий:

• Обматываем корпус генератора лентой липкой ПВХ-Л для защиты от влаги.
• Устанавливаем над генератором защитный кожух из ПВХ-трубы (диаметр 160 мм, длина 30 см), разрезанной вдоль и закрепленной хомутами.

3. Лопасти

Лопасти должны быть изогнутыми, из стального листа, длиной 3 м, шириной 0,5 м, толщиной 3 мм.

Варианты на авито и не только:

1. Лист стальной 3 мм, 1,5х3 м
   Цена: ~4 500 руб.
   Подходит для вырезания 3 лопастей.
2. Лист оцинкованный 3 мм, 1,25х3 м
   Цена: ~4 000 руб.
   Легче, но менее прочный.
3. Лист нержавеющий 3 мм, 1х3 м
   Цена: ~6 000 руб.
   Дорогой, но устойчив к коррозии.
4. Лист стальной 4 мм, 1,5х3 м (б/у)
   Цена: ~3 800 руб.
   Толще, тяжелее, требует обработки.
5. Лист алюминиевый 3 мм, 1,5х3 м
   Цена: ~5 500 руб.
   Легкий, но менее прочный.

Опять же в оптовом сегменте для юр лиц эти цены будут ниже.

А, на данный момент, в сегменте для обычных людей, выбираю лист стальной 3 мм, 1,5х3 м, так как он прочный, доступный и подходит для создания лопастей нужной формы. Алюминий слишком легкий и может деформироваться, а оцинковка хоть и кажется, что будет спасать, но по факту при погнутии, при установке и прочем вся весь цинк собьем с нее и смысл уйдет, края быстро заржавеют и т.д. - т.е. красить придется в любом случае.

Изготовление и установка:

Рисунок неизвесного с просторов интернета

1. Вырезание лопастей:
   Вообще я нашел вот такой интересный рисунок в интернете и сразу сюда решил сюда впихнуть его. Вырезаем 3 лопасти размером 3 м в длину и 0,5 м в ширину (в самой широкой части).
   Придаем форму серпа с радиусом кривизны 2 м (можно сделать шаблон из картона заранее).
2. Ступица:
   Берем стальной диск (диаметр 40 см, толщина 5 мм, можно найти на Avito за ~1 500 руб.).
   Привариваем лопасти к диску под углом 120 градусов друг к другу.
3. Крепление к генератору:
   Просверливаем в центре ступицы отверстие под вал генератора (диаметр 2 см).
   Используем муфту (например, муфта соединительная 20 мм) и закрепляем 4 болтами М10.
4. Настройка:
   Важно установить угол атаки лопастей 15 градусов (регулировать нужно будет прямо при креплении, измеряя угломером).
   Проверяем балансировку: если одна лопасть перевешивает, привариваем к легкой стороне груз (например, кусок металла 100 г).

Вместо цинка, раз взяли не нержавейку:

• Красим лопасти антикоррозийной краской (например, Hammerite) в 2 слоя.
• Проверяем снова сварные швы, замазываем их герметиком.

4. Хвостовая часть

Хвост направляет генератор по ветру.

Смотрим тамже варианты:

1. Лист стальной 2 мм, 0,5х0,7 м
   Цена: ~500 руб.
   Прочный, но тяжелый.
2. Лист алюминиевый 2 мм, 0,5х0,7 м
   Цена: ~700 руб.
   Легкий, но менее устойчив.
3. Фанера 10 мм, 0,5х0,7 м
   Цена: ~300 руб.
   Дешевая, но требует защиты от влаги плюс хрупкая (я считаю).
4. Лист оцинкованный 1 мм, 0,5х0,7 м
   Цена: ~400 руб.
   Легкий, но может гнуться.
5. Пластиковый лист 3 мм, 0,5х0,7 м
   Цена: ~600 руб.
   Легкий, но менее прочный.

Выбор упал на лист стальной 2 мм, 0,5х0,7 м, так как он прочный и устойчив к ветру. Фанера быстро изнашивается и ломается, а пластик и алюминий могут деформироваться.

Установка:

1. Изготовление:
   Вырезаем прямоугольник 500х700мм.
2. Крепление:
   Берем стальной пруток (диаметр 20мм, длина 1000 мм, цена ~500 руб.).
   Привариваем его к платформе генератора с противоположной стороны от лопастей.
   А сам хвост к концу круга.

В конце также красим хвост и круг антикоррозийной краской (Hammerite) в 2 слоя.

5. Система хранения и управления

Красивое схематичное сгенерированное изображение.

Система включает аккумуляторы, контроллер заряда и инвертор.

Аккумуляторы (8 штук, 12 В, 100 А·ч):

1. Аккумулятор автомобильный 12 В, 100 А·ч (б/у)
   Цена: ~3 000 руб./шт.
   Дешевый, но требует проверки.
2. Аккумулятор гелевый 12 В, 100 А·ч
   Цена: ~8 000 руб./шт.
   Надежный, но дорогой.
3. Аккумулятор от ИБП 12 В, 100 А·ч (б/у)
   Цена: ~4 000 руб./шт.
   Средний вариант, но может быть изношен.
4. Аккумулятор 12 В, 90 А·ч (б/у)
   Цена: ~2 500 руб./шт.
   Меньшая емкость, дешевле.
5. Аккумулятор AGM 12 В, 100 А·ч
   Цена: ~9 000 руб./шт.
   Долговечный, но дорогой.

Выбираем Аккумулятор автомобильный 12 В, 100 А·ч (б/у), так как это бюджетный вариант, совместимый с генератором 12 В.

Контроллер заряда:

1. Контроллер заряда PWM 12/24 В, 20 А
   Цена: ~1 500 руб.
   Простой, но менее эффективный.
2. Контроллер заряда MPPT 12/24 В, 20 А
   Цена: ~3 000 руб.
   Более эффективный.
3. Контроллер заряда для ветрогенератора 12 В, 30 А
   Цена: ~2 500 руб.
   Специализированный.
4. Контроллер заряда 12 В, 10 А (б/у)
   Цена: ~1 000 руб.
   Дешевый, но слабый.
5. Контроллер заряда гибридный (ветер/солнце) 12/24 В, 20 А
   Цена: ~4 000 руб.
   Универсальный, но дороже.

Выбираем Контроллер заряда MPPT 12/24 В, 20 А, так как он эффективен и подходит для 12 В системы.

Инвертор:

1. Инвертор 12 В → 220 В, 5 кВт
   Цена: ~10 000 руб.
   Подходит для бытовых нужд.
2. Инвертор 12 В → 220 В, 3 кВт (б/у)
   Цена: ~6 000 руб.
   Дешевле, но слабее.
3. Инвертор 24 В → 220 В, 5 кВт
   Цена: ~11 000 руб.
   Не подходит (нужен 12 В).
4. Инвертор 12 В → 220 В, 2 кВт
   Цена: ~5 000 руб.
   Слишком слабый.
5. Инвертор с чистым синусом 12 В → 220 В, 5 кВт
   Цена: ~12 000 руб.
   Лучший вариант, но дороже.

Выбор: Выбираем Инвертор 12 В → 220 В, 5 кВт, так как он совместим с системой 12 В и достаточно мощный.

Установка и подключение:

1. Ящик для оборудования:
   Берем металлический ящик 1х1х0,5 м (цена ~3 000 руб.).
   Устанавливаем его на бетонную плиту (0,5х0,5 м) у основания вышки.
2. Размещение:
   Устанавливаем 8 аккумуляторов в ящик (по 4 в ряд, соединенных последовательно-параллельно для 48 В).
   Рядом устанавливаем контроллер и инвертор.
3. Подключение:
   Генератор → Контроллер:
   Используем кабель 10 мм², длина 15 м.
   Подключаем 2 провода от генератора (положительный и отрицательный) к клеммам "Wind Input" на контроллере.
   Контроллер → Аккумуляторы:
   Используем кабель 16 мм².
   Соединяем аккумуляторы: 4 группы по 2 аккумулятора последовательно (24 В), затем 2 группы параллельно (48 В).
   Подключаем к клеммам "Battery" на контроллере.
   Аккумуляторы → Инвертор:
   Используем кабель 16 мм².
   Подключаем к клеммам инвертора (DC Input).
   Инвертор → Нагрузка:
   Используем кабель 6 мм².
   Подключаем к выходу инвертора (220 В) бытовые приборы.
4. Настройка:
   На контроллере надо будет установить тип аккумуляторов (свинцово-кислотные) и напряжение (48 В).
   На инверторе установим выходное напряжение 220 В, проверяем пиковую нагрузку (до 7 кВт).

Защита от погоды:

• Ящик должен быть герметичным, с резиновыми уплотнителями на крышке.
• Также и сам ящик красим антикоррозийной краской.
• Устанавливаем вентиляционные отверстия с мелкой (отметил это, потому что боюсь, что большие ячейки дадут доступ птицам и прочим нежелательным элементам в нашем ящике) сеткой для отвода тепла.

Инструкция по настройке и использованию

1. Проверка перед запуском:
   Важно убедиться, что лопасти сбалансированы и свободно вращаются.
   Проверяем все электрические соединения на надежность.
   Убеждаемся, что вышка устойчива, а тросы натянуты.
2. Запуск:
   Включаем контроллер заряда.
   Включаем инвертор.
   Наблюдаем за вращением лопастей: они должны начать вращаться при ветре от 3 м/с.
3. Настройка:
   На контроллере устанавливаем порог отключения при перезаряде (14,4 В на аккумулятор).
   Проверяем балансировку лопастей: если генератор вибрирует, добавляем грузики.
4. Использование:
   Подключаем нагрузку (220 В) к инвертору.
   Следим за уровнем заряда аккумуляторов через контроллер.
   В сильный ветер (более 15 м/с) вручную нужно будет замкнуть провода генератора (можно через выключатель (для нормальных людей)) для торможения лопастей.
5. Обслуживание:
   Раз в месяц проверять крепления, подтягивать болты.
   Раз в 3 месяца смазывать подшипник генератора (смазка Литол-24 точно подойдет).
   Проверять состояние аккумуляторов нужно обязательно и доливать дистиллированную воду (если свинцово-кислотные).

Итоговая стоимость

• Вышка: 12 000 руб.
• Генератор: 2 500 руб.
• Лопасти (лист): 4 500 руб.
• Хвост (лист): 500 руб.
• Аккумуляторы (8 шт.): 24 000 руб.
• Контроллер: 3 000 руб.
• Инвертор: 10 000 руб.
• Дополнительно (кабели, болты, ящик): ~5 000 руб.
  Итого: ~61 500 руб.

Характеристики сделанной системы

• Генератор: ВАЗ-2110, 14 В, 80 А. При оптимальных оборотах (около 2000 об/мин) выдает примерно 12 В × 80 А = 960 Вт (в идеальных условиях). Реально, с учетом КПД (около 70%) и переменной скорости ветра, средняя мощность составит около 500–600 Вт при ветре 5–7 м/с.
• Аккумуляторы: 8 автомобильных аккумуляторов, 12 В, 100 А·ч, соединены для 48 В системы. Общая емкость: 4 параллельных группы по 2 аккумулятора (48 В, 400 А·ч). Энергия: 48 В × 400 А·ч = 19 200 Вт·ч (19,2 кВт·ч). Реально доступно около 50% емкости (для продления срока службы аккумуляторов), то есть 9,6 кВт·ч.
• Инвертор: 12 В → 220 В, 5 кВт. Максимальная нагрузка — 5 кВт, но длительная — около 4 кВт с учетом КПД (90%).
• Выработка энергии: Предположим, что ветрогенератор работает 12 часов в сутки при средней мощности 500 Вт. Это дает 500 Вт × 12 ч = 6 кВт·ч в сутки. Если ветра меньше, выработка может упасть до 3–4 кВт·ч.

Среднестатистические потребности домохозяйства

Среднестатистическая семья из 3–4 человек в сельской местности потребляет около 10–15 кВт·ч в сутки, но с нашей системой (6 кВт·ч выработки + 9,6 кВт·ч запаса в аккумуляторах) мы будем ориентироваться на экономное потребление. Рассмотрим типичные приборы, их мощность и время использования.

Список приборов и расчет потребления

Ниже приведены приборы, которые могут быть подключены к системе, с учетом их мощности, времени работы и общего энергопотребления. Мы будем стараться уложиться в 6 кВт·ч выработки в сутки, используя запас аккумуляторов (9,6 кВт·ч) для пиковых нагрузок.

1. Освещение

• Светодиодные лампы (4 шт., 10 Вт каждая)
  Мощность: 4 × 10 Вт = 40 Вт.
  Время работы: 5 часов в сутки.
  Потребление: 40 Вт × 5 ч = 200 Вт·ч (0,2 кВт·ч).
  Описание: Освещение для гостиной, кухни, спальни и ванной. LED-лампы экономичны и обеспечивают достаточно света (эквивалент 60 Вт лампы накаливания).

2. Холодильник

• Холодильник бытовой (например, "Бирюса", класс A+)
  Мощность: 100 Вт (в среднем, с учетом компрессора).
  Время работы: Компрессор работает около 8 часов в сутки.
  Потребление: 100 Вт × 8 ч = 800 Вт·ч (0,8 кВт·ч).

3. Телевизор

• Телевизор LED 32 дюйма (например, "Samsung")
  Мощность: 50 Вт.
  Время работы: 4 часа в сутки.
  Потребление: 50 Вт × 4 ч = 200 Вт·ч (0,2 кВт·ч).
  Для обязательного :) вечернего просмотра новостей, фильмов или передач.

4. Зарядка гаджетов

• Зарядные устройства для телефонов и ноутбуков (3 устройства)
  Мощность: Телефон — 10 Вт, ноутбук — 60 Вт. Итого: 2 × 10 Вт + 60 Вт = 80 Вт.
  Время работы: 2 часа в сутки.
  Потребление: 80 Вт × 2 ч = 160 Вт·ч (0,16 кВт·ч).

5. Водяной насос

• Погружной насос для воды (например, "Водолей")
  Мощность: 400 Вт.
  Время работы: 1 час в сутки (для подачи воды в дом).
  Потребление: 400 Вт × 1 ч = 400 Вт·ч (0,4 кВт·ч).
  Это будет использоваться для водоснабжения дома из колодца или скважины, поэтому сразу и это просчитываю.

6. Кухонные приборы

• Электрический чайник (1,5 кВт)
  Мощность: 1500 Вт.
  Время работы: 3 раза в день по 5 минут (15 минут = 0,25 часа).
  Потребление: 1500 Вт × 0,25 ч = 375 Вт·ч (0,375 кВт·ч).
• Микроволновая печь (800 Вт)
  Мощность: 800 Вт.
  Время работы: 15 минут в сутки (0,25 часа).
  Потребление: 800 Вт × 0,25 ч = 200 Вт·ч (0,2 кВт·ч).

7. Обогрев (ограниченный)

• Масляный обогреватель (1 кВт, минимальный режим)
  Мощность: 1000 Вт.
  Время работы: 2 часа в сутки (в холодное время).
  Потребление: 1000 Вт × 2 ч = 2000 Вт·ч (2 кВт·ч).

8. Вентиляция/мелкие приборы

• Вытяжной вентилятор для ванной (20 Вт)
  Мощность: 20 Вт.
  Время работы: 2 часа в сутки.
  Потребление: 20 Вт × 2 ч = 40 Вт·ч (0,04 кВт·ч).
• Радио или музыкальный центр (30 Вт)
  Мощность: 30 Вт.
  Время работы: 2 часа в сутки.
  Потребление: 30 Вт × 2 ч = 60 Вт·ч (0,06 кВт·ч).
  Я решил не ограничивать телевизором все развлечения.

Итоговое потребление

Суммируем энергопотребление всех приборов:

• Освещение: 0,2 кВт·ч
• Холодильник: 0,8 кВт·ч
• Телевизор: 0,2 кВт·ч
• Зарядка гаджетов: 0,16 кВт·ч
• Водяной насос: 0,4 кВт·ч
• Чайник: 0,375 кВт·ч
• Микроволновка: 0,2 кВт·ч
• Обогреватель: 2 кВт·ч
• Вентилятор: 0,04 кВт·ч
• Радио: 0,06 кВт·ч
  Итого: 0,2 + 0,8 + 0,2 + 0,16 + 0,4 + 0,375 + 0,2 + 2 + 0,04 + 0,06 = 4,435 кВт·ч в сутки.

Анализ возможности подключения

• Выработка ветрогенератора: 6 кВт·ч в сутки (при ветре 5–7 м/с).
• Потребление: 4,435 кВт·ч в сутки.
• Запас энергии в аккумуляторах: 9,6 кВт·ч (доступно).

Система справляется с нагрузкой: выработка (6 кВт·ч) покрывает потребление (4,435 кВт·ч), и остается запас ~1,565 кВт·ч, который можно использовать для пиковых нагрузок или в дни с меньшим ветром. Аккумуляторы (9,6 кВт·ч) позволяют покрывать нехватку энергии в безветренные дни (например, можно запитать приборы на 2 дня без ветра).

Семья с ветрогенератором, который мы сделали, сможет использовать:

• 4 LED-лампы (освещение).
• Холодильник (хранение продуктов).
• Телевизор (развлечения).
• Зарядные устройства (телефоны, ноутбук).
• Водяной насос (водоснабжение).
• Чайник (приготовление пищи).
• Микроволновка (разогрев пищи).
• Обогреватель (ограниченно, 2 часа в день).
• Вентилятор и радио (мелкие нужды).

Для более энергоемких приборов (плита, стиральная машина) потребуется либо дополнительный генератор, либо использование альтернативных источников (газ, дрова).

Не забывайте, что это лишь начало!
Опыт, который появится, после первого и второго таких генераторов сможет помочь сделать уже более интересные модели, в том числе, например, с двумя пропеллерами!

Проект Венера.