4.  Преобразование энергии ветра в электричество.


    4.2.1 Простой анемометр. Изготавливаем самостоятельно.


Анемометр, скорость ветра не измеряет. Он показывает массу / объем воздуха прошедшего через его лопасти. Для измерения скорости ветра потребуется секундомер.

 
 

    Характеристики (этого, конкретного, анемометра):

         Скоростные.
  Зона нечувствительности  –  до 0,3 м/с (1 км/ч).
  Скорость страгивания  –  0,4 м/с (1,5 км/ч).
  Линейная зона (5%)  –  от 0,8 до 20,0 м/с ( 3-54 км/ч).
  Механическая прочность  –  проверено до 40 м/с (150 км/ч).
         Тахометрические (без дополнительного делителя).
  Импульсов на оборот  –  2,0 (имп./об.).
  Импульсов на метр прошедшего воздуха  –  1,32 (имп./м.).
  Метров (прошедшего воздуха) на оборот  -  1,52 (м/об.)
         Электрические.
  Тип выхода  –  открытый коллектор.
  Нагрузочная способность  –   до 30V, 0,02А.
  Форма тах. импульсов  –  меандр (50%+50%).


  Я изготавливаю анемометры. Не так, что бы это было интересно, или по работе. Просто, ехать забирать очередной анемометр в Херсонскую область – мне, частенько, «не с руки». А при наличии вредителей, в виде алкашей, грибников и просто клептоманов, его там может уже и не быть. Проще сделать новый, тем более что его изготовление и калибровка не берет больше нескольких часов. Упрощенную, но тем не менее, отлично работающую конструкцию, Вы можете видеть на фото.


  Нам потребуется вентилятор от компьютера, CD диск, пластиковая бутылка, термоклей и «Пособие по урокам ручного труда в младших классах» (на фото не показано).

  Нам подходит любой вентилятор. Но значительно лучше, если он будет с шариковым подшипником. В этом случае анемометр будет работать без заеданий и практически вечно.

  Трех проводные вентиляторы с тахометрическим датчиком – предпочтительны. Это позволяет без переделок использовать третий провод для измерения числа оборотов.

  Разбираем компьютерный вентилятор, сняв разрезную шайбу, которая фиксирует ось ротора. Две деревянные зубочистки позволяют это сделать быстро и без проблем. После этого смотрим, какой подшипник стоит под осью вентилятора. Лучше, если там обнаружится шариковый подшипник.


  Если, по каким то причинам, данный мотор нам не подходит, то смазываем подшипники и собираем. Если все нормально, и Вы не передумали, то изготавливаем головку анемометра, как на фото справа.


  С откусыванием лопастей вентилятора обычными кусачками проблем не возникает. Остается зажать остатки ротора в электродрель и наждачной бумагой снять остатки лопастей. С блоком статора делаем то же самое, предварительно откусив 4-е перемычки.
  Компакт диск (CD) режется обычными канцелярскими ножницами. Если пошли трещины (такое то же бывает), то на их концах сверлятся отверстия диаметром  1 – 2 мм.
  Лопасти вырезаются из пластиковой бутылки. В них прорезаются прямоугольные прорези и лопасти одеваются на свои места. Приклеивать не надо.
  Компакт диск с одетыми лопастями приклеивается к ротору с помощью термо клея. Пока клей горячий – диск центрируется. Должно получиться как на фото слева (ниже).
  Горлышко бутылки приклеивается в основание нашего анемометра (справа). Но лучше это сделать потом, кода будет известен диаметр трубы, на которую этот анемометр будет установлен. Так же, нужно решить как Вы будете выводить провод, внутри или снаружи.


  Дальнейшая доработка сводится к удалению металлического статора вместе с катушками. Статор сильно мешает на малых скоростях ветра. Вместо катушек, в схему, включаются два резистора. Это соблюдает «статус кво» для микросхемы и позволяет работать формирователю тахометрических импульсов.

  Выход формирователя – выход транзистора с открытым коллектором. Схема ниже приведена для наглядности (до и после).


  В таком варианте переделки тахометрический датчик сохраняет свою работоспособность в диапазоне напряжений от 4 до 15 Вольт.

  Работа анемометра напрямую зависит от размеров крыльчатки. Чем больше размер, тем при меньшей скорости ветра ротор начинает вращаться. Ниже два ротора и то, из чего они сделаны (шариковые ручки только для приблизительного представления о размере). Первый начинает вращаться при еле заметном ветре (<< 1 м/с), второй - при 3 м/с.

  Как и раньше, лопасти одеваются на свои места. Их можно приклеить термоклеем, но тогда необходимо делать балланс крыльчатки.

  Скорость страгивания анемометра напрямую зависит от силы трения в подшипниках. Трение можно уменьшить если усадить пружину, которая сжимает центральные кольца подшипников. При этом должен появиться свободный осевой люфт 0,1 - 0,3 мм. Если этого не произошло, то пружина меняется на шайбу подходящей толщины.

  Конечно шансы того, что в старом вентиляторе найдутся хорошо работающие подшипники - близки к нулю. Но это не так страшно. В худшем случае скорость страгивания крыльчатки анемометра поднимется до 2-3 м/с. (о силе ветра и ветровом давлении смотрим здесь).

  Предварительное испытание анемометра требует приблизительной информации о скорости (направлении) ветра. Можно воспользоваться промышленным чашечным анемометром (> 1 м/с), но это не спортивно.

  Для малых скоростей ветра (0,1 - 1 м/с), обычное елочное украшение "дождик"  справляестя с задачей лучше и нагляднее, чем любой промышленный анемометр. Для ленточки длинной 40 см. угол отклонения от вертикали 30 градусов соответсвует скорости ветра 0,4 м/с, 45" - 0,6 м/с, 60" - 0,9 м/с. После 1,2 м/с ленточка практически горизонтальна.

  Именно такой индикатор скорости ветра на фотографиях ниже. Клик на правой фотографии открывает анимированный имедж, Ctrl.+ его увеличивает.

  Хоть это и не очень хорошо видно на последнем фото, но один из анемометров уверенно вращается при скорости ветра ~0,6 м/с (угол отклонения ленточки около 45").


  Открытым остается вопрос чем считать импульсы, которые выдает тахометрический датчик.

  С этого момента придется немного повозиться с электроникой (на предмет счета количества импульсов). Если такого желания не возникает, то можно ограничиться более простой версией. При этом, вместо тахометрического датчика устанавливается обычный электродвигатель, а в качестве индикатора работает любой миллиамперметр (или микроамперметр).

  Слева – анемометр, при скорости ветра 2 – 3 м/с. Справа – блок индикации. Пусть Вас не пугают разъемы и переключатели. Головка микроамперметра работает непосредственно на анемометр (через резистор 5 кОм). Остальное – мелкие полезности, такие как стробоскоп, вольтметр, освещение ...

  Меньшая точность такого анемометра, полностью компенсируется его простотой. Ссылка здесь или под фотографией.


    И на микроконтроллере.

  На микроконтроллере (любом из серии MSP430 от TI) эта задача решается просто и элегантно. Так выглядит анемометр, который отображает скорость ветра от 1 до 16 м/с.

  Если Вас не пугает схема, и Вы готовы потратить 10$ на MSP430 Launchpad от Texas Instruments, с двумя микроконтроллерами в придачу, то так и нужно сделать. Ссылка на схему здесь.


    Считаем импульсы.

  При такой конструкции, когда в роторе магнит с двумя полюсами «N» и двумя «S», датчик выдает два импульса на один оборот. Можно, конечно, вставить разрезанное металлическое кольцо и уменьшить количество полюсов, но мы так поступать не будем.

  Есть два типа простых и очень дешевых устройства, которые могут считать импульсы. Это калькуляторы и шагомеры (педометры).

  Калькуляторы. Отличные счетчики. В режиме «1+1=,=,= ... » могут считать импульсы с частотой до 10 Гц (у отечественных калькуляторов, со светодиодным индикатором, потенциал значительно выше). Но современные калькуляторы имеют одну неприятную особенность. Если не нажимать на кнопки, то они «засыпают» и вывести их из этого состояния нажатием кнопки «=» - невозможно.
  Педометры (шагомеры). Не менее хорошие счетчики. После засыпания, при первом же импульсе, просыпаются и продолжают счет. Одно только ограничение – по частоте. Хорошие педометры не считают импульсы более 3 Гц. Но плохие, если Вам удастся их найти, считают до 5 Гц (5 импульсов в секунду). Именно такой педометр в центре фотографии.

  Для калибровки анемометра нам подойдет любой педометр. Достаточно соединить выход тахометрического датчика с контактами педометра, как это показано на следующем рисунке.

  Коллектор транзистора подключаем к контакту, на котором «висит» +1,5V, а общий провод – к контакту, на котором около 0V. Напряжение с четырех пальчиковых батареек, включенных последовательно, питает микросхему, которая раньше переключала обмотки в компьютерном вентиляторе. Ток потребления схемы – около 8 мА.


    Калибровка анемометра.

  Самая интересная часть проекта – калибровка. Делать аэродинамическую трубу, для этого, никто не будет. Значительно более точно, анемометр можно откалибровать в длинном коридоре. Отсутствие сквозняка – желательно.
  В данном случае, за спиной моей жены, коридор, длинной 50 метров. На полу сделаны метки «Старт» и «Стоп», на расстоянии 38 метров. Процедура очень простая. Идем по коридору с анемометром. В момент, когда проходим точку «Старт» отпускаем кнопку «Сброс» и начинаем счет импульсов. В момент, когда проходим точку «Стоп» -  останавливаем крыльчатку анемометра пальцем и снимаем показания с индикатора.
  По случайному стечению обстоятельств, эта модель анемометра делает ровно 25 оборотов на 38 метров. На индикаторе – 50, так как датчик выдает два импульса на оборот.
  Как и в любом другом анемометре, показания не зависят от скорости (в разумных пределах, конечно). Если скорости хватает для того, что бы раскрутить крыльчатку, то не зависимо от того идете Вы или бежите,  этот анемометр сделает 25 оборотов на 38 метров пути.
  Отвлечемся от оборотов  и перейдем к  показаниям  снятым с тахометрического датчика. Если на 38 метров – 50 импульсов, то на 100 метров их будет – 132.
  Для измерения скорости ветра понадобятся часы с секундомером. Дальше – проще. Измеряем время, за которое на индикаторе наберется 132 импульса. Пусть это будет 50 секунд. Таким образом, 132 импульса соответствуют 100 метрам воздуха, которые прошли через крыльчатку анемометра. Время - 50 секунд. Соответственно, скорость ветра 100м./50сек.= 2 м/сек.


    Превращаем в законченное изделие.

  В данном случае имеем два больших недостатка, которые легко устраняются. Первый – медленный счет. Второй – разрядность индикатора ограничена пятью разрядами (99.999). Оба устраняются установкой счетчика – делителя между выходом микросхемы и входом транзистора.


    Дополнительные элементы.
  R1 – для нормальной работы IC.
  R2 – нагрузочный резистор для нормальной работы счетчика DD1.
  C1 – помогает при частичном разряде батарей.
  DD1 – любой КМОП счетчик, обеспечивающий нужный коэф. деления.
  С2 – устраняет высокочастотные наводки в кабеле.
  R3 – защищает от замыканий в кабеле.
  R4 – обрывной резистор или предохранитель на 200 мА,  который защищает от короткого замыкания в кабеле.

  Остается выбрать коэффициент деления.

  Допустим, средняя скорость ветра – 5 м/с. Тогда за час (3600 сек.) через анемометр пройдет 3600 сек. * 5 м/сек. =  18.000 метров воздуха. За сутки – 18.800 м. * 24 час. =  432.000 м. На каждые 100 метров прошедшего воздуха, анемометр выдает 132 импульса (1,32 имп./м.). Таким образом, на индикаторе должно отобразится 432.000 * 1,32 = 570.240 . Максимальная разрядность индикатора – 5 десятичных  знаков. Значит, после 100000 импульса наступит переполнение. Что бы этого не произошло в течении суток, необходим делитель, не меньше, чем 570.240 / 100000 = 5,7 .
  Что бы, при тех же условиях, переполнение не наступило в течении месяца, необходим делитель 5,7 * 30 = 171,07.
  С другой стороны, частота счета – ограничена. Пусть это будет 1 Гц, или 1 импульс в секунду. Для максимальной скорости ветра, к примеру 20 м/с., тахометрическим датчиком будут формироваться 20 м/с * 1,32 имп./м. = 26,4 импульса в секунду. Что бы привести к 1 имп./сек. Понадобится делитель 1 : 26,4.

  Наиболее частый коэффициент деления, используемый мной – 1 : 16 .  Для анемометров, которые автономно собирают данные в течении месяца – 1 : 64 (1:128).


    Что дальше?

  Если Вы в точности повторили этот анемометр (с микросхемой делителя на 16 и педометром), то у Вас в руках отличный инструмент для измерения средней скорости ветра. По характеристикам он не уступает лабораторному анемометру. «Гурманы» могут использовать корректировочные таблицы последнего.

  А дальше, необходимо использовать анемометр по назначению. К примеру, установить в том месте, где  вы планируете расположить ветрогенератор и накопить статистику за неделю. В зависимости от результатов Вы сможете решить устанавливать ветрогенератор или нет.


    Среднесуточная скорость ветра и шансы на «добычу» электроэнергии. 

  Мое скромное мнение, основанное на некотором опыте с ветрогенераторами, заключается в следующем.

( * речь идет не о текущей, а о среднесуточной скорости ветра)

  * Если среднесуточная скорость не превысила 2,0 м/с, то ветрогенераторы не для Вас.
  * Если среднесуточная скорость лежит в пределах от 2,0 до 3,0 м/с, то стоит посмотреть в сторону недорогих ветрогенераторов или красивых флюгеров. По функциональности и по количеству вырабатываемой электроэнергии они будут совпадать.
  * Если среднесуточная скорость лежит в пределах от 3,0 до 5,0 м/с. Генераторы промышленного изготовления будут уверенно крутиться, но никогда не разовьют паспортную мощность. Исключение составляют самодельные ветрогенераторы с завышенным диаметром ветроколеса.
  * Если среднесуточная скорость лежит в пределах от 5,0 до 10,0 м/с. У Вас будет работать любой ветрогенератор. Хороший, плохой, промышленный, самодельный, с горизонтальным ротором или вертикальным – не имеет значения.
  * Если среднесуточная скорость выше, чем 10,0 м/с. Уже не так важен ветрогенератор,  как прочность мачты, на которой он смонтирован. Кроме того, Ваша жизнь начнет напоминать жизнь возле аэропорта.
  * Если среднесуточная скорость выше, чем  15,0 м/с. Перепроверьте схему делителя, разъемы и соединительные провода. Вы, наверняка, что то напутали :)

    В заключение.

  Статья написана исключительно для того, что бы уменьшить количество вопросов, типа «Я живу в поселке N, N-ской области. Какой ветрогенератор мне лучше купить?». Вопрос не имеет ответа, по определению. Лучше никакой не покупать.
  Даже статистика скорости ветра, в конкретной точке, это пол-дела. Она принципиально отвечает только на вопрос – «Имеет ли ветер достаточно энергии, что бы быть преобразованной в  электричество или нет?».
  Для выбора ветрогенератора необходимо, как минимум, иметь ответы на два дополнительных вопроса. Первый – порывистый ветер или нет, и на сколько. Второй – как часто ветер меняет направление и как быстро он это делает.
  Проблема с выбором осложняется тем, что в параметры ветрогенераторов, которые заявляют производители, позволяют усомниться в качестве измерительного оборудования, которое они используют ...

  На этом все. Сделайте анемометр, установите, соберите «дату». Возможно, это сэкономит Вам время, деньги, и что не маловажно – нервы.

  Удачи : )



    Дополнение.

  Если Вы собрались «обсчитывать» тахометрические данные с помощью компьютера или контроллера, то число импульсов можно перевести в скорость ветра  по следующей (упрощенной) формуле:

          V = n * Kv  +  Kt  ;

      V – скорость ветра (м/с),
      n  - число оборотов в секунду (об./с),
      Kv – коэффициент связывающий обороты и количество прошедшего воздуха (м/об.),
      Kt – коэффициент учитывающий «страгивание» крыльчатки (м/с).

  Оба коэффициента определяются экспериментально, для каждого отдельного анемометра!

  Kv  показывает отставание окружной скорости лопасти от линейной скорости воздушного потока. В нашем случае этот коэффициент - 1,52  м/об.

  Kt определяет, с какой скорости ветра крыльчатка анемометра начинает вращаться. Для данного анемометра коэффициент равен скорости страгивания - 0,4 м/с.

  Ошибку измерения можно посчитать по эмпирической формуле:

          Vошибки = 0,06 * V + 0,3  (м/с).

  Отклонения равновероятны в сторону уменьшения и увеличения.



P.S. Для случаев, когда совсем ничего не получаестся - ниже, рядом с датой, мой адрес.

 



18.11.2011  SKootS

_

 
 
Make a Free Website with Yola.