Як побудувати гідроелектростанцію. Гідрогенератори малої потужності для дому. Практика: будуємо мікро-ГЕС самі

У зв'язку з постійним подорожчанням вуглеводних енергоносіїв фахівці звертають все більшу увагу на переваги, які дає використання електроенергії, отриманої більш економним способом. Одним із найбільш економних та екологічно чистих...

У зв'язку з постійним подорожчанням вуглеводних енергоносіїв фахівці звертають все більшу увагу на переваги, які дає використання електроенергії, отриманої більш економним способом. Одним із найбільш економних та екологічно чистих способів отримання електроенергії є гідроелектростанція для будинку, витрати на яку зводяться до первинного будівництва та технічного обслуговування обладнання. Але не кожна місцевість має природні можливості для будівництва подібних споруд, для яких необхідний потужний водний потік і великий перепад висот, створюваних греблею, у цьому випадку на допомогу енергетикам приходять міні ГЕС.

Принцип роботи та міні ГЕС

Принцип роботи цього обладнання досить простий, що додає йому надійності. Водний потік, потрапляючи на лопаті турбіни, обертає гідропривід, пов'язаний з електрогенератором, який забезпечує вироблення електроенергії під управлінням контролюючої системи.
Сучасні міні ГЕС обладнані системою управління, що дає можливість здійснювати роботу в автоматичному режимі з миттєвим переходом на ручне керування у разі аварійної ситуації. Багаторівнева система захисту дозволяє уникнути перевантаження обладнання при зміні зовнішніх умов. Конструкція станцій дозволяє мінімізувати проведення будівельних робіт під час встановлення необхідного обладнання.

Різновиди міні ГЕС

Міні гідроелектростанція – це обладнання потужністю від 1 до 3000 кВт, яке включає водозабірний пристрій (турбіну), що генерує енергоблок і систему управління обладнанням.
Залежно від водних ресурсів, що використовуються, міні ГЕС діляться на кілька категорій:

• руслові станції, що використовують енергію невеликих рік з організованими водосховищами. Застосовуються переважно на рівнинній місцевості;
• стаціонарні станції, що використовують енергію швидкого перебігу при експлуатації гірських річок;
• станції, що використовують перепади водяного потоку на промислових підприємствах;
• мобільні станції, що використовують для організації потоку армовані рукави.

Відповідно до очікуваного натиску водного потоку проектується відповідність гідроагрегату та його турбіни потужності електрогенеруючого блоку для забезпечення необхідної частоти обертання генератора та полегшення створення необхідної частоти струму.

Для різних умов роботи міні ГЕС розроблено відповідні конструкції турбін:

• при великому натиску водяного потоку понад 60 м застосовують радіально-осьові та ковшові турбіни;
• при середній інтенсивності потоку 25 - 60 м добре зарекомендували себе турбіни поворотно-лопатевої та радіально-осьової конструкції;
• на низьконапірних потоках вигідніше використовувати поворотно-лопатеві та пропелерні конструкції, поміщені в залізобетонні камери.

Відео домашньої гідроелектростанції, зробленої своїми руками

Особливості підключення міні ГЕС

Пристрій цього обладнання дозволяє підключати станції безпосередньо до електропостачання, в цьому випадку використовується синхронний генератор. Для створення локальної мережі використовують асинхронний агрегат, який комплектується блоком баластного навантаження, необхідного для розсіювання надмірної потужності, щоб уникнути виходу з ладу систем подачі електроенергії та стрибкоподібних змін основних параметрів мережі.

Переваги та недоліки міні ГЕС

До переваг роботи таких систем можна віднести:

• екологічну безпеку обладнання та відсутність необхідності затоплення великих площ;
• низьку вартість одержуваної електроенергії, яка в рази дешевша за вироблену на ТЕС;
• простоту та надійність застосовуваного обладнання та можливість його роботи в автономному режимі;
• невичерпність використовуваного природного ресурсу

До недоліків відносяться:

• перебої в електропостачанні певних регіонів при виході обладнання з ладу у разі використання міні ГЕС як локального джерела. Це компенсується наявністю аварійного джерела енергопостачання, що підключається автоматично;
• слабка виробнича та ремонтна база цієї галузі енергозабезпечення в нашій країні.

Завжди хотів отримати електрику з струмка, що протікає периметром мого будинку. Близько трьох років тому я встановив тимчасову турбіну, щоб перевірити, чи буде працездатним турбінне колесо більшого розміру.

Демо-версія цього колеса була зроблена зі старих підставок для абразивних кіл та дерев'яних палет як лопаті.

Як генератор я використав стару стрічку постійного струму з приводного двигуна Ametec. Щоб приготувати все повністю, я використав міні-мотоцеп і зірочки з 70 та 9 зубцями (для обертання колеса та на двигуні). Вартість всіх предметів вилилася приблизно 30 фунтів стерлінгів.

Максимально воно генерувало 25 Вт і пропрацювало десь протягом року, головним чином через обмеження двигуна Ametec та розмір колеса, і підштовхнуло мене до створення турбіни більшого розміру.

Насамперед мені потрібно було запрудити воду струмка, так, щоб рівень води був приблизно мені по груди. Не чекаючи кінця літа, я, за допомогою водонасосу відвів воду, зробив запруду з цементу.

Колеса турбіни мені виготовили місцеві будівельні компанії із міцного багатошарового матеріалу, що використовується для створення обшивки та настилу в суднобудуванні, завтовшки 13 мм. З цього ж матеріалу я зробив і лопаті. На завершення я покрив диски та лопаті спеціальним водовідштовхувальним складом, щоб продовжити їхнє життя.

Основу для турбіни я спорудив із дубових полін. Дуб виявився дуже жорстким, довелося повозитись, поки я прикріплював поліна болтами до кам'яної рами. Довелося свердлити отвори, а для цього доводилося прив'язувати турбіну, щоб врівноважити її та підігнати всі розміри та затягнути болти.

Наступним кроком після встановлення колеса було вирішення питання з приводом та генератором.

Спочатку я використав привід виробництва Minimoto, але потім маленький ланцюг через інтервал між зубами почав зісковзувати, і я вирішив придбати ланцюги з кроком 3/8 і зірочки у постачальника підшипників. Генератор поставив Windblue Power Permanent Magnet Generator (PMG). Він здатний виробляти 12 на 150 об./хв. Його часто використовують як перероблений автомобільний генератор. Звичайний генератор видає 12 лише при 3000 оборотах. Цей двигун я замовив у США за 135 фунтів стерлінгів, включаючи витрати на поштове пересилання.

Колесо крутилося надто повільно, і мені довелося робити під запрудою ступінчастий піддон, на якому вода збиралася у вузьке жерло і з більшою силою лилася на лопаті.

Крім того, я прикрутив сталевим тросом перетином в 1 см основні рейки каркаса, а там, де була можливість, зміцнив базу за допомогою анкерних болтів завдовжки 1 фут, щоб уберегти пристрій від поломки, якщо раптом греблю прорве або буде сильний порив вітру.

На турбіні встановлені акумулятори Brand New 4x55AH. З їх допомогою я постійно заряджаю ноутбук. Також я купив два військові тягові свинцеві акумулятори 2х110Аh Hawker для освітлення гаража та будинку. Подача напруги на два різних типу акумулятора йде з різних проводів.

Приблизно рік я експлуатую цю систему. Вихідна потужність – 50 Вт, на піку видає до 500 Вт. Кілька разів турбіна зупинялася через спад води, а також через перекриття основного потоку під час повеней. А так - цілий рік працює.

Переклад: Ярослав Миколайович

Гідроелектростанції використовують силу води для одержання електричної енергії. Самостійно виготовлені станції вирішують проблему віддаленості від централізованих електромереж або допомагають заощадити на електриці.

Переваги та недоліки ГЕС

Гідроелектростанції мають такі переваги перед іншими видами альтернативних джерел енергії:

• Не залежить від погоди та часу доби (на відміну від ). Це дозволяє виробляти більше енергії з передбачуваною швидкістю.
• Потужність джерела (річки чи струмка) можна регулювати. Для цього достатньо завузити русло греблею або забезпечити перепад висот води.
• Гідроустановки не видають жодного шуму (на відміну від ).
• Для багатьох типів станцій невеликої потужності не потрібні жодні дозволи на встановлення.

До мінусів саморобних ГЕС належить неможливість працювати у мороз. Крім того, водне середовище є агресивним, тому деталі станції повинні бути водостійкими та міцними.

При проектуванні міні-ГЕС для використання як альтернативного джерела енергії для власного будинку вирішальними повинні бути такі фактори:

• Близькість річки до будинку. Встановлювати саморобну станцію на відстані від будинку не варто. Чим далі установка, тим нижче її ефективність, тому що частина енергії буде втрачена під час передачі. Крім того, так складніше вберегти вашу ГЕС від крадіжки чи псування.
• Достатня швидкість течії чи можливість її збільшення. Потужність станції збільшується в геометричній прогресії зі збільшенням швидкості води.

Дізнатися швидкість нескладно. Киньте шматочок пінопласту або тенісну кульку у воду і засікайте час, за який він пропливе певну дистанцію. Потім розділіть метри на секунди, і ви дізнаєтеся швидкість. Мінімально достатня швидкість води для саморобної ГЕС – 1 м/с.

Якщо швидкість течії вашої річки або струмка нижче цього значення, то її посилить невелика гребля або труба, що звужується. Але ці варіанти можуть спричинити додаткові проблеми. Будівництво греблі потребує дозволу від влади, а також згоди сусідів.

Міні-гідроелектростанція своїми руками

Конструкція ГЕС досить складна, тому самостійно вдасться звести лише невелику станцію, яка дозволить заощадити на електриці або забезпечить енергією скромне господарство. Нижче наведено два приклади реалізації саморобної ГЕС.

Як зробити міні-ГЕС із велосипеда

Цей варіант ГЕС є ідеальним для велопоходів. Він компактний та легкий, але зможе забезпечити енергією невеликий табір, розбитий на березі струмка чи річки. Отриманої електрики вистачить на вечірнє освітлення та зарядку мобільних пристроїв.

Для монтажу станції знадобиться:

• Переднє колесо з велосипеда.
• Велогенератор, який використовується для харчування велосипедних ліхтарів.
• Саморобні лопаті. Їх вирізають заздалегідь із листового алюмінію. Ширина лопат має бути від двох до чотирьох сантиметрів, а довжина - від втулки колеса до його обода. Лопат може бути будь-яка кількість, розташовувати їх потрібно на однаковій відстані один від одного.

Щоб запустити подібну станцію, достатньо занурити колесо у воду. Глибина занурення визначається експериментально приблизно від третини до половини колеса.

Для будівництва потужнішої станції для постійного використання знадобляться міцніші матеріали. Найкраще підійдуть металеві та пластикові елементи, які легше захистити від впливу водного середовища. Але підходять і дерев'яні деталі, якщо просочити їх спеціальним розчином та пофарбувати водостійкою фарбою.

Для станції необхідні такі елементи:

• Сталевий барабан від кабелю (2,2 метри в діаметрі). З нього виготовляється ротор-колесо. Для цього барабан розрізається на частини та зварюється заново на відстані 30 сантиметрів. Із залишків барабана роблять лопаті (18 штук). Їх приварюють до радіусу під кутом 45 градусів. Для підтримки всієї конструкції із куточків або труб виготовляють раму. Колесо обертається на підшипниках.
• На колесо встановлюється ланцюговий редуктор (коефіцієнт передачі повинен дорівнювати чотирьом). Щоб легше звести осі приводу та генератора, а також знизити вібрацію, обертання передається через кардан від старого автомобіля.
• Для генератора підходить асинхронний двигун. До нього слід додати ще один шестерний редуктор з коефіцієнтом близько 40. Тоді для трифазного генератора з 3000 оборотами в секунду при загальному коефіцієнті редукування 160 кількість оборотів знизиться до 20 оборотів в хвилину.
• Помістіть всю електрику у водонепроникну ємність.

Описані вихідні матеріали легко знайти на звалищі або у знайомих. За різання сталевого барабана болгаркою і за зварювання можна заплатити фахівцям (або зробити все самостійно). У результаті ГЕС потужністю до 5 кВт коштуватиме незначну суму.

Отримати електроенергію з води не так і складно. Важче вибудувати автономну систему електропостачання на основі саморобної ГЕС, підтримувати станцію в робочому стані та забезпечувати безпеку людей та тварин навколо неї.

Якщо у Вашого житла протікає річка або навіть невеликий струмок, за допомогою саморобної міні ГЕС Ви можете отримати безкоштовну електроенергію. Можливо, це буде не дуже велике поповнення бюджету, але усвідомлення того, що у Вас є своя власна електроенергія - коштує набагато дорожче. Ну а якщо, наприклад, на дачі, немає центрального електропостачання - то навіть невеликі потужності електроенергії будуть просто необхідні. І так, для створення саморобної гідроелектростанції необхідно як мінімум дві умови – наявність водяного ресурсу та бажання.

Якщо і те, й інше є, то перше, що потрібно зробити – це виміряти швидкість потоку річки. Зробити це дуже просто - кидаєте в річку гілочку і заміряйте час, протягом якого вона пропливе 10 метрів. Розділивши метри на секунди, ви отримаєте швидкість течії в м/с. Якщо швидкість менша за 1 м/с, то продуктивної міні ГЕС не вийде. У цьому випадку можна спробувати збільшити швидкість потоку штучно завузивши русло або зробивши невелику греблю, якщо маєте справу з невеликим струмком.

Для орієнтира, можна використовувати співвідношення між швидкістю потоку в м/с і потужністю електроенергії, що знімається з валу гвинта в кВт (діаметр гвинта 1 метр). Дані експериментальні, насправді отримана потужність залежить від багатьох факторів, але для оцінки підійде.

0.5 м/с – 0.03 кВт,
0.7 м/с – 0.07 кВт,
1 м/с – 0.14 кВт,
1.5 м/с – 0.31 кВт,
2 м/с – 0.55 кВт,
2.5 м/с – 0.86 кВт,
3 м/с -1.24 кВт,
4 м/с – 2.2 кВт тощо.

Потужність саморобної міні ГЕСпропорційна кубу швидкості потоку. Як вже вказувалося, якщо швидкість течії недостатня, спробуйте її штучно збільшити, якщо це, звичайно, можливо.

Типи міні-ГЕС

Існує кілька основних варіантів саморобних міні гідроелектростанцій.

Водяне колесо

Це колесо з лопатями, встановлене перпендикулярно поверхні води. Колесо занурене в потік менше ніж наполовину. Вода тисне на лопаті та обертає колесо. Існують також колеса-турбіни зі спеціальними лопатками, оптимізованими під струмінь рідини. Але це досить складні конструкції швидше за заводське, ніж саморобне виготовлення.

Ротор Дар'ї

Це ротор з вертикальною віссю обертання, що використовується для створення електричної енергії. Вертикальний ротор, що обертається за рахунок різниці тисків на його лопатях. Різниця тисків створюється за рахунок обтікання рідиною складних поверхонь. Ефект подібний до підйомної сили суден на підводних крилах або підйомній силі крила літака. Ця конструкція була запатентована Жорж Жан-Марі Дар'є, французьким авіаційним інженером у 1931 році. Також часто використовується у конструкціях вітрогенераторів.

Гірляндна ГЕС

Гідроелектростанція складається з легких турбін - гідровінгроторів, нанизаних та жорстко закріпленими у вигляді гірлянди на тросі, перекинутому через річку. Один кінець троса закріплюється в опорному підшипнику, другий обертає ротор генератора. Трос у разі грає роль своєрідного валу, обертальний рух якого передається до генератору. Потік води обертає ротори, ротори крутять трос.

Пропелер

Також запозичений з конструкцій вітрових електростанцій, такий собі "підводний вітряк" із вертикальним ротором. На відміну від повітряного, підводний пропелер має лопаті мінімальної ширини. Для води достатньо ширини лопаті всього 2 см. При такій ширині буде мінімальний опір і максимальна швидкість обертання. Така ширина лопат вибиралася для швидкості потоку 0.8-2 метри в секунду. При більших швидкостях, можливо, оптимальні інші розміри. Пропелер рухається не за рахунок тиску води, а за рахунок підйомної сили. Так само, як крило літака. Лопаті пропелера рухаються впоперек потоку, а не захоплюються потоком у напрямку течії.

Переваги та недоліки різних систем саморобної міні ГЕС

Недоліки гірляндної ГЕСочевидні: велика матеріаломісткість, небезпека оточуючих (довгий підводний трос, приховані у воді ротори, перегородження річки), низький ККД. Гірляндна ГЕС – це свого роду невелика гребля. Доцільно використовувати у безлюдних, віддалених місцях із відповідними попереджувальними знаками. Можливо буде потрібно дозвіл влади та екологів. Другий варіант – невеликий струмок у Вас на городі.
Ротор Дар'ї- складний у розрахунку та виготовленні. На початку роботи його треба розкрутити. Але він привабливий тим, що вісь ротора розташована вертикально і відбір потужності можна проводити над водою без додаткових передач. Такий ротор обертатиметься за будь-якої зміни напряму потоку - це плюс.

Найбільшого поширення при побудові саморобних гідроелектростанційотримали схеми пропелера та водяного колеса. Так як ці варіанти порівняно прості у виготовленні, вимагають мінімальних розрахунків і реалізуються за мінімальних витрат, мають високий ККД, прості в налаштуванні та експлуатації.

Якщо у Вас немає водяного енергоресурсу, можете самостійно зробити домашню вітроелектростанцію.

П ример найпростішої міні-ГЕС

Найпростішу гідроелектростанцію можна швидко збудувати зі звичайного велосипеда з динамікою для велофари. З оцинкованого заліза чи товстого листового алюмінію треба заготовити кілька лопатей (2-3). Лопаті повинні бути довжиною від обода колеса до втулки, а шириною 2-4 см. Ці лопаті встановлюються між спицями будь-яким підручним способом або заздалегідь заготовленими кріпленнями.
Якщо ви використовуєте дві лопаті, то встановіть їх навпроти один одного. Якщо захочете додати більше лопатей, то розділіть коло колеса на число лопатей і встановіть їх через рівні проміжки. З глибиною занурення колеса із лопатями у воду можете поекспериментувати. Зазвичай його занурюють від третини до половини.
Варіант похідної вітроелектростанції розглядався раніше.

Така мікро ГЕС не займає багато місця і чудово послужить велотуристам – головна наявність струмка чи річечки – що зазвичай і є у місці розбивки табору. Міні ГЕС з велосипеда зможе висвітлювати намет та заряджати стільникові телефони чи інші гаджети.

Якщо неподалік будинку є ставок з греблею або струмок, можна зробити відмінне джерело безкоштовної додаткової енергії. У статті буде розглянуто приклад, як своїми руками можна зробити гідроелектростанцію на основі водяного колеса. Виготовлена ​​таким чином електростанція здатна видавати струм до 6 А, при встановленні на невеликий струмок установка показала результат 2 А. Цього вистачить, щоб увімкнути приймач і пару лампочок. Потужність залежить від того, з якою силою йде водяний потік.

Матеріали та інструменти:
- куточки та обрізки листового металу;
- диски для створення колеса (використовувалися від корпусу генератора Onan, що вийшов з ладу);
- генератор (був виготовлений із двох гальмівних дисків Доджа по 28 см);
- вал та підшипники теж були взяті від Доджа;
- мідний провід із перетином близько 15 мм;
- неодимові магніти;
- фанера;
- полістиролова смола (потрібна для заливання статора та ротора).

Процес виготовлення:

Крок перший. Створюємо колесо
Для створення колеса знадобиться два сталеві диски. У разі їх діаметр становить 28см (11 дюймів). Диск потрібно розмітити, щоб було зрозуміло, де встановлювати лопаті. Для виготовлення лопатей береться труба діаметром 4 дюйми і розрізається вздовж на 4 частини. Усього колесо має 16 лопатей. Щоб зафіксувати диски, вони стягуються чотирма болтами. Далі можна встановлювати лопаті на потрібні позиції. Вони приварюються за допомогою зварювання. Зазор між дисками становить 10 дюймів, тобто довжина колеса дорівнює 10 дюймам.

На цьому етапі складання ГЕС закінчено, колесо готове, тепер потрібно зробити сопло та генератор. З одного боку, на диску є отвір для зручного кріплення колеса до генератора.

Крок другий. Робимо сопло
Сопло потрібне для того, щоб спрямовувати воду на колесо. Його ширина становить 10 дюймів, як і ширина колеса. Сопло виготовляється із цільного шматка металу шляхом вигинання. Далі конструкція зварюється за допомогою зварювання.

Тепер можна встановлювати на вісь колесо та механічна частина ГЕС практично готова. Залишилося зібрати та встановити генератор.
Сопло зроблено регульованим по висоті, що дозволяє керувати потоком води залежно від ситуації.

Крок третій. Збираємо генератор
Процес створення генератора складається з кількох кроків. Спочатку потрібно зробити обмотку, вона складається з 9-ти котушок. Кожна котушка має 125 витків. Діаметр мідного дроту становить 1,5 мм. Кожна фаза утворюється трьома котушками, які послідовно з'єднані. Усього виведено 6 кінців, це дозволить зробити з'єднання як зіркою, і трикутником.

Наприкінці котушки заливаються поліетиленовою смолою і виходить готовий статор. Його діаметр становить 14 дюймів, а товщина 0.5 дюйми.

Для складання генератора потрібна фанера, з неї робиться шаблон. Далі за цим шаблоном встановлюються 12 магнітів розмірами 2,5 х 5 см і товщиною 1,3 см. Наприкінці ротор також заливається поліетиленовою смолою. Ось і все, після висихання генератор готовий.

Під алюмінієвою кришкою знаходяться випрямлячі, які роблять із трифазного змінного струму постійний. Шкала амперметра має діапазон до 6 А. При мінімальному зазорі між магнітами, пристрій видає 12 Вольт при оборотах 38 об/хв.

У задній частині генератора є два підрядкові гвинти, які дозволяють регулювати повітряний зазор. Таким чином, можна підбирати найприйнятніші параметри роботи генератора.

Крок четвертий. Заключний етап складання та встановлення генератора
Всі елементи кріплення, а також водяне колесо потрібно пофарбувати. По-перше, так пристрій виглядатиме красивіше. А по-друге, фарба захищатиме метал від іржі, яка швидко з'являтиметься біля джерела води. Непогано було б оснастити генератор захисним крилом, яке відводить бризки, але автор не знайшов відповідного матеріалу.

На фото можна побачити місце, де буде встановлений генератор. Це труба, з якої із гачки тече вода. Перепад складає близько трьох футів. Колесо братиме лише деяку частину від усього водного потоку. Насправді найкращі результати показало становище, коли вода заходить під кутом о 10 годині, і виходить під кутом 5 годин. Тоді досягається найбільша потужність.