Энергия течения воды представляет собой устойчивый природный ресурс, который позволяет генерировать практически бесплатную электроэнергию. Этот дар природы дает шанс сократить затраты на коммунальные услуги и справиться с нуждой в подзарядке устройств.
Если рядом с вашим жилищем имеется речка или ручей, это следует использовать в свою пользу. Их потенциал способен обеспечить электричеством как сам участок, так и дом. А если вы сами возведете небольшую гидроэлектростанцию, эффект от этого будет многократно выше.
В данной статье подробно представлены методы создания частных гидроэнергетических систем. Мы охватим необходимые материалы для установки системы и ее подключения к потребителям. Вы сможете ознакомиться со всеми вариантами компактных генераторов энергии, которые можно сделать из доступных материалов.
Краткое содержание статьи
Гидроэлектростанции непромышленного назначения
Гидроэлектростанции – это строения, преобразующие кинетическую энергию движущейся воды в электрическую. Несмотря на то что альтернативные источники «зеленой» энергии активно используются в западных странах, в нашей стране эта многообещающая сфера только начинает развиваться.
Галерея изображений
Использование водной энергии для генерации электричества является одной из наиболее перспективных направлений в сфере «зеленой» энергетики. Главные преимущества такого подхода заключаются в использовании неисчерпаемых и бесплатных ресурсов природы с минимальным воздействием на экосистему.
К малым гидроэнергетическим объектам относятся мини-ГЭС, которые могут вырабатывать от 3 до 100 кВт и вплоть до 25 МВт.
Для реализации получения электрической энергии из воды вовсе не обязательно наличие мощной горной реки или крупной плотины. Достаточно всего лишь немного изменить русло небольшой речки или ручья.
Даже небольшой поток воды способен заставить вращаться турбину компактной гидроэлектростанции, если он поступает из соседнего водоема или речки.
Небольшие гидроэлектростанции, расположенные прямо в русле водотока, просты в конструкции, однако не позволяют регулировать объем и скорость стока. Для регулировки потребуется создать маленькое водохранилище.
Наиболее выгодные условия для организации миниатюрных ГЭС предоставляют горные ручьи с характерной разницей высот. Однако аналогичные условия можно создать и для рек на равнинной местности.
Эффективность мини ГЭС можно увеличить с помощью различных водооборотных и завихряющих конструкций, которые можно создать искусственно, используя заливку бетонных блоков.
В целях повышения коэффициента полезного действия, разработчики малых ГЭС совершенствуют конструкции турбин. Например, вместо обычных лопастных колес начали использовать многовитковые винты.
Использование воды для производства электроэнергии
Один из традиционных подходов малой гидроэнергетики
Сужение канала для максимизации извлеченной энергии
Создание направленного потока на лопасти канала
Приплотинный вариант с небольшим водохранилищем
Разница высоты в силу речной струи
Искусственно созданное завихрение
Шнековая турбина с высокой эффективностью
Частные гидроэлектростанции могут включать в себя плотины на крупных реках, которые способны производить от десятков до сотен мегаватт, или мини-ГЭС с максимумом в 100 кВт, что вполне достаточно для нужд частного домовладения. О последних мы и поговорим подробнее.
Гирляндная станция с гидровинтами
Конструкция этой установки состоит из серии роторов, прикрепленных к гибкому стальному тросу, пересекающему реку. Трос выполняет роль вращающего вала, один конец которого закреплен на опорном подшипнике, а другой активирует вал генератора.
Каждый гидроротор гирляндной модели способен производить около 2 кВт энергии, но для этого поток воды должен двигаться со скоростью не менее 2,5 метров в секунду, а глубина водоема не выше 1,5 м.
Принцип работы гирляндной ГЭС довольно прост: напор воды приводит в движение гидровинты, которые, в свою очередь, вращают трос и заставляют генератор вырабатывать электричество.
Гирляндные станции успешно использовались еще в середине 20 века, но тогда вместо винтов применялись самодельные пропеллеры и даже консервные банки. В настоящее время производители предлагают несколько видов роторов, адаптированных под разнообразные условия эксплуатации.
Эти установки имеют лопасти различной длины, созданные из листового металла, что позволяет добиться высокого коэффициента полезного действия.
Хотя процесс изготовления данного вида гидрогенератора достаточно прост, его эксплуатация требует соблюдения ряда специфических условий, которые не всегда возможно реализовать. Такие сооружения легче всего настроить в уединенных местах, поскольку они перегораживают русло реки, и соседи или экологические службы вряд ли дадут разрешение на установку для вашего личного пользования.
Кроме того, зимой гирляндные установки могут использоваться только на незамерзающих водоемах, а в суровых климатических условиях их придется консервировать или демонтировать. Поэтому подобные станции, как правило, устанавливаются временно и в отдаленных районах (например, возле летних пастбищ).
Роторные станции с мощностью от 1 до 15 кВт/ч могут вырабатывать до 9,3 МВт за месяц, что возможно решить вопрос с электрификацией в труднодоступных районах.
Современный аналог гирляндной конструкции – это погружные или наплывные рамные станции с поперечными роторами, которые, в отличие от гирляндных, не перекрывают все русло реки, а используют лишь часть потока. Их можно установить на понтоне или опустить на дно водоема.
Вертикальный ротор Дарье
Ротор Дарье – это устройство на основе турбины, названное в честь своего создателя, разработанного в 1931 году. Система состоит из нескольких аэродинамических лопастей, закрепленных на радиальных балках и работающих по принципу перепада давления с использованием принципа «подъемного крыла», который широко применяется в судостроении и авиации.
Хотя такие устройства чаще используются для создания ветряных генераторов, они также могут работать с водой. Однако в этом случае нужно проводить тщательные расчеты для подбора толщины и ширины лопастей в зависимости от силы водного потока.
Ротор Дарье напоминает «ветряк», установленный в воде, и может функционировать независимо от колебаний скорости потока в разные сезоны.
Для создания малых гидростанций вертикальные роторы применяются редко. Несмотря на высокие показатели эффективности и простоту конструкции, такое оборудование требует сложного обслуживания.
Работа системы требует ее предварительного раскручивания, а остановить работу можно только при замерзании водоема. Поэтому роторы Дарье преимущественно внедряются в промышленных масштабах.
Интересное решение в проектировании малых ГЭС с вертикально установленной турбиной предложил австрийский конструктор Франц Цотлётерер:
Галерея изображений
По задумке автора этой мини электростанции, часть потока направляется в отдельный канал, который проходит вдоль русла и заканчивается выпуском с желобом.
Существует множество конструкций для создания водоворота. Их принцип работы остается единым: вода, поступающая в канал, движется по касательной, и как только она достигает желоба, самотеком падает вниз, закручиваясь спирально.
В центре водоворота, который увлекает воду к желобу, устанавливается турбина. Закрученный поток заставляет ее вращаться.
Турбина соединяется с контроллером и инвертором, через который выработка энергии передается либо непосредственно потребителям, либо накапливается в аккумуляторах.
Мини станция водоворотно-гравитационного типа
Создание отдельного канала с водоворотом
Турбина в центре вращающего потока
Устройства для накопления вырабатываемой энергии
Значительным преимуществом водоворотных станций считается бережное отношение к рыбным ресурсам. В процессе работы вертикальной турбины не происходит вредного воздействия на живые организмы в реке, и благодаря характеру потока на стенках сооружений не накапливается ила.
Подводный винтовой пропеллер
Это в основном упрощенная версия воздушного ветряка, только установленная под водой. Размеры лопастей рассчитываются для достижения максимальной скорости вращения с минимальным сопротивлением, исходя из силы потока. Например, если скорость водоема ниже 2 м/сек, ширина лопасти должна составлять 2-3 см.
Подводный пропеллер можно изготовить самостоятельно, но он годится только для глубоких и бурных рек – в мелких водоемах вращающиеся лопасти могут повредить рыбакам, купальщикам и водоплавающим птицам.
Такой ветряк устанавливается «в лицо» потоку, при этом его лопасти работают не за счет давления воды, а благодаря созданию подъемной силы (аналогично принципу работы крыла самолета или винта корабля).
Водяное колесо с лопастями
Водяное колесо является одним из самых простых типов гидравлических двигателей, известных еще со времен Римской Империи. Эффективность его функционирования во многом зависит от вида источника, на котором оно размещается.
Подливное колесо вращается только за счет скорости потока, тогда как наливное – благодаря напору и весу воды, которая ниспадает на лопасти сверху.
Исходя из глубины и русла водотока, можно использовать различные типы колес:
- Подливные (или нижнебойные) – подходят для мелководных рек с быстрым течением.
- Среднебойные – устанавливаются в местах с природными каскадами так, чтобы поток попадал на середину вращающегося барабана.
- Наливные (или верхнебойные) – монтируются под плотиной, в трубе или в нижней части естественного порога, чтобы ниспадающая вода продолжала движение через верх колеса.
Однако принцип работы всех этих вариантов остается одинаковым: вода, попадающая на лопасти, приводит в движение колесо, которое заставляет генератор работать для миниэлектростанции.
Производители оборудования для гидроэнергетики предлагают турбины, лопасти которых проектируются с учетом конкретной скорости течения. Однако множество энтузиастов создают барабанные конструкции своими руками, используя доступные материалы.
Ниже представлена коллекция фотографий, которая поможет вам ознакомиться с этапами постройки простой мини-гидростанции:
Галерея изображений
Чтобы увеличить мощность потока, необходимо создать барьер в русле реки. В местах, где наблюдается перепад высоты, сужаем поток двумя массивными стенками, выполненными из бетона или сложенными из камней.
Для начала сборки турбины из влагостойкой фанеры толщиной 13 мм вырезаем два круга и 12-14 одинаковых «лопастей» в форме прямоугольников.
Лопасти самодельной турбины устанавливаем под углом к радиусу, проведенному из центра. Фиксируем их к обоим кругам с помощью оцинкованных саморезов.
После временного прекращения течения или дождемся, пока уровень воды не снизится в жаркие дни, устанавливаем опорную конструкцию. Закрепляем ее на четырех (или более) штырах из арматурного прута длиной не меньше метра, забивая их в грунт и располагая в углах рамы.
Перекинув трос через ветку над опорной конструкцией, обвязываем турбину. Упростить эту задачу поможет блок, который можно установить на ветке перед тем, как перекидывать трос.
Турбина соединяется с маломощным генератором типа Wind Blue Power Permanent Magnet Generator. При 130 оборотах он способен вырабатывать 12 В. В систему также входит инвертор и несколько использованных аккумуляторов на 110 А.
Соединяем систему с осью турбины при помощи резинок либо эластомерного ремня нужного размера, что обеспечит ременную передачу.
После завершения сборки разблокируем запруду или ждем, пока в ручье будет достаточно воды для генерации электроэнергии. По словам разработчиков, такая мини-ГЭС может вырабатывать от 50 до 500 Вт.
Шаг 1: Уменьшение ширины русла и создание перепада высоты
Шаг 2: Вырезка деталей для создания турбины
Шаг 3: Фиксация лопастей в самодельной турбине
Шаг 4: Установка опоры в ручье
Шаг 5: Закрепление турбины на опорной конструкции
Шаг 6: Подключение генератора и аккумуляторов
Шаг 7: Создание ременной передачи
Шаг 8: Тестирование системы после сборки
Хотя отсутствие оптимизации может отрицательно сказаться на эффективности, экономия на стоимости самодельного оборудования будет значительно выше, чем у промышленного аналога. Поэтому водяное колесо остается наиболее распространенным вариантом для создания своей мини-ГЭС.
Условия для установки гидроэлектростанции
Несмотря на преимущества недорогой энергии, вырабатываемой гидрогенератором, важно учитывать специфику источника воды, который планируется использовать для личных нужд.
Не каждый водоем подходит для эксплуатации мини-ГЭС, особенно если предполагается круглогодичное использование, поэтому не лишним будет иметь запасной вариант подключения к централизованной электросети.
Плюсы и минусы
Основные преимущества индивидуальной гидроэлектростанции очевидны: недорогое оборудование, которое производит доступную электроэнергию, при этом не нанося ущерба природе (в отличие от плотин, которые переграждают реки). Тем не менее, полную безопасность системы нельзя гарантировать — вращающиеся элементы турбин могут представлять опасность для обитателей водоемов и даже для людей.
Чтобы избежать несчастных случаев, необходимо оградить гидростанцию, а если система полностью погружена в воду, установить предупреждающий знак на берегу.
- В отличие от других «бесплатных» источников энергии (солнечных панелей, ветряков), гидросистемы могут функционировать независимо от времени суток и погодных условий. Единственное, что может им помешать — замерзание водоема.
- Гидрогенератор не требует наличия крупных рек; водяные колеса успешно работают даже в мелких, но быстро текущих ручьях.
- Такие установки не производят вредных выбросов, не загрязняют водоемы и действуют практически бесшумно.
- Мини-ГЭС мощностью до 100 кВт можно устанавливать без получения специальных разрешений (хотя это зависит от местного законодательства и типа установки).
- Излишки электроэнергии можно продавать соседям.
Что касается недостатков, то недостаточная сила течения может стать значительным препятствием для эффективной работы оборудования. В этом случае придется возводить дополнительные конструкции, что потребует дополнительных затрат.
Если потенциальная энергия реки рядом недостаточна для генерации электроэнергии в нужных объемах, стоит рассмотреть альтернативные варианты, такие как ветрогенераторы. Ветряк может стать отличным дополнением.
Измерение силы потока
Первый шаг к проектированию и установке станции — измерение скорости потока на выбранном водном источнике.
Наиболее простой способ — опустить на течение легкий предмет (например, теннисный мяч, кусочек пенопласта или рыболовный поплавок) и замерить секундомером время, за которое он проплывет 10 метров до обозначенной точки.
Если водоем находится далеко от дома, можно создать отводной канал или трубопровод и одновременно продумать перепады высот.
Теперь нужно разделить пройденное расстояние в метрах на количество секунд — это и будет скорость течения. Если значение окажется меньше 1 м/с, придется строить искусственные сооружения для ускорения потоков за счет перепадов высоты.
Это можно сделать с помощью разборной плотины или узкой сливной трубы. Однако если хорошего течения нет, от идеи с гидростанцией лучше отказаться.
Изготовление ГЭС на основе водяного колеса
Конечно, создание крупной установки, предназначенной для питания целого села или предприятия, — это нереалистично. Но построить мини-ГЭС своими руками для экономии энергии — вполне достижимо. При этом можно использовать как готовые компоненты, так и подручные материалы.
Рассмотрим поэтапно процесс создания простейшего устройства — водяного колеса.
Необходимые материалы и инструменты
Для сборки мини-гидростанции вам понадобятся сварочный аппарат, болгарка, дрель и набор дополнительных инструментов — молоток, отвертка, линейка.
Из материалов вам понадобятся:
- Уголки и листовой металл толщиной не менее 5 мм.
- Трубы ПВХ или оцинкованной стали для изготовления лопастей.
- Генератор (можно использовать как готовый, так и самодельный, как в данном примере).
- Тормозные диски.
- Вал и подшипники.
- Фанера.
- Полистироловая смола для заливки ротора и статора.
- Медный провод диаметром 15 мм для самодельного генератора.
- Неодимовые магниты.
Учтите, что структура колеса будет постоянно контактировать с водой, поэтому металл и дерево должны быть защищены от влажности (или потребуется самостоятельно заняться их пропиткой и покраской). В идеале, фанеру можно заменить пластиком, но деревянные детали проще найти и обработать.
Сборка колеса и изготовление сопла
В качестве основы для колеса можно использовать два стальных диска одинакового диаметра (если удастся достать стальной барабан от кабеля — это упростит процесс).
Если же в доступных материалах нет металла, можно вырезать круги из водостойкой фанеры, хотя их прочность и срок службы даже обработанного дерева не сравнятся со сталью. На одном из дисков необходимо вырезать круглое отверстие для размещения генератора.
Затем изготавливаются лопасти. Их понадобится не меньше 16 штук. Для этого разрезаем оцинкованные трубы вдоль на две или четыре части, в зависимости от диаметра. Затем места срезов и поверхность лопастей шлифуем, чтобы уменьшить сопротивление потока.
Лопасти устанавливаются под углом примерно 40-45 градусов, что позволит увеличить площадь поверхности, подверженную воздействию потока.
Расстояние между двумя дисками должно максимально соответствовать длине лопастей. Рекомендуется сделать шаблон из фанеры, на котором будут обозначены места для каждой детали и отверстия для фиксации колеса к генератору. Этот шаблон можно прикрепить к внешней стороне одного из дисков.
После этого диски располагаются параллельно друг другу с помощью стержней с резьбой, а лопасти привариваются или фиксируются болтами в нужных местах. Барабан будет вращаться на подшипниках, а для поддержки используется рама из уголков или труб.
На данном этапе можно считать сборку барабана завершенной, осталось только присоединить его к самодельному генератору и соплу, направляющему поток воды.
Сопло необходимо для установки в водоемах каскадного типа — такая конструкция позволит максимально использовать энергию движения воды. Сопло изготавливается из листового металла, который сгибают и варят, а затем насаживается на трубу.
Однако если река в вашем регионе сравнительно спокойная и не имеет порогов, такое устройство может быть излишним.
Важным моментом является то, что ширина выходного отверстия сопла должна совпадать с шириной колеса, иначе часть потока будет проходить мимо лопастей.
Теперь колесо нужно разместить на оси и установить на опору, созданную из сваренных или соединенных болтами уголков. Осталось сделать генератор (либо установить готовый) и можно отправляться к реке.
Самодельный генератор
Для создания собственного генератора необходимо выполнить обмотку и заливку статора, для чего понадобятся катушки с 125 витками медной проволоки. После этого все элементы соединяются, и конструкция заливается полиэфирной смолой.
Каждая из фаз включает в себя три последовательно соединенных мотка, что позволяет организовать подключение в виде звезды или треугольника с несколькими внешними выводами.
Сначала необходимо создать шаблон из фанеры, который будет точно соответствовать размеру тормозного диска.
На фанерном кольце производится разметка, а также вырезаются прорези для установки магнитов (в этом случае используются неодимовые магниты размером 1,3 см в толщину, 2,5 см в ширину и 5 см в длину). Далее полученный ротор заливается смолой, а после полного высыхания соединяется с барабаном колеса.
Теперь водяное колесо с ротором из тормозных дисков и генератором на основе медной проволоки готово к использованию — оно имеет привлекательный внешний вид.
На завершающем этапе монтируется алюминиевый корпус с амперметром, который закрывает выпрямительные устройства. Эти компоненты отвечают за преобразование трехфазного тока в постоянный.
После установки колеса в течение небольшого потока воды, будь то речка с каскадом или через отводную трубу, можно ожидать, что мини-ГЭС обеспечит производство 1,9А * 12В при 110 оборотах в минуту.
Для защиты колеса от попадания листьев, песка и другого мусора, переносимого потоком воды, рекомендуется установить защитную сетку перед устройством.
Можно также поэкспериментировать с интервалами между магнитами и катушками, увеличив количество витков, для повышения эффективности работы гидростанции.
Чтобы узнать больше о разных типах альтернативных источников энергии, ознакомьтесь со статьей, посвященной внедрению «зеленых технологий» в повседневную жизнь.
Выводы и полезное видео по теме
Видео #1. Пример работающей гидроустановки с самодельным генератором на основе трехфазного двигателя:
Видео #2. Мини-ГЭС, разработанная по принципу водяного колеса:
Видео #3. Станция, основанная на велосипедном колесе — интересный способ решения проблемы с энергоснабжением во время отдыха вдали от городской цивилизации:
Как видите, построить мини-гидроэлектростанцию самостоятельно не так сложно. Однако, так как многие расчеты и параметры комплектующих определяются «на глаз», нужно быть готовым к возможным неисправностям и сопутствующим затратам.
Если у вас недостаточно знаний или опыта в этой области, будет разумно обратиться к профессионалам, которые проведут все необходимые расчеты, подберут наиболее подходящее оборудование и качественно его установят.
Пожалуйста, оставляйте комментарии в блоке, расположенном ниже. Делитесь интересными фактами и полезными советами, прикрепляйте тематические фотографии. Возможно, вы хотите рассказать о том, как самостоятельно создали действующую гидроэлектростанцию на своем загородном участке? Мы с удовольствием прочитаем ваш рассказ о процессе создания и эксплуатации.
