Хидроелектростанция със собствени ръце: как да изградим автономна мини-ВЕЦ

Силата на водния поток – това е възобновим природен ресурс, позволяващ да се получава практически безплатно електричество. Подарената от природата енергия ще предостави възможност да спестите от комунални услуги и да решите проблема с презареждането на техниката.

Ако близо до вашия дом тече поток или река, струва си да ги използвате. Те ще могат да осигурят електроенергия за имота и къщата. А ако е построена водноелектрическа централа със собствени ръце, икономическият ефект нараства многократно.

В представената статия са описани детайлно технологиите за изработка на частни хидротехнически съоръжения. Разказахме ви какво ще е необходимо за изграждане на системата и свързването ѝ с потребителите. При нас ще научите за всички варианти на миниатюрни доставчици на енергия, сглобени от подръчни материали.

Водноелектрически централи с непромишлено предназначение

Водноелектрическите централи – това са съоръжения, способни да преобразуват енергията на движението на водата в електрочество. Алтернативни “зелени” доставчици на електроенергия все още активно се експлоатират само на Запад. На територията на нашата страна тази перспективна отрасъл прави първите плахи стъпки.

Малки частни ВЕЦ могат да бъдат язовири на големи реки, произвеждащи от десет до няколко стотин мегавата, или мини-ВЕЦ с максимална мощност от 100 kW, които са напълно достатъчни за нуждите на частен дом. Ето за последните ще научим повече.

Гирляндна станция с хидровинтове

Конструкцията се състои от верига от ротори, закрепени на гъвкаво стоманено въже, опънато напречно на реката. Самото въже изпълнява ролята на въртящ вал, чийто единият край се фиксира на опорен лагер, а вторият активира вала на генератора.

Всеки хидроротор на «гирляндата» е способен да произвежда около 2 kW енергия, но скоростта на водния поток за това трябва да бъде не по-малко от 2,5 метра в секунда, а дълбочината на водоема да не надвишава 1,5 m.

Принципът на действие на гирляндната ВЕЦ е прост: водният напор развърта хидровинтовете, а те въртят въжето и карат генератора да произвежда енергия.

Гирляндните станции успешно са били използвани още в средата на миналия век, но ролята на винтовете тогава са играли самоделни пропелери и дори консервени кутии. Днес пък производителите предлагат няколко вида ротори за различни условия на експлоатация.

Те се комплектуват с лопатки с различен размер, изработени от ламарина, и позволяват да се получи максимален КПД от работата на станцията.

Но макар че в изработката този хидрогенератор е доста прост, неговата експлоатация предполага редица специални условия, не винаги осъществими в реалния живот. Такива съоръжения преграждат коритото на реката и едва ли съседите по брега, да не говорим за представителите на екологичните служби, ще разрешат да използвате енергията на потока за вашите цели.

Освен това, през зимния период уредбата може да се използва само на незамръзващи водоеми, а при условия на суров климат – да се консервира или демонтира. Затова гирляндните станции се изграждат временно и предимно в безлюдни местности (например, около летни пасища).

Роторните станции с мощност от 1 до 15 kW/h произвеждат до 9,3 MW на месец и позволяват самостоятелно да се реши проблемът с електрификацията в региони, отдалечени от централизираните магистрали.

Съвременен аналог на гирляндната инсталация – потапящи или наводняващи рамкови станции с напречни ротори. За разлика от своята гирляндна предшественица, тези конструкции не преграждат цялата река, а използват само част от коритото, като могат да бъдат монтирани на понтон/сал или дори спуснати на дъното на водоема.

Вертикален ротор на Дарие

Роторът на Дарие е устройство на турбина, което получи името си в чест на своя изобретател през 1931 г. Системата се състои от няколко аеродинамични лопатки, фиксирани на радиални греди, и работи благодарение на разликата в налягането по принципа на "подемното крило", който е широко използван в корабостроенето и авиацията.

Въпреки че такива инсталации се използват повече за изграждане на ветрогенератори, те могат да работят и с вода. Но в този случай са необходими точни изчисления, за да се изберат дебелината и ширината на лопатките в съответствие със силата на водния поток.

Роторът на Дарие наподобява "вятърна мелница", само че монтиран под вода, като може да работи независимо от сезонните колебания на скоростта на потока.

За изграждане на локални водноелектрически централи вертикалните ротори се използват рядко. Въпреки добрите показатели на КПД и привидната простота на конструкцията, оборудването е доста сложно за експлоатация.

Преди началото на работа системата трябва да се "развърти", но спиране на пуснатата станция може да предизвика само замръзване на водоема. Поради това роторът на Дарие се използва предимно в индустриални предприятия.

Интересно решение в областта на проектирането на малки ВЕЦ с вертикално работеща турбина предложи австрийският изобретател Франц Цотльотерер:

Сериозен плюс на водовъртежните станции напълно основателно се счита запазването на рибните ресурси. Работата на вертикалната турбина не нанася вреда на живите организми в реката. Освен това по стените на съоръженията не се задържа тиня поради специфичното движение на водния поток.

Подводен винтов пропелер

По същество това е най-простият въздушен вятър, само че се монтира под вода. Размерите на лопатките, за да се осигури максимална скорост на въртене и минимално съпротивление, се изчисляват в зависимост от силата на движението на потока. Например, ако скоростта на течението не надвишава 2 м/сек, ширината на лопатката трябва да бъде в границите 2-3 см.

Подводен пропелер не е трудно да се направи самостоятелно, но е подходящ само за дълбоки и бързи реки – в плитък водоем въртящите се лопатки могат да наранят рибари, къпещи се, водоплаващи птици и животни

Такъв вятър се монтира „срещу“ потока, но неговите лопатки работят не благодарение на натиска на водния напор, а поради възникване на подемна сила (по принципа на самолетното крило или корабния винт).

Водно колело с лопатки

Водното колело е един от най-простите варианти на хидравличен двигател, познат още от времето на Римската империя. Ефективността му зависи до голяма степен от типа на източника, на който е монтирано.

Подливното колело може да се върти само благодарение на скоростта на потока, а наливното – посредством напора и теглото на водата, падаща отгоре върху лопатките

В зависимост от дълбочината и коритото на водния поток могат да се монтират различни типове колела:

• Подливни (или долнобойни) – подходящи за плитки реки с бързо течение.
• Среднобойни – разполагат се в корита с естествени каскади, така че потокът да попада приблизително в средата на въртящия се барабан.
• Наливни (или горнобойни) – монтират се под язовир, тръба или в долната част на естествен праг, така че падащата вода да продължи пътя си през върха на колелото.

Но принципът на действие при всички варианти е един и същ: водата попада върху лопатките и задвижва колелото, което кара генератора на мини водноелектрическата централа да се върти.

Производителите на хидрооборудване предлагат готови турбини, чиито лопатки са специално адаптирани за определена скорост на водния поток. Но домашните майстори изработват барабанни конструкции по стария начин – от подръчни материали.

Запознаването със стъпките за изграждане на най-простия вариант на мини ВЕЦ ще помогне следната фото-подборка:

Възможно е липсата на оптимизация да се отрази на показателите на КПД, но себестойността на самоделното оборудване ще бъде многократно по-ниска от закупения аналог. Затова водното колело е най-популярният вариант за организиране на собствена мини-ВЕЦ.

Условия за инсталиране на водноелектрическа централа

Въпреки примамливата евтиност на енергията, произвеждана от хидрогенератора, е важно да се вземат предвид особеностите на водния източник, чиито ресурси планирате да използвате за собствени нужди.

Защото далеч не всеки воден поток е подходящ за експлоатация на мини-ВЕЦ, още по-малко целогодишна, така че не е зле да имате в резерв възможност за свързване към централизирана мрежа.

Няколко «за» и «против»

Основните предимства на индивидуалната водноелектрическа централа са очевидни: евтино оборудване, което произвежда евтина електроенергия, и освен това не вреди на природата (за разлика от язовирите, които преграждат течението на реката). Въпреки че системата не може да се нарече абсолютно безопасна – все пак въртящите се елементи на турбините могат да наранят обитателите на подводния свят и дори хора.

За да се предотвратят инциденти, хидроцентралата трябва да бъде оградена, а ако системата е изцяло скрита под вода – да се постави предупредителен знак на брега.

Предимства на мини-ВЕЦ:

1. За разлика от други «безплатни» енергийни източници (слънчеви батерии, ветрогенератори), хидросистемите могат да работят независимо от времето на денонощието и времето. Единственото, което може да им попречи, е замръзването на водоема.
2. За инсталиране на хидрогенератор не е задължително наличието на голяма река – същите водни колела с успех могат да се използват дори в малки (но бързи!) потоци.
3. Инсталациите не отделят вредни вещества, не замърсяват водата и работят практически безшумно.
4. За монтажа на мини-ВЕЦ с мощност до 100 kW не е необходимо да се оформя разрешителна документация (въпреки че всичко зависи от местните власти и вида на инсталацията).
5. Излишъкът от електроенергия може да се продава на съседните къщи.

Що се отнася до недостатъците – сериозна пречка за продуктивната експлоатация на оборудването може да стане недостатъчната сила на течението. В този случай ще трябва да се изградят спомагателни съоръжения, което е свързано с допълнителни разходи.

Ако потенциалната енергия на разположената наблизо река при приблизително изчисление не стигне за производство на електричество в обем, достатъчен за практическо приложение, струва си да се обърне внимание на начините за изграждане на вятърни генератори. Ветрогенераторът ще послужи като ефективно допълнение.

Измерване на силата на водния поток

Първото нещо, което трябва да се направи, за да се помисли за вида и начина на монтаж на станцията, е да се измери скоростта на водния поток на избрания източник.

Най-простият начин е да се пусне в стрежнята на реката всеки лек предмет (например тенис топка, парче стиропор или рибарски плувка) и да се отбележи с хронометър времето, за което той ще преплува разстоянието до някакъв ориентир. Стандартното разстояние за „плуване“ е 10 метра.

Ако водоемът се намира малко по-далече от дома, може да се построи отводен канал или тръбопровод, и същевременно да се предвидят разликите във височината.

Сега нужното разстояние в метри трябва да се раздели на броя секунди – това ще бъде скоростта на течението. Но ако получената стойност е по-малка от 1 м/сек, ще е необходимо да се изградят изкуствени съоръжения, за да се ускори потокът чрез разлики във височината.

Реално е да се осъществи с помощта на разглобяема язовирна стена или неширока отточна тръба. Но без добро течение ще трябва да се откажете от идеята за хидростанция.

Изработка на ВЕЦ на основата на водно колело

Разбира се, да се сглоби „на коляно“ и да се изгради гигант, предназначен за обслужване на предприятие или населено място, дори и от десетина къщи – това е идея от сферата на фантастиката. Но да се изгради със собствени ръце мини ВЕЦ за икономия на електричество – това е напълно реалистично. При това могат да се използват както готови компоненти, така и подръчни материали.

Затова ще разгледаме стъпка по стъпка изработването на най-простото съоръжение – водно колело.

Необходими материали и инструменти

За да се направи със собствени ръце мини ВЕЦ, трябва да се подготвят заваръчен апарат, ъглошлайф, бормашина и комплект помощни инструменти – чук, отвертка, линийка.

От материали ще са необходими:

• Ъглови профили и ламарина с дебелина не по-малко от 5 мм.
• Тръби от PVC или поцинкована стомана за изработване на лопатки.
• Генератор (може да се използва готов закупен или да се направи сам, както в този пример).
• Спирачни дискове.
• Вал и лагери.
• Шперплат.
• Полистиролова смола за заливане на ротора и статора.
• Меден проводник с диаметър 15 мм за самоделния генератор.
• Неодимови магнити.

Имайте предвид, че конструкцията на колелото ще бъде постоянно в контакт с вода, затова металните и дървените елементи трябва да се изберат с защита от влага (или да се погрижите сами за тяхното импрегниране и боядисване). В идеалния случай шперплатът може да се замени с пластмаса, но дървените части са по-лесни за намиране и за придаване на необходимата форма.

Сглобяване на колелото и изработка на дюзата

Основа за самото колело могат да бъдат два стоманени диска с еднакъв диаметър (ако имате възможност да намерите стоманен барабан от кабел – отлично, това ще ускори значително процеса на сглобяване).

Но ако не намерите метал в наличните материали, можете да изрежете кръгове и от водоустойчив шперплат, въпреки че здравината и експлоатационният живот дори на обработено дърво не се сравняват със стомана. След това на един от дисковете трябва да изрежете кръгъл отвор за монтиране на генератора.

След това се изработват лопатките, като ще са необходими поне 16 броя. За целта поцинкованите тръби се разрязват по дължина на две или четири части (в зависимост от диаметъра). След това местата на рязане и самата повърхност на лопатките трябва да се шлайфат, за да се намалят загубите на енергия от триене.

Лопатките се монтират под наклон от около 40-45 градуса – това ще помогне да се увеличи повърхността, върху която ще действа силата на потока.

Разстоянието между двата странични диска трябва да бъде възможно най-близко до дължината на лопатките. За да се набележи мястото за разположение на бъдещите главини, се препоръчва да се направи шаблон от шперплат, върху който ще бъдат обозначени местата за всеки детайл и отворите за фиксиране на колелото към генератора. Готовата маркировка може да се прикрепи от външната страна на един от дисковете.

След това кръговете се монтират успоредно един на друг с помощта на пръти с пълна резба, а лопатките се заваряват или закрепват с болтове в необходимите позиции. Барабанът ще се върти на лагери, а като опора се използва рамка от ъгълчета или тръби с малък диаметър.

На този етап сглобяването на барабана може да се счита за завършено, остава да го оборудвате с домашен генератор и дюза, насочваща водния поток.

Дюзата е предназначена за водни източници от каскаден тип – такава инсталация ще позволи използването на енергията на потока максимално. Този помощен елемент се изработва чрез извиване на листов метал с последващо заваряване на шевовете, а след това се насажда върху тръба.

Ако обаче във вашия район тече равнинна река без прагове и други високопланински препятствия, няма нужда от тази част.

Важно е ширината на изходния отвор на дюзата да съответства на ширината на самото колело, иначе част от потока ще върви «на празен ход», без да попада върху лопатките.

Сега колелото трябва да се насади на оста и да се монтира върху подпора от заварени или закрепени с болтове ъгълчета. Остава да направите генератор (или да инсталирате готов) и можете да отидете до реката.

Генератор със собствени ръце

За изработването на домашен генератор трябва да направите намотка и заливане на статора, за което ще са необходими бобини със 125 навивки от меден проводник на всяка. След свързването им цялата конструкция се залива с полиестерна смола.

Всяка фаза се състои от три последователно закрепени намотки, следователно съединението може да се направи под формата на звезда или триъгълник с няколко външни извода.

Сега е необходимо да се подготви шперплатов шаблон, който да съвпада по размери със спирачния диск.

На дървения пръстен се извършва маркировка и се правят прорези за поставяне на магнити (в този случай са използвани неодимови магнити с дебелина 1,3 см, ширина 2,5 см и дължина 5 см). След това полученият ротор се залива със смола, а след изсушаване – се присъединява към барабана на колелото.

Водно колело с ротор от спирачни дискове и генератор от намотки от медна жица – боядисано, представително и готово за експлоатация.

Последно се монтира алуминиев кожух с амперметър, който покрива токоизправителите. Задачата на тези елементи е да преобразуват трифазен ток в постоянен.

След монтиране на колелото в потока на малка рекичка с каскад или отклонителна тръба, може да се разчита на производителност на мини-ВЕЦ от 1,9А * 12В при 110 оборота в минута.

За да не попадат в колелото листа, пясък и друг отпадък, донесен от потока, е желателно да се постави пред устройството защитна мрежа.

Също така може да се експериментира с междините между магнитите и бобините с увеличен брой навивки за увеличаване на КПД на хидростанцията.

За всички видове алтернативни източници на енергия ще научите, като се запознаете със статия, посветена на внедряването в бита на “зелени технологии”.

Изводи и полезно видео по темата

Видео #1. Пример на работеща хидроинсталация с домашно направен генератор на базата на трифазен двигател:

Видео #2. Мини-ВЕЦ, конструирана по принципа на водното колело:

Видео #3. Станция на основата на велосипедно колело – интересен вариант за решаване на проблема с енергоснабдяването при почивка далеч от цивилизацията:

Както виждате, да се построи водна миниелектроцентрала със собствени ръце не е толкова трудно. Но тъй като повечето изчисления и параметри за нейните компоненти се определят „на око“, трябва да сте готови за възможни повреди и съпътстващи разходи.

Ако Вие чувствате недостиг на знания и опит в тази сфера, струва си да се доверите на специалисти, които ще извършат всички необходими изчисления, ще посъветват оптималното за Вашия случай оборудване и качествено ще извършат неговото инсталиране.

Пишете, моля, коментари в разположения по-долу блок. Споделяйте интересни сведения и полезни препоръки, оставяйте тематични снимки. Възможно е да искате да разкажете как сте съоръжили със собствени ръце действаща хидроелектрическа централа на извънградски парцел? Ще се радваме да прочетем Вашия разказ за процеса на устройството и експлоатацията.