Ювелирное обозрение

Что такое мини ГЭС

Для начала определимся с принципом работы и типами небольших ГЭС. Течение реки или падающий водный поток вращает лопасти турбины и гидропровод, который соединен с электрогенератором ‑ последний и вырабатывает электроэнергию. Современные компактные ГЭС имеют автоматическое управление с возможностью мгновенного перехода на ручной режим в случае аварийной ситуации. Конструкции современных заводских ГЭС позволяют свести к минимуму производство строительных работ при монтаже оборудования.

Виды мини гидроэлектростанций

К мини электростанциям относятся генерирующие устройства мощностью от 1 до 3000 кВт. Принципиально ТЭС состоит из:

1. турбины (водозаборного устройства);
2. генерирующего блока;
3. системы управления.

По типу водных ресурсов, используемых для генерации, мини ГЭС бывают:

• Русловые. Такие станции строятся на небольших равнинных реках с водохранилищами.
• Горные. Стационарные станции, которые используют энергию быстрого горного течения.
• Промышленные. Станции, использующие перепады потока воды на промпредприятиях.
• Мобильные. Станции, использующие для водного потока армированные рукава.

Плотинные типы станций отличаются высокой мощностью, но строительство плотины обходится дорого, да и без разрешений в этом случае не обойтись. Связываться с чиновниками в нашей стране – не просто усложнить себе жизнь, а ставить под сомнение реализацию самых благих намерений, поэтому откажемся от этой затеи сразу.

Как работает мини ГЭС

Принципиальную схему работы ГЭС можно выбрать из нескольких вариантов:

• Гирляндная ГЭС. С одного берега реки на другой под водой проложен трос с нанизанными на него роторами. Течение вращает роторы и, соответственно, сам трос. Один конец троса в подшипнике, другой соединен с генератором.
• Пропеллер. Подводная конструкция, напоминающая ветряк с узкими лопастями и вертикальным ротором. Лопасть шириной всего 20 мм при большой скорости вращения обеспечит минимальное сопротивление. Лопасть такой ширины выбирается при скорости потока 0,8–2, 0 м в сек.
• Водяное колесо. Колесо с лопастями, частично погруженное в поток, и расположенное под прямым углом к поверхности воды. Поток воды давит на лопасти, вращая колесо.
• Ротор Дарье. Вертикальный ротор со сложными поверхностями лопастей. Жидкость, обтекая лопасти, создает разное давление, за счет чего происходит вращение.

На фото мини ГЭС на основе водяного колеса

Как оценить потенциальную мощность мини ГЭС

До строительства мини гидроэлектростанции своими руками нужно определить мощность, на которую можно рассчитывать. Существует справочное соотношение между скоростью потока воды и мощностью, которая может сниматься с вала в кВт при диаметре винта 1 м.

Скорость потока определяется замером времени, за которое щепка, брошенная в воду, пройдет определенное расстояние. Сделав несложные расчеты, получим скорость потока в метрах в секунду. Если в данном случае скорость менее 1 м/сек, то строительство ГЭС будет экономически нецелесообразно.

При скорости потока 2,5 м/с мощность составит 0,86 кВт, при 3 м/с – 1,24 кВт, при 4 м/с – 2,2 кВт. Соотношение описывается зависимостью: мощность ГЭС пропорциональна кубу скорости потока воды. Если скорость потока на участке предполагаемого строительства мала, ее можно попытаться увеличить устройством перепада высот потока или установкой сливной трубы с изменяемым диаметром на выходе из водоема. Чем меньше будет диаметр трубы на выходе, тем больше получится скорость потока.

Как сделать мини ГЭС в домашних условиях

Принцип работы небольшой самодельной ГЭС можно понять на примере велосипеда с фарой и динамо-машиной (генератором).

1. Из кровельного железа делаем три лопасти длиной, равной радиусу велосипедного колеса (расстоянию от центральной втулки до обода колеса) и шириной 3-4 см.
2. Устанавливаем лопасти между спицами колеса, загнув для крепления край лопасти вокруг спиц. Лопасти должны быть выставлены равномерно с сохранением одинаковых углов между ними.
3. Погружаем колесо с лопастями в быструю реку на глубину от трети до половины диаметра колеса. Вырабатываемой электроэнергии будет достаточно, например, для освещения палатки.

Чертеж одного из вариантов строительства мини ГЭС

Примером может служить небольшая ГЭС для фермерского хозяйства мощностью 3-5 кВт из подручных материалов:

1. Ротор можно сделать из старого металлического кабельного барабана диаметром 2,2 м. При помощи болгарки и сварки под углом 45 градусов к радиусу нужно вварить 18 лопастей. Вращается ротор на подшипниках. Опора – труба металлическая или уголок.
2. На роторе нужно установить цепной редуктор с передаточным числом (коэффициентом передачи) 4. Далее вращение будет передаваться через карданный вал ВАЗ 2101. Использование кардана уменьшит вибрацию, а также соосность привода и генератора при использовании вала будет некритичной.
3. Понадобятся повышающий редуктор (коэффициент – 40) и трехфазный генератор. Скорость вращения генератора около 3000 об/мин. Общий коэффициент редукции двух редукторов составит 40 х 4 = 160. Генератор следует закрыть кожухом для защиты от влаги и безопасности. Расчетное вращение водяного колеса должно составить около 20 оборотов в минуту.
4. Под генератор можно приспособить асинхронный двигатель, а блок управления взять от любого небольшого станка. Понадобится кабель ВВГ НГ 2х4 длиной от ротора до фермерских построек.

Выводы

Суммарные расходы на изготовление составят около 10-15 тысяч рублей. Основная статья расходов – заработная плата сварщику и рабочему, помогающим сделать и собрать конструкцию.

Главными преимуществами такого оборудования являются низкая стоимость электроэнергии, экологическая безопасность, неисчерпаемость источника энергии и простота конструкции.

Если неподалеку от дома имеется пруд с плотиной или ручей, можно сделать отличный источник бесплатной дополнительной энергии. В статье будет рассмотрен пример, как своими руками можно сделать гидроэлектростанцию на основе водяного колеса. Изготовленная таким образом электростанция способна выдавать ток до 6 А, при установке на небольшой ручей установка показала результат в 2 А. Этого хватит, чтобы включить приемник и пару лампочек. Мощность зависит того, с какой силой идет водяной поток.

Материалы и инструменты:
– уголки и обрезки листового металла;
– диски для создания колеса (использовались от корпуса генератора Onan, который вышел из строя);
– генератор (был изготовлен из двух тормозных дисков Доджа по 28 см);
– вал и подшипники тоже были взяты от Доджа;
– медный провод с сечением около 15 мм;
– неодимовые магниты;
– фанера;
– полистироловая смола (нужна для заливки статора и ротора).

Шаг первый. Создаем колесо
Для создания колеса понадобится два стальных диска. В данном случае их диаметр составляет 28см (11 дюймов). Диск нужно разметить, чтобы было понятно, где устанавливать лопасти. Для изготовления лопастей берется труба диаметром 4 дюйма и разрезается вдоль на 4 части. Всего колесо имеет 16 лопастей. Чтобы зафиксировать диски, они стягиваются четырьмя болтами. Далее можно устанавливать лопасти на нужные позиции. Они привариваются с помощью сварки. Зазор между дисками составляет 10 дюймов, то есть длина колеса равна 10-ти дюймам.

Шаг второй. Делаем сопло
Сопло нужно для того, чтобы направлять воду на колесо. Его ширина составляет 10 дюймов, как и ширина колеса. Сопло изготавливается из цельного куска металла путем выгибания. Далее конструкция сваривается с помощью сварки.

Теперь можно устанавливать на ось колесо и механическая часть ГЭС практически готова. Осталось собрать и установить генератор.
Сопло сделано регулируемым по высоте, это позволяет управлять потоком воды в зависимости от ситуации.

Шаг третий. Собираем генератор
Процесс создания генератора состоит из нескольких шагов. Сперва нужно сделать обмотку, она состоит из 9-ти катушек. Каждая катушка имеет 125 витков. Диаметр медной проволоки составляет 1.5 мм. Каждая фаза образуется тремя катушками, которые соединены последовательно. Всего выведено 6 концов, это позволит сделать соединение как звездой, так и треугольником.

В заключении катушки заливаются полиэтиленовой смолой и выходит готовый статор. Его диаметр составляет 14 дюймов, а толщина 0.5 дюйма.

Для сборки генератора нужна фанера, из нее делается шаблон. Далее по этому шаблону устанавливаются 12 магнитов размерами 2,5 х 5 см и толщиной 1,3 см. В заключении ротор также заливается полиэтиленовой смолой. Вот и все, после засыхания генератор готов.

Под алюминиевой крышкой находятся выпрямители, которые делают из трехфазного переменного тока постоянный. Шкала амперметра имеет диапазон до 6 А. При самом минимальном зазоре между магнитами, устройство выдает 12 Вольт при оборотах 38 об/мин..

В задней части генератора есть два подстрочных винта, которые позволяют регулировать воздушный зазор. Таким образом, можно подбирать наиболее приемлемые параметры работы генератора.

Шаг четвертый. Заключительный этап сборки и установка генератора
Все крепежные элементы, а также водяное колесо нужно покрасить. Во-первых, так устройство будет выглядеть красивее. А во-вторых, краска будет защищать металл от ржавчины, которая быстро будет появляться возле источника воды. Неплохо бы было оснастить генератор защитным крылом, которое отводит брызги, но у автора не нашлось подходящего материала.

Генератор работает, вот он уже выдает почти 2 Ампера. Регулировки показали, что эффективнее всего работает соединение по типу звезды, при этом воздушный зазор составляет 1.25 дюйма.

Устройство может обойтись и дешевле, если использовать более слабые магниты и делать между катушкой меньше зазор.
На данный момент под нагрузкой скорость вращения составляет 110 об/мин, а в холостую 160 об/мин, при этом ГЭС выдает напряжение 1,9 А х 12В.

Единственная проблема при работе такого генератора – налипание магниевого песка на магниты. Чтобы этого не происходило, нужно ставить экран и дополнительный магнит на входе, чтобы он улавливал магнитные частички.

Сила водного потока – это возобновляемый природный ресурс, позволяющий получать практически бесплатное электричество. Подаренная природой энергия предоставит возможность сэкономить на коммунальных услугах и решить проблему с подзарядкой техники.

Если рядом с вашим домом протекает ручей или река, ими стоит воспользоваться. Они смогут обеспечить электроэнергией участок и дом. А уж если построена гидроэлектростанция своими руками, экономический эффект возрастает в разы.

В представленной статье детально описаны технологии изготовления частных гидротехнических сооружений. Мы рассказали о том, что потребуется для устройства системы и подключения ее к потребителям. У нас вы узнаете о всех вариантах миниатюрных поставщиков энергии, собранных из подручных материалов.

Гидроэлектростанции непромышленного назначения

Гидроэлектростанции – это сооружения, способные преобразовать энергию движения воды в электричество. Альтернативные “зеленые” поставщики электроэнергии пока активно эксплуатируются только на Западе. На территории нашей страны эта перспективная отрасль лишь делает первые робкие шаги.

Небольшими частными гидроэлектростанциями могут быть плотины на больших реках, вырабатывающие от десятка до нескольких сотен магаватт или мини-ГЭС с максимальной мощностью в 100 кВт, которых вполне достаточно для нужд частного дома. Вот о последних и узнаем подробней.

Гирляндная станция с гидровинтами

Конструкция состоит из цепи роторов, закрепленных на гибком стальном тросе, перетянутом поперек реки. Сам трос исполняет роль вращательного вала, один конец которого фиксируется на опорном подшипнике, а второй – активирует вал генератора.

Каждый гидроротор «гирлянды» способен вырабатывать около 2 кВт энергии, правда, скорость водного потока для этого должна быть не менее 2,5 метров в секунду, а глубина водоема не превышать 1,5 м.

Гирляндные станции с успехом использовались еще в середине прошлого века, но роль винтов тогда играли самодельные пропеллеры и даже консервные банки. Сегодня же производители предлагают несколько видов роторов для различных условий эксплуатации.

Они комплектуются лопастями разного размера, изготовленными из листового металла, и позволяют получить максимальный КПД от работы станции.

Но хотя в изготовлении этот гидрогенератор достаточно прост, его эксплуатация предполагает ряд специальных условий, не всегда осуществимых в реальной жизни. Такие сооружения перегораживают русло реки, и вряд ли соседи по берегу, не говоря уже о представителях экологических служб, разрешат использовать энергию потока для ваших целей.

Кроме того, в зимний период установку использовать можно только на незамерзающих водоемах, а в условиях сурового климата – консервировать или демонтировать. Поэтому гирляндные станции возводятся временно и преимущественно в безлюдной местности (например, около летних пастбищ).

Современный аналог гирляндной установки – погружные или наплывные рамные станции с поперечными роторами. В отличие от своей гирляндной предшественницы, эти конструкции не перегораживают всю реку, а задействуют только часть русла, причем установить их можно на понтоне/плоте или вовсе опустить на дно водоема.

Вертикальный ротор Дарье

Ротор Дарье – устройство турбины, которое получило название в честь своего изобретателя в 1931 г. Система состоит из нескольких аэродинамических лопастей, зафиксированных на радиальных балках, и работает за счет перепада давления по принципу «подъемного крыла», который широко задействован в кораблестроительстве и авиации.

Хотя такие установки больше используются для создания ветрогенераторов, они могут работать и с водой. Но в этом случае нужны точные расчеты, чтобы подобрать толщину и ширину лопастей в соответствии с силой водного потока.

Для создания локальных гидростанций вертикальные роторы используется редко. Несмотря на неплохие показатели КПД и кажущуюся простоту конструкции, оборудование достаточно сложное в эксплуатации.

Перед началом работы систему нужно «раскрутить», зато и остановить запущенную станцию сможет только замерзание водоема. Поэтому используется ротор Дарье преимущественно на промышленных предприятиях.

Подводный пропеллер-“ветряк”

По сути, это самый простой воздушный ветряк, только устанавливается он под водой. Размеры лопастей, чтобы обеспечить максимальную скорость вращения и минимум сопротивления, рассчитываются в зависимости от силы движения потока. Например, если скорость течения не превышает 2 м/сек, то ширина лопасти должна быть в пределах 2-3 см.

Такой ветряк устанавливается «навстречу» потоку, но его лопасти работают не за счет давления водного напора, а благодаря возникновению подъемной силы (по принципу самолетного крыла или винта корабля).

Водяное колесо с лопастями

Водяное колесо – один из простейших вариантов гидравлического двигателя, известный еще со времен Римской Империи. Эффективность его работы во многом зависит от типа источника, на котором его установили.

В зависимости от глубины и русла водотока можно установить различные типы колес:

• Подливные (или нижнебойные) – подойдут для мелководных рек с быстрым течением.
• Среднебойные – располагаются в руслах с природными каскадами так, чтобы поток попадал приблизительно на середину вращающегося барабана.
• Наливные (или верхнебойные) – устанавливаются под плотиной, трубой или в нижней части естественного порога, чтобы ниспадающая вода продолжила путь через вершину колеса.

Но принцип работы у всех вариантов один и тот же: вода попадает на лопасти и приводит в действие колесо, которое заставляет вращаться генератор для миниэлектростанции.

Производители гидрооборудования предлагают готовые турбины, лопасти которых специально адаптированы под определенную скорость водного потока. Но домашние умельцы изготавливают барабанные конструкции по старинке – из подручных материалов.

Возможно, отсутствие оптимизации отразится на показателях КПД, зато себестоимость самодельного оборудования обойдется в разы дешевле покупного аналога. Поэтому водяное колесо наиболее популярный вариант для организации собственной мини-ГЭС.

Условия для установки гидроэлектростанции

Несмотря на заманчивую дешевизну энергии, вырабатываемую гидрогенератором, важно учесть особенности водного источника, ресурсы которого вы планируете задействовать для собственных нужд.

Ведь далеко не каждый водоток подойдет для эксплуатации мини-ГЭС, тем более круглогодичной, поэтому не помешает иметь в резерве возможность подключения к централизованной магистрали.

Несколько «за» и «против»

Основные плюсы индивидуальной гидроэлектростанции очевидны: недорогое оборудование, которое вырабатывает дешевое электричество, да еще и природе не вредит (в отличие от плотин, перекрывающих ток реки). Хотя абсолютно безопасной систему назвать нельзя – все-таки вращающиеся элементы турбин могут нанести травмы жителям подводного мира и даже людям.

1. В отличие от других «бесплатных» энергоисточников (солнечных батарей, ветрогенераторов), гидросистемы могут работать вне зависимости от времени суток и погоды. Единственное, что может им помешать – замерзание водоема.
2. Для установки гидрогенератора необязательно наличие большой реки – те же водяные колеса с успехом можно использовать даже в мелких (но быстрых!) ручьях.
3. Установки не выделяют вредных веществ, не загрязняют воду и работают практически бесшумно.
4. Для монтажа мини-ГЭС мощностью до 100 кВт не нужно оформлять разрешительную документацию (хотя все зависит от местных властей и типа установки).
5. Избыток электричества можно продавать в соседние дома.

Что касается недостатков – серьезной помехой для продуктивной эксплуатации оборудования может стать недостаточная сила течения. В этом случае придется возводить вспомогательные сооружения, что сопряжено с дополнительными затратами.

Если потенциальной энергии расположенной рядом реки при приблизительном расчете не хватит на выработку электричества в объеме, достаточном для практического применения, стоит обратить внимание на способы сооружения ветрогенераторов. Ветряк послужит эффективным дополнением.

Измерение силы водного потока

Первое, что нужно сделать, чтобы задуматься о виде и способе монтажа станции, – измерить скорость водного потока на облюбованном источнике.

Самый простой способ – опустить на стремнину любой легкий предмет (например, теннисный мячик, кусок пенопласта или рыбацкий поплавок) и засечь секундомером время, за которое он проплывет расстояние до какого-нибудь ориентира. Стандартная дистанция для «заплыва» – 10 метров.

Теперь нужно пройденное расстояние в метрах разделить на количество секунд – это и будет скорость течения. Но если полученное значение будет меньше 1 м/сек, потребуется возвести искусственные сооружения, чтобы ускорить поток перепадами высот.

Это реально осуществить с помощью разборной плотины или неширокой сливной трубы. Но без хорошего течения от идеи с гидростанцией придется отказаться.

Изготовление ГЭС на основе водяного колеса

Разумеется, собрать «на коленке» и возвести махину, предназначенную для обслуживания предприятия или населенного пункта даже из десятка домов – идея из области фантастики. Но соорудить своими руками мини-ГЭС для экономии электричества – вполне реально. Причем задействовать можно как готовые комплектующие, так и подручные материалы.

Поэтому рассмотрим пошагово изготовление наиболее простого сооружения – водяного колеса.

Необходимые материалы и инструменты

Чтобы сделать своими руками мини-ГЭС, нужно подготовить сварочный аппарат, болгарку, дрель и набор вспомогательных инструментов – молоток, отвертку, линейку.

Из материалов понадобятся:

• Уголки и листовой металл толщиной не менее 5 мм.
• Трубы из ПВХ или оцинкованной стали для изготовления лопастей.
• Генератор (можно использовать готовый покупной или сделать самому, как в данном примере).
• Тормозные диски.
• Вал и подшипники.
• Фанера.
• Полистироловая смола для заливки ротора и статора.
• Медный провод на 15 мм для самодельного генератора.
• Неодимовые магниты.

Учтите, что конструкция колеса будет постоянно контактировать с водой, поэтому металлические и деревянные элементы необходимо выбирать с защитой от влаги (или позаботится об их пропитке и покраске самостоятельно). В идеале, фанеру можно заменить пластиком, но деревянные детали проще достать и придать им нужную форму.

Сборка колеса и изготовление сопла

Основой для самого колеса могут стать два стальных диска одинакового диаметра (если есть возможность достать стальной барабан от кабеля – отлично, это намного ускорит процесс сборки).

Но если металла в подручных материалах не нашлось, можно вырезать круги и из водостойкой фанеры, хотя прочность и срок службы даже обработанного дерева не сравнится со сталью. Затем на одном из дисков нужно прорезать круглое отверстие под установку генератора.

После этого изготавливаются лопасти, а их понадобится не меньше 16 шт. Для этого оцинкованные трубы разрезаются вдоль на две или четыре части (зависит от диаметра). Затем места резки и саму поверхность лопастей нужно отшлифовать, чтобы уменьшить потери энергии при трении.

Расстояние между двумя боковыми дисками должно быть максимально приближено к длине лопастей. Чтобы наметить место для расположения будущих ступиц, рекомендуется сделать шаблон из фанеры, на котором будет обозначено место для каждой детали и отверстия для фиксации колеса к генератору. Готовую разметку можно прикрепить на внешней стороне одного из дисков.

Затем круги устанавливаются параллельно друг к другу с помощью стержней со сплошной резьбой, а лопасти привариваются или фиксируются болтами в нужных позициях. Барабан будет вращаться на подшипниках, а в качестве опоры используется рама из уголков или труб небольшого диаметра.

Сопло предназначено для водных источников каскадного типа – такая установка позволит использовать энергию потока по максимуму. Изготавливается этот вспомогательный элемент путем выгибания листового металла с последующей сваркой швов, а после насаживается на трубу.

Однако если в вашей местности протекает равнинная река без порогов и других высотных препятствий, в этой детали нет необходимости.

Теперь колесо нужно насадить на ось и установить на подпорку из сваренных или скрепленных болтами уголков. Осталось сделать генератор (или установить готовый) и можно отправляться к реке.

Генератор своими руками

Для изготовления самодельного генератора нужно сделать обмотку и заливку статора, для чего понадобятся катушки со 125-ю витками медной проволоки на каждой. После их соединения вся конструкция заливается полиэстеровой смолой.

Теперь нужно подготовить фанерный шаблон, совпадающий по размерам с тормозным диском.

На деревянном кольце выполняется разметка и делаются прорези для установки магнитов (в данном случае использовались неодимовые магниты толщиной 1,3 см, шириной 2,5 см и длиной 5 см). Затем полученный ротор также заливается смолой, а после просушки – присоединяется к барабану колеса.

Последним монтируется алюминиевый кожух с амперметром, закрывающий выпрямители. Задача этих элементов – преобразовывать трехфазный ток в постоянный.

Чтобы в колесо не попадали листья, песок и другой мусор, принесенный с потоком, желательно поставить перед устройством защитную сетку.

Также можно поэкспериментировать с зазорами между магнитами и катушками с увеличенным количеством витков для увеличения КПД гидростанции.

О всех видах альтернативных источников энергии вы узнаете, ознакомившись со статьей, посвященной внедрению в быт “зеленых технологий”.

Выводы и полезное видео по теме

Видео #1. Пример работающей гидроустановки с самодельным генератором на базе трехфазного двигателя:

Видео #2. Мини-ГЭС, сконструированная по принципу водяного колеса:

Видео #3. Станция на основе велосипедного колеса – интересный вариант решения проблемы с энергообеспечением на отдыхе вдали от цивилизации:

Как видите, построить водяную миниэлектростанцию своими руками не так уж и сложно. Но так как большинство расчетов и параметров для ее комплектующих определяется «на глазок», следует быть готовым к возможным поломкам и сопутствующим затратам.

Если вы чувствуете нехватку знаний и опыта в данной сфере, стоит довериться специалистам, которые выполнят все необходимые расчеты, посоветуют оптимальное для вашего случая оборудование и качественно произведут его установку.

Пишите, пожалуйста, комментарии в расположенном ниже блоке. Делитесь интересными сведениями и полезными рекомендациями, оставляйте тематические фото. Возможно, вы хотите рассказать, как соорудили собственными руками действующую гидроэлектростанцию на загородном участке? Будем рады прочитать ваш рассказ о процессе устройства и эксплуатации.