Сборка гидроэлектростанции своими руками: как создать автономную мини-ГЭС

Энергия водных потоков – это экологически чистый и возобновляемый ресурс, который позволяет получать электроэнергию практически без затрат. Эти природные ресурсы помогут сократить расходы на коммунальные услуги и обеспечат возможность зарядки электроприборов.

Если рядом с вашим жильем имеется ручей или река, их можно эффективно использовать. Эти водные источники смогут снабдить электричеством как дом, так и приусадебный участок. Если же вы самостоятельно построите гидроэлектростанцию, эффект от экономии станет значительно ощутимее.

В данной статье мы подробно рассмотрим, какие технологии необходимы для строительства малых гидротехнических сооружений. Вы узнаете о том, что нужно для создания системы и как подключить ее к потребителям. Здесь будут представлены различные варианты мини-гидростанций, которые можно изготовить из доступных материалов.

Непромышленные гидроэлектростанции

Гидроэлектростанции – это конструкции, превращающие энергию движения воды в электрическую энергию. Альтернативные «зеленые» источники энергии пока что в основном используются только в западных странах. В России эта область только начинает развиваться.

Получение электричества за счет энергии воды – это одно из перспективных направление «зеленой» энергетики. Главные преимущества заключаются в использовании возобновляемых бесплатных ресурсов земли, при минимальном вреде для окружающей среды.

К малым гидроэнергетическим проектам относятся мини-гидроэлектростанции с мощностью от 3-100 кВт до 25 МВт.

Для того чтобы получать электроэнергию, не обязательно иметь стремительную горную реку или огромную плотину. Достаточно лишь немного сужать русло ручья или реки.

Даже небольшое русло может заставить вращаться турбину малой ГЭС, если вода поступает из ближайшего источника или водоема.

Хотя простые малые ГЭС, расположенные в потоке воды, легко построить, они не предоставляют возможности регулировать силу и объем стекающей воды. Миниводохранилище может помочь в регулировании потока.

Наиболее обнадеживающие условия для построения мини ГЭС создаются в горных ручьях с заметным перепадом высот в русле. Но такие условия можно создать и на реках, протекающих по равнинной местности.

Увеличить эффективность работы мини-гидростанции помогают разные механизмы для создания водоводоворотов и завихрений, которые можно выполнить из бетона.

Для повышения КПД малые гидроэлектростанции стремятся улучшить турбины. Например, стандартное колесо с лопастями можно заменить на многовитковый шнек.

Небольшие гидроэлектростанции могут быть мощными сооружениями на крупных реках, производящими от нескольких мегаватт до сотен мегаватт, или мини-ГЭС с мощностью до 100 кВт, вполне достаточной для нужд обычного домашнего хозяйства. Именно о таких установках мы поговорим дальше.

Гирляндная гидроэлектростанция с гидровинтами

Структура подобной системы базируется на цепи роторов, которые прикреплены к гибкому стальному канату, перекинутому через реку. Этот канат выполняет функцию вращательного вала – один его конец закрепляется на опорном подшипнике, а другой – вращает генератор.

Каждый гидроротор в гирлянде может производить около 2 кВт энергии, но для этого скорость водного потока должна составлять не менее 2,5 м/с, при этом глубина водоема не должна превышать 1,5 м.

Принцип работы гирляндной ГЭС прост: поток воды приводит в движение гидровинты, которые вращают канат, активируя генератор для выработки энергии.

Гирляндные установки использовались еще в середине XX века: тогда вместо современных винтов применялись самодельные пропеллеры и даже консервные банки. В наши дни же различные производители предлагают множество моделей роторов для различных условий.

Эти конструкции часто комплектуются лопастями разного размера, изготовленными из металлических листов, что позволяет достичь максимального КПД.

Тем не менее, несмотря на простоту изготовления, эксплуатация этого типа гидрогенератора подразумевает выполнение определенных условий, которые не всегда возможно соблюсти. Такие установки могут блокировать русло реки, и, вероятно, соседи по берегу, не говоря уже о представителях экологический служб, не дадут разрешение использовать энергию водного потока для личных нужд.

К тому же, в зимний период работать такой установке возможно только на открыт водоемах, а в условиях суровой зимы лучше ее консервировать или демонтировать. Поэтому гирляндные станции обычно строятся временно и в малозаселенных районах (например, около летних пастбищ).

Роторные станции с мощностью от 1 до 15 кВт/ч могут производить до 9,3 МВт энергии за месяц, что дает возможность решить проблему электрификации в отдаленных от централизованных линий районах.

Современная версия гирляндной установки – погружные или наплывные станционные конструкции с поперечными роторами. В отличие от своих предшественниц, эти установки не перекрывают реку полностью, а используют лишь часть течения, и их можно ставить либо на понтоне/плоте, либо опускать прямо на дно водоема.

Вертикальный ротор Дарье

Ротор Дарье – это устройство турбинного типа, названное в честь его создателя, который разработал его в 1931 году. Эта система состоит из нескольких аэродинамических лопастей, которые фиксируются на радиальных балках, работая за счет перепада давления по принципу «подъемного крыла», применяемого в авиации и судостроении.

Хотя такие комплексы чаще всего используются в ветряных генераторах, их можно адаптировать и для воды, но потребуется точно рассчитать ширину и толщину лопастей по отношению к силе водного потока.

Ротор Дарье выглядит как подводный «ветряк», который функционирует независимо от сезонных изменений скорости воды.

Использовать вертикальные роторы для создания локальных гидростанций не так распространено. Хотя их показатели КПД впечатляют, конструкция при этом достаточно сложна в эксплуатации.

Перед запуском систему необходимо «разогнать», а остановить работающую установку можно только при замерзании водоема. Поэтому роторы Дарье преимущественно находят применение на промышленных объектах.

Интересное решение для проектирования малых ГЭС с вертикальной турбиной предложил австрийский изобретатель Франц Цотлётерер:

Согласно его проекту, часть потока направляется в проложенный вдоль русла отдельный канал, который заканчивается выпускным отверстием с желобом.

Существует множество вариантов водоворотных установок. Принцип их работы остается прежним: поступающая в канал вода течет по касательной, и, достигнув желоба, уходит вниз, закручиваясь спиралевидно.

Турбина устанавливается в центре водоворота, и закручивающийся поток заставляет ее вращаться.

Турбина подключена к контроллеру и инвертору, которые обеспечивают передачу электричества либо сразу потребителям, либо накапливают заряд в аккумуляторах.

Подводный винтовой пропеллер

По своей сути, это упрощенная версия воздушного ветряка, но монтаж осуществляется под водой. Размеры лопастей рассчитываются для минимизации сопротивления и обеспечения максимальной скорости вращения в зависимости от силы течения. Например, если скорость потока составляет до 2 м/с, ширина лопасти должна находиться в диапазоне 2-3 см.

Подводный пропеллер можно собрать самостоятельно, однако его использование подходит только для глубоких и быстрых рек – в мелком водоеме вращающиеся лопасти могут причинить травмы рыбакам, купальщикам, водоплавающим птицам и другим животным.

Этот ветряк устанавливается так, чтобы лопасти работали не благодаря давлению, а благодаря подъемной силе, аналогично принципу действия самолета или корабельного винта.

Водяное колесо с лопастями

Водяное колесо является одним из самых простых типов гидравлического двигателя, известным еще со времен Римской Империи. Эффективность его работы во многом зависит от типа источника, на котором оно установлено.

Подливные колеса способны вращаться только при достаточной скорости потока, в то время как наливные задействуют силу и массу падающей сверху воды.

В зависимости от глубины и конфигурации потока можно использовать разные типы колес:

• Подливные (или нижнебойные) – идеально подходят для мелководных рек с быстротечным течением.
• Среднебойные – устанавливаются в местах с естественными водоскрежениями так, чтобы поток попадал на середину вращающегося колеса.
• Наливные (или верхнебойные) – размещаются под плотинами, трубами или в нижней части естественного порога, чтобы вода, падая, могла проходить через верхнюю часть колеса.

Принцип функционирования всех вариаций идентичен: поток воды воздействует на лопасти, что приводит в движение колесо, которое, в свою очередь, генерирует электричество для мини-электростанции.

Производители гидрогенераторов предлагают готовые турбины, адаптированные под определенные скорости течения. Тем не менее, многие любители-ремесленники создают барабанные конструкции из подручных материалов, следуя традиционным методам.

Чтобы ознакомиться с процессом создания простейшей мини-гидроэлектростанции, вы можете посмотреть следующую фотогалерею:

Галерея изображений

Для того, чтобы усилить эффективность водного потока, необходимо возвести элемент, выполняющий функцию препятствия. На участках с перепадом высот сужаем русло с помощью двух массивных стен – бетонных или каменных.

Из влагостойкой фанеры толщиной 13 мм, для сборки турбины вырезаем два круга и 12-14 прямоугольных «лопастей» одного размера.

Лопасти нужно установить под углом относительно радиуса, проведенного из центра. Крепим их к двум кругам с помощью оцинкованных саморезов.

Временно перекрываем русло или дожидаемся уменьшения водоема в теплую погоду и ставим опорную конструкцию. Закрепляем ее при помощи четырех (или более) штырей из арматурного прута длиной не менее метра, забивая их в дно в углах рамы с помощью кувалды.

Перекинув трос через ветвь дерева над опорной конструкцией, обвязываем турбину. Если у вас есть блок, это значительно упростит задачу при перебрасывании троса.

Подключаем к турбине маломощный генератор модели Wind Blue Power Permanent Magnet Generator, который, вращаясь на 130 оборотах, может выдавать 12 В. В систему включен инвертор и несколько бывших в употреблении аккумуляторов на 110 А.

Соединяем систему с осью турбины с помощью резинового или эластомерного ремня подходящего размера, что обеспечит ременную передачу.

После завершения сборки, открываем запруду или ждем, пока в ручье не накопится достаточно воды для выработки электроэнергии. Эта мини-гидроэлектростанция способна производить от 50 до 500 Вт.

Шаг 1: Сужение русла и создание перепада высот
Шаг 2: Подготовка деталей для сборки турбины
Шаг 3: Крепление лопастей в самодельной турбине
Шаг 4: Установка опоры в русло ручья
Шаг 5: Монтаж турбины на опорную конструкцию
Шаг 6: Подключение генератора и аккумуляторов
Шаг 7: Устройство ременной передачи
Шаг 8: Тестирование системы после сборки

Хотя низкая степень оптимизации может отразиться на коэффициенте полезного действия, стоимость самодельного оборудования заведомо будет гораздо ниже, чем у заводского аналога. Именно поэтому водяное колесо остаётся наиболее популярным вариантом для создания индивидуальной мини-ГЭС.

Требования для установки гидроэлектростанции

Несмотря на привлекательную доступность энергии, генерируемой гидрогенератором, следует учитывать характеристики водного источника, который планируется использовать для удовлетворения своих нужд.

Не все водоемы подходят для эксплуатации мини-ГЭС, особенно в круглогодичном режиме, поэтому желательно предусмотреть возможность подключения к централизованным сетям.

Плюсы и минусы

Очевидные преимущества индивидуальной гидроэлектростанции заключаются в доступности и невысокой стоимости оборудования, которое производит недорогое электричество и не наносит вреда природе, в отличие от плотин, перекрывающих русла рек. Тем не менее, абсолютная безопасность не гарантируется – вращающиеся элементы турбины могут нанести травму живым существам и людям.

Чтобы избежать несчастных случаев, необходимо оградить гидростанцию, а если система полностью скрыта под водой, установить предупреждающий знак на берегу.

1. В отличие от других «бесплатных» источников энергии (солнечной и ветровой), гидросистемы могут эффективно функционировать в любое время суток и при любых погодных условиях. Единственным препятствием могут стать заморозки водоема.
2. Для установки гидрогенератора не обязательно наличие крупной реки – водяные колеса также успешно работают в небольших, но быстротечных ручьях.
3. Установки не вырабатывают вредные выбросы, не загрязняют воду и функционируют практически бесшумно.
4. Для монтажа мини-ГЭС мощностью до 100 кВт не требуется оформление разрешительной документации (хотя это может зависеть от местных законов и типа установки).
5. Излишки выработанного электричества можно продавать соседям.

Что касается недостатков, основным препятствием для эффективного использования оборудования может стать недостаточная сила течения. В таком случае придется возводить дополнительные конструкции, что повлечет за собой дополнительные расходы.

Если энергии, доступной от ближайшей реки, недостаточно для выработки необходимого количества электричества, имеет смысл рассмотреть альтернативные варианты, такие как ветрогенераторы, которые могут эффективно дополнять решение.

Оценка скорости водного потока

Первый шаг перед выбором типа и метода установки станции – измерение скорости водного потока в выбранном вами источнике.

Простой метод заключается в том, чтобы бросить на стремнину легкий предмет (например, теннисный мяч, кусок пенопласта или поплавок) и измерить, за сколько он проплывет определенное расстояние. Стандартная дистанция для испытания – 10 метров.

Если водоем находится далеко, можно продумать систему отводного канала или трубопровода, сочетая это с проверкой перепадов высот.

Теперь нужно разделить пройденное расстояние в метрах на количество секунд – это и будет скорость течения. Если полученное значение оказалось менее 1 м/сек, необходимо возвести дополнительные сооружения для увеличения потока за счет перепадов.

Увеличить скорость потока можно с помощью разборной плотины или с помощью узкой сливы. Однако при отсутствии хорошего течения стоит отказаться от идеи с гидростанцией.

Создание ГЭС на базе водяного колеса

Несомненно, сборка крупной установки для обслуживания предприятия или целого населенного пункта из десятка домов – это затея, скорее, фантастическая. Однако создание своими руками мини-гидроэлектростанции для экономии электроэнергии – вполне осуществимо, причем можно использовать как готовые элементы, так и подручные материалы.

Давайте рассмотрим процесс пошаговой сборки простейшего устройства – водяного колеса.

Нужные материалы и инструменты

Для сборки мини-ГЭС потребуется сварочный аппарат, болгарка, дрель и набор вспомогательных инструментов, таких как молоток, отвертка, линейка.

Вам понадобятся следующие материалы:

• Уголки и листовой металл толщиной не менее 5 мм.
• ПВХ или оцинкованные трубы для создания лопастей.
• Генератор (можно воспользоваться готовым, либо изготовить самостоятельно, как в этом примере).
• Тормозные диски.
• Вал и подшипники.
• Фанера.
• Полистироловая смола для заливки ротора и статора.
• Медный провод диаметром 15 мм для самодельного генератора.
• Неодимовые магниты.

Помните, что конструкция водяного колеса будет постоянно контактировать с водой, поэтому выбранные металлические и деревянные элементы должны быть защищены от влаги (либо следует позаботиться о его обработке и покраске самостоятельно). В идеале, фанеру лучше заменить пластиком, однако деревянные элементы проще достать и придавать нужную форму.

Сборка колеса и изготовление сопла

Основа для колеса может состоять из двух стальных дисков одинакового диаметра (если удастся достать стальной барабан от кабеля – это значительно упростит процесс).

Если в числе доступных материалов нет стали, круги можно вырезать из влагостойкой фанеры, но прочность и срок службы, даже обработанного дерева, не сравнятся со сталью. На одном из дисков необходимо прорезать круглое отверстие, чтобы установить генератор.

Теперь приступаем к созданию лопастей – их понадобится не меньше 16 штук. Для этого оцинкованные трубы распиливаются пополам или на четыре части (это зависит от диаметра). Далее необходимо отшлифовать места распила и поверхность лопастей для снижения потерь энергии от трения.

Лопасти устанавливаются под углом 40-45 градусов, что увеличит площадь поверхности, на которую будет воздействовать сила потока.

Расстояние между двумя дисками должно быть близким к длине лопастей. Для удобства расположения ступиц рекомендуется создать шаблон из фанеры, на котором будет обозначено место для каждой детали и отверстия для крепления колеса к генератору. Готовую разметку можно прикрепить к внешней стороне одного из дисков.

После этого круги необходимо расположить параллельно друг другу с помощью стержней с нарезанной резьбой, а лопасти приварить или зафиксировать на болты в нужных положениях. Барабан будет вращаться на подшипниках, а для опоры следует использовать раму из уголков или тонкостенных труб.

На этом этапе сборку барабана можно считать завершенной, остаётся оснастить его самодельным генератором и соплом, которое будет направлять поток воды.

Сопло необходимо для водных источников каскадного типа – такая установка позволит максимально эффективно использовать энергию потока. Его изготавливают путем обработки листового металла с последующим свариванием швов, после чего фиксируют на трубе.

Если же в вашем регионе протекает равнинная река без порогов и других препятствий, то необходимость в этом элементе отсутствует.

Важно, чтобы ширина выходного сопла совпадала с шириной колеса, иначе часть потока уйдет «вхолостую», не достигая лопастей.

Теперь колесо можно установить на ось и зафиксировать на опоре, собранной из сваренных или болтовых уголков. Осталось сделать генератор (или установить заранее подготовленный) и можно отправляться к реке.

Создание генератора самостоятельно

Для того чтобы собрать генератор своими руками, вам потребуется сконструировать обмотку и залить статор. Для этого необходимо подготовить катушки с 125 витками медного провода на каждой. После того как они будут соединены, их следует залить полиэстеровой смолой.

Каждая фаза генератора состоит из трех последовательно соединённых катушек, поэтому соединение может быть выполнено в виде звезды или треугольника с несколькими внешними выводами.

Следующим этапом станет подготовка шаблона из фанеры, который будет соответствовать размерам тормозного диска.

На деревянном кольце необходимо разметить места и сделать вырезы для установки магнитов (в данном случае используются неодимовые магниты, имеющие толщину 1,3 см, ширину 2,5 см и длину 5 см). Затем готовый ротор нужно залить смолой, а после высыхания прикрепить к барабану колеса.

На данный момент у вас уже будет водяное колесо с ротором, созданным на основе тормозных дисков, и генератором из медных витков — оно будет выглядеть привлекательно и полностью готово к работе.

На завершающем этапе устанавливается алюминиевый кожух с амперметром, который закрывает выпрямительные устройства, задача которых заключается в преобразовании трехфазного тока в постоянный.

После того как колесо будет размещено в русле небольшой реки, с каскадом или через отводную трубу, можно рассчитывать на продуктивность мини-гидроэлектростанции в 1,9А * 12В при 110 оборотах в минуту.

Для защиты колеса от листьев, песка и прочего мусора, принесённого потоком воды, рекомендуется установить перед устройством защитную сетку.

Кроме того, вы можете поэкспериментировать с расстоянием между магниты и катушками, увеличив количество витков для повышения эффективности гидростанции.

Для более подробного знакомства с различными видами альтернативной энергетики, ознакомьтесь со статьей, посвященной внедрению «зеленых технологий» в повседневную жизнь.

Заключение и полезные видео по теме

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

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

Видео #3. Станция на базе велосипедного колеса – интересное решение для обеспечения электричеством во время отдыха вдали от городской инфраструктуры:

Как вы могли заметить, собрать водяную миниэлектростанцию самостоятельно не так сложно. Однако поскольку большинство расчетов и параметров комплектующих определяется на глаз, стоит быть готовым к потенциальным неполадкам и возможным расходам.

Если у вас недостаточно опыта и знаний в этой области, разумно доверить работу профессионалам, которые осуществят все необходимые расчеты, подскажут подходящее оборудование для вашей ситуации и качественно установят его.

Мы будем рады вашим комментариям в блоке ниже. Делитесь интересной информацией и полезными советами, оставляйте тематические фотографии. Если у вас есть желание рассказать о том, как вы сами создали работающую гидроэлектростанцию на своем загородном участке, мы с удовольствием прочитаем ваш опыт по её сооружению и обслуживанию.