Малые самодельные гидроэлектростанции. Микро ГЭС своими руками из Металла и Дерева
Среди всех альтернативных источников энергии, наибольшей популярностью пользуются гидроэлектростанции. Этот факт объясняется достаточно просто - при тех же капиталовложениях, отдача значительно больше. Единственный недостаток в том, что для стабильной работы необходима река или ручей.
Классификация мини ГЭС
В зависимости от принципа работы выделяют четыре основных типа гидроэлектростанций:
- ГЭС гирлянда, для усиления потока воды используются дополнительные гидросооружения;
- классическое водяное колесо, наиболее простой вариант, для самодельной ГЭС;
- пропеллер, подходит в том случае, если русло реки более 10 м в ширину;
- ротор Даоье применяется для изготовления промышленных микро ГЭС.
Объединяет все эти разновидности гидростанций то, что для их работы не нужно строить плотину. Данная конструкция - это высокоточный и дорогостоящий инженерный объект, возведение которого стоит в разы больше, чем сама ГЭС.
Второй критерий, по которому следует разделить маленькие гидроэлектростанции - возможность применения в бытовых и промышленных целях. Речь идет о том, что один и тот же тип ГЭС может иметь несколько вариантов подачи и отвода воды. Это делает возможным, создание электростанций, которые могут работать в закрытой системе трубопроводов. Актуальны они для фабрик и предприятий, производственный процесс, которых связан с большими затратами воды. Кроме того, мощность установки должна соответствовать потребности в электричестве.
Бытовые установки намного проще и дешевле. Но их монтаж возможен только в том случае, если есть постоянный источник воды. При этом речь не идет о муниципальном водопроводе.
Преимущества мини ГЭС
- работает практически бесшумно и не загрязняет атмосферу;
- никак не влияет на качество воды, при желании, на водоотводе устанавливается фильтры, что делает воду пригодной для питья;
- работа станции не зависит от погодных условий, электричество вырабатывается 24 часа в сутки;
- для работы ГЭС достаточно даже небольшого ручья;
- есть возможность продавать излишек электроэнергии соседям;
- нет необходимости собирать справки и разрешения.
Сравнение самодельной и заводской мини ГЭС
Для бытового использования нужно не более 20 кВт в сутки. Это не так много, поэтому целесообразность покупки ГЭС, изготовленной промышленным способом, ставится под сомнение. Кажется, что нет никаких сложностей в том, чтобы изготовить гидростанцию колесного или пропеллерного типа. Но на практике возникает ряд проблем.
Во-первых, сложно произвести необходимые расчеты, во-вторых, толщина и размер деталей подбираются исключительно опытным путем, в-третьих, самодельные ГЭС изготавливаются без защитных элементов, что приводит к постоянным поломкам и, как следствие, дополнительным растратам.
Если нет опыта в гидроэнергетике, от идеи самодельной установки лучше отказаться. Намного проще и надежнее обговорить вопрос с соседями и совместными усилиями приобрести фабричную ГЭС с гарантией качества. Кроме того, компании, продающие данные установки, осуществляют их монтаж.
Обзор производителей мини ГЭС
На самом деле, производством мини ГЭС занимается не так много фирм. Компании-посредники стараются не разглашать эту информацию, поскольку потеряют львиную долю доходов. Среди тех фабрик, которым действительно стоит доверять, нужно выделить CINK Hydro-Energy. Это признанный мировой лидер в сфере разработок гидрооборудования.
Тем не менее, перед тем, как связываться с менеджером компании, необходимо подсчитать затраты на обработку информации, логистику и установку. В большинстве случаев сумма получится не на много меньше, чем у посредников.
В какой компании заказать мини ГЭС
Учитывая, что техника достаточно дорогая и для изготовления требуются точные математические расчеты, имеет смысл обратиться к компаниям, которые положительно зарекомендовали себя на рынке. Альтернативная энергетика - это новое направление для нашей страны, поэтому список достаточно небольшой.
1. AEnergy крупнейший поставщик качественных ГЭС, компания оказывает полный спектр услуг от сбора и обработки информации, до установки гидростанции.
2. ИНСЭТ - это компания из Петербурга. Она самостоятельно занимается изготовлением ГЭС, поэтому за качество отвечает лично. Преимущества сотрудничества в том, что есть возможность заказать микро ГЭС на 5-10 кВт.
3. Гидропоника - еще одна отечественная компания, которая самостоятельно изготавливает ГЭС. Гарантия на всю продукцию 10 лет. Наиболее интересная модель Шар-Булак с мощностью в 5 кВт.
4. НПО Инверсия - конструкторское бюро, специализирующиеся на разработке альтернативных и стандартных источников энергии. Отличительные черты - наличие нестандартных ГЭС с мощностью в 7,5 и 12,5 кВт.
5. Micro hydro power - китайская компания, продающая несколько относительно недорогих бытовых установок.
Меня всегда привлекало получение бесплатной энергии из природных ресурсов. И как-то у меня зародилась идея сделать простую мини электростанцию, которая бы вырабатывала электричество из проходящего мимо водяного ручья.
Все началось с идеи использовать барабан старой стиральной машины в качестве водяного колеса – миниатюрной самодельной гидроэлектростанции.
К барабану с помощью металлических уголков были прикреплены прямые лопасти из влагостойкой фанеры.
Крутящий момент с водяного колеса передается за счет ремня на велосипедную динамо-машину (генератор постоянного тока). Выработанная электроэнергия поступает на светодиод. Достаточно рукой слегка прокрутить колесо, и светодиод начнет мигать.
Основа всей конструкции – велосипедная рама.
Два подшипника позволяют водяному колесу свободно крутится.
Первые испытания на маленькой речке показали, что водяное колесо на раме установлено слишком высоко, что не дает потоку воды его нормально раскручивать.
После небольших изменений в конструкции рамы колесо стало располагаться ниже и скорость вращения резко возросла. Как результат, начала вращаться динамо-машина и светодиод на 4,5 В загорелся.
Вот так из старого хлама получилась самодельная гидроэлектростанция.
Далее мини ГЭС в сборе была установлена на небольшой ручей.
Вырабатывает она всего несколько вольт, но их достаточно для свечения светодиода.
Это был неплохой эксперимент для начала.
Дальнейшее усовершенствование в проекте
Дальнейшее усовершенствование водяного колеса должны затронуть:- Построить мини-дамбу для увеличения напора воды. При этом полностью речку не планируется перегораживать, чтобы рыба могла уходить во втором потоке.
- Под дамбой установить трубу, по которой вода будет поступать на самодельную турбину. В трубе устроить кожух из транспортерной резиновой ленты. Перекрыв поток воды через трубу можно провести обслуживание механизмов.
- По расчетам, турбина будет выдавать мощность примерно в два раза больше, чем водяное колесо. Кроме того, замена водяного колеса на турбину должна снять проблему замерзания в зимнее время.
- Поток воды будет раскручивать турбину, передавая крутящий момент генератору. Держаться турбина будет на двух подшипниках, изготовленных из массива дерева. При регулярном смазывании они прослужат долго. Упорная шайба будет удерживать механизм от бокового смещения.
- Изготовить металлические лопатки, рассчитав угол, под которым их нужно загнуть (от этого параметра зависит мощность гидроэлектростанции). Лопатки прикрутить нужно будет с использованием резиновых прокладок, чтобы избежать их отрыва.
- Для передачи крутящего момента использовать собранный из труб вал.
- Установить генератор. На генератор поставить шкив меньшего размера, чем установленный на валу. Это позволит повысить обороты, что необходимо для эффективной работы генератора.
Именно на этом месте Мы попытаемся сделать нашу новую гидроэлектростанцию. Ранее на этом пруду уже были предприняты попытки создания самодельной ГЭС из беличьего колеса с ременной передачей на генератор (она кстати показана на фото в конце статьи), который давал ток около 1Ампера, этого было достаточно для питания нескольких лампочек и радиоприемника в нашем маленьком охотничьем домиком. Данная электростанция успешно проработала более 2-х лет, и мы решили создать на месте этой мини плотины более мощный вариант аналогичный вариант гидроэлектростанции.
Для изготовления мини плотинной ГЭС на м понадобится:
Обрезки листового металла и уголки;
- Диски для колеса (использовались от корпуса вышедшего из строя генератора фирмы Onan);
- Генератор (его сделали из двух дисков диаметром 11 дюймов от дисковых тормозов Доджа);
- Ведущий вал и подшипники – вроде бы тоже от Доджа, мы не помним точно, так сняли их своими руками с какой-то другой самоделки;
- медная проволока сечением примерно 15 мм;
- немного фанеры;
- магниты;
- полистироловая смола для заливки ротора и статора.
Процесс изготовления
Лопасти ведущего колеса делаем из разрезанной на 4 части 4-х дюймовой стальной трубы.
Мы сделали шаблон, который помог заложить из отверстия, Боковые поверхности колеса – диски диаметром 12 дюймов.
Делаем шаблон, с помощью которого размечаем отверстия для ступиц (5 штук), а также позицию угол лопастей. В таком колесе, если посмотреть сбоку, вода бьет сверху, примерно в районе 10 часов, проходит через середину колеса и выходит внизу, на 5 часах, так что вода бьет по колесу два раза. Мы пересмотрели большое число фотографий и попытались смоделировать ширину и угол лопастей. На фото сверху – разметка для краев лопастей и отверстия для крепления колеса к генератору. В колесе 16 лопастей.
Шаблон приклеили к одному из дисков – будущей боковой поверхности колеса, оба диска мы зажали вместе. На фото выше – сверление маленьких отверстий для позиционирования лопастей.
Делаем зазор между дисками в 10 дюймов, используя шпильки со сплошной резьбой, и максимально аккуратно выравниваем их перед установкой лопастей.
Процесс сварки колеса показан на фото выше. Очень важно, чтобы лопасти сделаны из оцинкованной стальной трубы. Перед сваркой необходимо зачистить цинк с краев лопастей, так как при сварке гальванизированный металл выделяет токсичный газ, чего мы стараемся избежать.
Готовое колесо нашей будущей гэс, без генератора. На, другой стороне колеса (противоположной генератору) в боковом диске есть отверстие в 4 дюйма диаметром – для удобства прикручивания к генератору, а также для очистки, чтобы засунуть руку и вынуть палки и прочий мусор, который может занести внутрь вода.
Сопло имеет такую же ширину (10 дюймов), что и колесо, и около 1 дюйма высоты с того конца, где выходит вода. Площадь сопла чуть меньше, чем 4-х дюймовая труба, на которую сопло насажено. На фото сверху – мы гнем металлический лист своими руками для сопла.
Насаживаем колесо на ось, наша ГЭС практически готова, осталось только сделать и установить генератор. Вся конструкция подвижная. Мы можем двигать сопло вперед, назад, вверх, вниз. Колесо и генератор могут двигаться вперед и назад.
Изготовление генератора для нашей ГЭС. >
Делаем обмотку статора и подготавливаем для заливки. Обмотка состоит из 9 катушек, каждая катушка состоит из 125 витков медной проволоки сечением 1,5 мм. Каждая фаза состоит из 3-х последовательно соединенных катушек, мы вывели наружу 6 концов, так что можем сделать соединение как звездой, так и треугольником.
А это статор – после заливки. (Для его заливки используем полиэстеровую смолу) Его диаметр 14 дюймов (35.5 см) , толщина 0,5 дюйма 1,3 см.
Делаем шаблон из фанеры – для разметки под магниты.
На фото – шаблон и один из тормозных дисков (будущий ротор).
Расставляем по подготовленному шаблону 12 магнитов размером 2,5 х 5 см, толщиной 1,3 см.
Заливаем ротор полиэстеровой смолой, и когда смола засохнет ротор будет готов к работе.
Вот так выглядит наша почти законченная гидроэлектростанция в сборе с генератором.
Фото с другой стороны. Под алюминиевой крышкой – два мостовых выпрямителя из 3-х фазного переменного тока в постоянный. Шкала амперметра – до 6А. В этом состоянии, когда воздушный зазор между магнитными роторами уменьшен до предела, машина выдает 12,5 вольт при 38 об/мин.
В заднем магнитном роторе, есть 3 настроечных винта для регулирования воздушного зазора, для того, чтобы генератор мог вращаться быстрее по необходимости, в надежде найти оптимум.
На досуге, участие в создании ГЭС принимало 17 человек.
Приступаем к изготовлению крепежных элементов, для этого сначала очищаем с листового металла и уголков всю ржавчину, грунтуем и красим, это конечно не обязательно, но так красивее, да и вид товарный будет.
Наш генератор с водяным колесом готов, осталось только установить его!
Было бы неплохо соорудить экран от брызг для генератора, который вращался бы вместе с колесом, но мы так и не нашли подходящего материала. Поэтому решили сделать это потом, если ГЭС заработает.
Еще фото генератора с водяным колесом. Сопло еще не установлено, оно сзади в кузове и мы скоро его поставим.
На фото – место где мы хотим ее поставить. 4-х дюймовая труба выходит снизу запруды, перепад около 3-х футов. Мы забираем только небольшую часть водяного потока.
Эта наша старая микро-ГЭС, проработавшая 2 года, включая зимы. Ее хватало на 1 Ампер (12 Ватт) или около того. Это беличье колесо, с ременной передачей на движок от компьютерного стримера фирмы Ametek. Натяжение ремня критично для успешной работы, его надо часто настраивать. Мы надеемся, что соорудили нечто лучше этого.
Вот и наша ГЭС на месте, производим ее настройку. Наконец, мы приходим к теоретически предсказанным параметрам: лучший результат получается, когда вода входит на 10 часов колесного диска, и выходит в районе 5 часов.
Заработало! Выход около 2 Ампер (1,9 если быть точным). Увеличить ток не удается. Настройки производить нелегко – каждое передвижение колеса требует соответствующего передвижения сопла, и наоборот. Еще мы можем изменять воздушный зазор и менять соединение со звезды на треугольник. Результат явно лучше у звезды – мощность выше, чем у треугольника при тех же оборотах. В итоге мы остановились на звезде, с зазором 1,25 дюйма (довольно много).
Машинку можно сделать чуть дешевле, если использовать менее мощные магниты и меньший воздушный зазор… или она может выдавать больше тока с теми же магнитами, меньшим зазором и катушками с большим количеством витков. Когда-нибудь мы этим займемся. А пока – колесо выдает 160 об/мин на холостом ходу, 110 об/мин под нагрузкой, производя 1,9 А х 12В.
Удовольствия мы получили море, было очень весело, да и мини-ГЭС неплохо работает. Нам все-таки нужен экран на генератор – в речке полно магнетитового песка! Каждые несколько часов приходится очищать магнитные роторы от песчаных нарастаний. Надо или ставить экран, или приделать пару мощных магнитов на входе в трубу.
По материалам сайта: Otherpower.com
Всегда хотел получить электричество из ручья, протекающего по периметру моего дома. Около трех лет назад я установил временную турбину, чтобы проверить, будет ли работоспособным турбинное колесо большего размера.
Демо-версия этого колеса была сделана из старых подставок для абразивных кругов и деревянных паллет в качестве лопастей.
В качестве генератора я использовал старую ленту постоянного тока из приводного двигателя Ametec. Чтобы приготовить все полностью, я использовал мини-мотоцепь и звездочки с 70 и 9 зубцами (для вращения колеса и на двигателе). Стоимость всех предметов вылилась примерно в 30 фунтов стерлингов.
Максимально оно генерировало 25 Вт и проработало где-то в течение года, главным образом из-за ограничений двигателя Ametec и размера колеса, и подтолкнуло меня к созданию турбины большего размера.
В первую очередь мне нужно было запрудить воду ручья, так, чтобы уровень воды был примерно мне по грудь. Не дожидаясь конца лета, я, с помощью водооткачивающего насоса отвел воду, сделал запруду из цемента.
Колеса турбины мне изготовили местные строительные компании из прочного многослойного материала, используемого для создания обшивки и настила в судостроении, толщиной в 13 мм. Из этого же материала я сделал и лопасти. В завершение я покрыл диски и лопасти специальным водоотталкивающим составом, чтобы продлить их жизнь.
Основу для турбины я соорудил из дубовых поленьев. Дуб оказался очень жестким, пришлось повозиться, пока я прикреплял поленья болтами к каменной раме. Пришлось сверлить отверстия, а для этого приходилось привязывать турбину, чтобы уравновесить ее и подогнать все размеры и затянуть болты.
Следующим шагом после установки колеса было решение вопроса с приводом и генератором.
Первоначально я использовал привод производства Minimoto, но затем маленькая цепь из-за интервала между зубьями начала соскальзывать, и я решил приобрести цепи с шагом 3/8 и звездочки у поставщика подшипников. Генератор поставил Windblue Power Permanent Magnet Generator (PMG). Он способен вырабатывать 12 В на 150 об./мин. Его часто используют в качестве переделанного автомобильного генератора. Обычный генератор выдает 12 В лишь при 3000 оборотах. Этот двигатель я заказал в США за 135 фунтов стерлингов, включая расходы на почтовую пересылку.
Колесо крутилось слишком медленно, и мне пришлось делать под запрудой ступенчатый поддон, на котором вода собиралась в узкое жерло и с большей силой лилась на лопасти.
Кроме того я прикрутил стальным тросом сечением в 1 см основные рейки каркаса, а там, где была возможность, укрепил базу с помощью анкерных болтов длиной в 1 фут, чтобы уберечь устройство от поломки, если вдруг плотину прорвет или будет сильный порыв ветра.
На турбине установлены аккумуляторы 4x55AH Brand New. С их помощью я постоянно подзаряжаю ноутбук. Также я купил два военных тяговых свинцовых аккумулятора 2х110Аh Hawker для освещения гаража и дома. Подача напряжения на два разных по типу аккумулятора идет с разных проводов.
Примерно год я эксплуатирую эту систему. Выходная мощность - 50 Вт, на пике выдает до 500 Вт. Пару раз турбина останавливалась из-за спада воды, а также из-за перекрытия основного потока во время наводнений. А так - круглый год работает.
Перевод: Ярослав Николаевич
Если у Вашего жилища протекает река или даже небольшой ручей, то с помощью самодельной мини ГЭС Вы можете получить бесплатную электроэнергию. Возможно это будет не очень большое пополнение бюджета, но осознание того, что у Вас есть своя собственная электроэнергия — стоит гораздо дороже. Ну а если, например на даче, нет центрального электроснабжения — то даже небольшие мощности электроэнергии будут просто необходимы. И так, для создания самодельной гидроэлектростанции необходимо как минимум два условия — наличие водяного ресурса и желание.
Если и то и другое присутствует, то то первое, что нужно сделать – это измерить скорость потока реки. Сделать это очень просто — бросаете в реку веточку и замерьте время, в течении которого она проплывет 10 метров. Поделив метры на секунды, вы получите скорость течения в м/с. Если скорость меньше 1 м/с, то продуктивной мини ГЭС не получится. В этом случае можно попробовать увеличить скорость потока искусственно заузив русло или сделав небольшую плотину, если имеете дело с не большим ручьем.
Для ориентира, можно использовать соотношение между скоростью потока в м/с и мощностью снимаемой электроэнергии с вала винта в кВт (диаметр винта 1 метр). Данные экспериментальные, в реальности полученная мощность зависит от многих факторов, но для оценки подойдет. Так:
- 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 и т.д.
Мощность самодельной мини ГЭС пропорциональна кубу скорости потока. Как уже указывалось, если скорость течения недостаточная, попробуйте ее искусственно увеличить, если это конечно возможно.
Типы мини-ГЭС
Существует несколько основных вариантов самодельных мини гидроэлектростанций.
Это колесо с лопастями, установленное перпендикулярно поверхности воды. Колесо погружено в поток меньше чем наполовину. Вода давит на лопасти и вращает колесо. Существуют также колеса-турбины со специальными лопатками, оптимизированными под струю жидкости. Но это достаточно сложные конструкции скорее заводского, чем самодельного изготовления.
Это ротор с вертикальной осью вращения, используемый для генерации электрической энергии. Вертикальный ротор, который вращается за счет разности давлений на его лопастях. Разница давлений создается за счет обтекания жидкостью сложных поверхностей. Эффект подобен подъемной силе судов на подводных крыльях или подъемной силе крыла самолета. Эта конструкция была запатентована Жорж Жан-Мари Дарье, французским авиационным инженером в 1931 году. Также часто используется в конструкциях ветрогенераторов.
Гирляндная гидроэлектростанция состоит из легких турбин — гидровингроторов, нанизанных и жестко закрепленными в виде гирлянды на тросе, переброшенном через реку. Один конец троса закрепляется в опорном подшипнике, второй — вращает ротор генератора. Трос в этом случае играет роль своеобразного вала, вращательное движение которого передается к генератору. Поток воды вращает роторы, роторы вращают трос.
Также заимствован из конструкций ветровых электростанций, такой себе «подводный ветряк» с вертикальным ротором. В отличие от воздушного, подводный пропеллер имеет лопасти минимальной ширины. Для воды достаточно ширины лопасти всего в 2 см. При такой ширине будет минимальное сопротивление и максимальная скорость вращения. Такая ширина лопастей выбиралась для скорости потока 0.8-2 метра в секунду. При больших скоростях, возможно, оптимальны другие размеры. Пропеллер движется не за счет давления воды, а за счет возникновения подъемной силы. Так же как крыло самолета. Лопасти пропеллера движутся поперек потока, а не увлекаются потоком в направлении течения.
Преимущества и недостатки различных систем самодельной мини ГЭС
Недостатки гирляндной ГЭС очевидны: большая материалоемкость, опасность для окружающих (длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД. Гирляндная ГЭС – это своего рода небольшая плотина. Целесообразно использовать в безлюдных, удаленных местах с соответствующими предупредительными знаками. Возможно потребуется разрешение властей и экологов. Второй вариант — небольшой ручей у Вас в огороде.
Ротор Дарье — сложен в расчете и изготовлении. В начале работы его нужно раскрутить. Но он привлекателен тем, что ось ротора расположена вертикально и отбор мощности можно производить над водой, без дополнительных передач. Такой ротор будет вращаться при любом изменении направления потока — это плюс.
Наибольшее распространение при построении самодельных гидроэлектростанций получили схемы пропеллера и водяного колеса. Так как эти варианты сравнительно просты в изготовлении, требуют минимальных расчетов и реализуются при минимальных затратах, имеют высокий КПД, просты в настройке и эксплуатации.
Пример простейшей мини-ГЭС
Простейшую гидроэлектростанцию можно быстро соорудить из обычного велосипеда с динамкой для велофары. Из оцинкованного железа или не толстого листового алюминия надо заготовить несколько лопастей (2-3). Лопасти должны быть длиной от обода колеса до втулки, а шириной 2-4 см. Эти лопасти устанавливаются между спицами любым подручным способом или заранее заготовленными креплениями.
Если вы используете две лопасти, то установите их напротив друг друга. Если захотите добавить большее количество лопастей, то разделите окружность колеса на число лопастей и установите их через равные промежутки. С глубиной погружения колеса с лопастями в воду можете поэкспериментировать. Обычно его погружают от одной трети до половины.
Вариант походной ветроэлектростанции рассматривался ранее.
Такая микро ГЭС не занимает много места и отлично послужит велотуристам — главное наличие ручья или речушки — что обычно и есть в месте разбивки лагеря. Мини ГЭС из велосипеда сможет освещать палатку и заряжать сотовые телефоны или другие гаджеты.
