Автономная мини-гидроэлектростанция ГЭС своими руками

В последнее время, из-за роста тарифов на электроэнергию, все более актуальными становятся возобновляемые источники практически бесплатной энергии. Из известной классической триады: солнечные батареи, ветрогенераторы, гидрогенераторы (ГЭС) (Мини ГЭС), последние наиболее сложные. Они, во-первых, работают в агрессивных условиях, а во-вторых, имеют максимальную наработку за равный промежуток времени.

При изготовлении самодельного гидрогенератора нужно больше потрудиться и выбрать более качественные материалы, чтобы обеспечить его долговечность. Зато такой генератор (при равной мощности с ветряком и солнечной батареей) выдаст, за равный промежуток времени, гораздо больше энергии.

Типы мини-ГЭС

Водяное колесо

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.

Гирляндная ГЭС

Представляет собой трос, с жестко закрепленными на нем роторами. Трос перекинут с одного берега реки на другой. Роторы как бусы нанизаны на трос и полностью погружены в воду. Поток воды вращает роторы, роторы вращают трос. Один конец троса соединен с подшипником, второй с валом генератора.

Ротор Дарье

Это 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.

Пропеллер

Это 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.

Ротор Дарье

Мини-гидроэлектростанция для частного дома данного вида названа так в честь ее разработчика — Жоржа Дарье. Запатентована данная конструкция была еще в 1931 году. Представляет собой ротор, на котором находятся лопасти. Для каждой из лопастей в индивидуальном порядке подбираются нужные параметры. Ротор опускается под воду в вертикальном положении.

Данный вид ГЭС имеет хороший показатель КПД. Втрое преимущество – направление потока не имеет значение.

Читать далее: Насосная станция своими руками схемы установки монтаж и подключение

Из недостатков данного вида электростанций можно выделить сложную конструкцию и непростой монтаж.

Достоинства и недостатки различных систем для создания самодельной ГЭС

Недостатки гирляндной ГЭС очевидны: большая материалоемкость, опасность для окружающих ( длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД. Гирляндная ГЭС – это небольшая плотина. Ротор Дарье сложен в 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.

Таким образом, с точки зрения простоты изготовления и получения максимального КПД с минимальными затратами, необходимо выбрать конструкцию типа водяное колесо или пропеллер. Большинство самоделок используют именно эти варианты.

Схема мини-гидроэлектростанции

Принцип работы гидроэлектростанции для дома достаточно прост. Схема сооружения выглядит следующим образом. На турбину падает вода, заставляя вращаться лопасти. Они, в свою очередь, за счет крутящего момента или перепада давления приводят в движение гидропривод. От него передается полученная мощность на электрогенератор, который и вырабатывает электричество.

В настоящее время схема ГЭС чаще всего укомплектовывается системой управления. Это позволяет конструкции работать в автоматическом режиме. В случае необходимости (к примеру, аварии) имеется возможность перехода на ручное управление.

С чего начать?

Если вы решились построить свою мини ГЭС, то первое, что нужно сделать – это измерить скорость течения реки. Осуществить это довольно просто: вооружитесь секундомером, отмерьте шагами 10 метров вверх по течению, бросьте в воду щепку и замерьте время прохождения этих 10 метров. Поделив метры на секунды, вы получите скорость потока. Опыт показал, что если скорость меньше 1 м/с, то эффективной ГЭС не получится.

Для примера, можно привести соотношение, полученное экспериментальным путем, между скоростью потока м/с и мощностью снимаемой с вала винта кВт (диаметр винта 1 метр). Итак: 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 пропорциональна кубу скорости потока. Если скорость потока в вашем водоеме недостаточная, попробуйте организовать достаточный перепад высот для потока жидкости. Это можно сделать, установив сливную трубу из пруда или заключив ручеек в трубу и организовав плавное изменение диаметра трубы. Чем меньше будет диаметр в конце трубы, тем больше будет скорость потока. Если рядом с вами протекает только небольшой ручей, то можно сделать маленькую разборную плотину, а за плотиной поставить вашу ГЭС.

Условия для установки гидроэлектростанции

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.

Чтобы предупредить несчастные случаи, гидростанцию нужно оградить, а если система полностью скрыта водой – установить на берегу предупреждающий знак

Преимущества мини-ГЭС:

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.

Если водоем находится далековато от дома, можно построить отводной канал или трубопровод, и заодно и позаботиться о перепадах высоты

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.

Примеры изготовления

Можно привести несколько примеров самодельных мини ГЭС. Начнем с простейшего, который не отнимет у вас много времени, но поможет создать представление, как это работает.

Возьмем обычный велосипед с велогенератором (динамо машиной) и велофарой. Из кровельного железа или из листового алюминия вырежем несколько лопастей (2-3). Лопасти должны быть длиной от обода колеса до втулки, а шириной 2-4 см. Лопасти устанавливаются между спицами, для крепления их края загибают плоскогубцами вокруг спиц. Так как металл лопастей тонкий, это не сложно сделать.

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.

Такая мини ГЭС, зто большое подспорье велотуристам, если они остановились на берегу реки с быстрым течением. Вода поможет освещать палатку и заряжать сотовые телефоны. С глубиной погружения колеса можно поэкспериментировать. Обычно его погружают от одной трети до половины.

Другой пример гидрогенератора – это мини ГЭС для электроснабжения небольшого фермерского хозяйства, мощностью 3-5 кВт. Мощность потока, вращающего колесо, составляет примерно 100 литров в секунду. Для изготовления использовались только подручные материалы, из тех. Что можно найти на свалке.

Ротор-колесо был сделан из металлического барабана от кабеля. Диаметр барабана 2200 мм. Барабан разрезали болгаркой и переварили. Расстояние между щечками составило 300 мм. Под углом 45 градусов к радиусу вварили 18 лопастей. Материал лопастей – это остатки от разрезанного барабана. Барабан вращается на подшипниках, в качестве опоры для конструкции применена рама из труб или уголков.

Самодельные лопасти

На колесе смонтирован цепной редуктор, с коэффициентом передачи равным четырем. Далее вращение передается через карданный вал от «Жигулей» ВАЗ 2101. Кардан позволяет уменьшить вибрацию и снизить требования к соосности привода и генератора. Генератор и прочая электрика и механика, связанная с ним, закрыты водонепроницаемым кожухом (контейнером). Это сделано из соображений безопасности и долговечности.

Внутри кожуха установлен повышающий редуктор с коэффициентом 40 и трехфазный генератор. Скорость вращения генератора примерно 3000 оборотов в минуту. Общий коэффициент редуцирования двух редукторов (цепного и шестеренчатого) 160. Таким образом, водяное колесо вращается со скоростью около 18-20 оборотов в минуту.

В качестве генератора был использован списанный асинхронный двигатель, блок управления взят от старой списанной кормодробилки 1953 года выпуска. От генератора до фермы протянут кабель ВВГ НГ 2х4 квадрата. Кабель закреплен на самодельных столбах.

Материалы и изготовление обошлись в 1500 $. Большая часть денег это оплата рабочим и сварщику. Сумма может быть и меньше, ведь у нас есть много свалок, куда выбрасывают вполне работоспособное оборудование и собственные голова и руки помогут вам экономить деньги.

Пропеллерная станция

На раме в вертикальном положении располагается ротор и подводный ветряк, опускаемый под воду. Ветряк имеет лопасти, которые вращаются под воздействием потока воды. Лучшее сопротивление оказывают лопасти шириной два сантиметра (при быстром потоке, скорость которого, тем не менее, не превышает двух метров в секунду).

В данном случае лопасти приводятся в движение за счет возникающей подъемной силы, а не за счет давления воды. Причем направление движения лопастей перпендикулярно направлению течения потока. Этот процесс похож на работу ветровых электростанций, только работает под водой.

Что предлагает промышленность

В настоящий момент на просторах Таможенного Союза мало предприятий предлагают мини ГЭС по приемлемым ценам. Например, аналогичная мини ГЭС (3-5кВт) обошлась бы в 300-400 тысяч рублей. Более подробно с конкретикой вопроса можно ознакомиться по ссылкам:

• Гидрогенераторы и гидроэнергетика — https://energyservice.sitecity.ru/stext_1101130058.phtml
• Мини ГЭС 10 Пр — https://www.inset.ru/r_offers/MHPP-10Pr.htm
• Интересные рукавные всесезонные гидроэлектростанции Луч-1 и Луч-2 — https://iis97.narod.ru/pr12.htm
• Гидрогенераторы — https://www.powerpal.com/
• Необычные бесплотинные ГЭС нового поколения — https://www.rusphysics.ru/articles/221/
• Ещё о бесплотинных ГЭС — https://www.ntpo.com/techno/techno2_2/10.shtml
• Пособие по применению — https://www.sgp.uz/userfiles/MikroGES%20rus-new.pdf
• Микро гидротурбина — https://www.lpelectric.ro/ro/products/hydro/turbine_ro.html
• Гидрогенераторы — https://www.made-in-china.com/products-search/hot-china-products/Hydro_Turbine.html

Как сделать своими руками

Для того, чтобы сделать простейшее устройство для получения электрической энергии, необходимо иметь навыки работы с ручным инструментом, свободное время, желание и водоем.

В качестве источника электрической энергии можно использовать автомобильный генератор, для вращения ротора которого, необходимо изготовить следующую конструкцию.

• В соответствии с имеющимся водоемом необходимо решить, какой вариант колеса будет применен – вертикальный или горизонтальный. Это влияет на пространственную конструкцию собираемой установки.
• В качестве колеса, используется любое имеющееся в наличии. Хорошо подойдет велосипедное колесо.
• К ободу колеса прикрепляются лопасти, которые изготавливаются из металла, твердого пластики или иного материала, имеющегося в наличии.
• На вал колеса крепится шестеренка или шкив. В зависимости от закрепленного элемента, в дальнейшем будет выполняться цепная или ременная передача.
• Колесо крепится на конструкции и помещается в воду, с таким расчетом, чтобы при горизонтальном размещении колеса, 1/3 находились над поверхностью воды, при вертикальном расположении – вода поступала на лопасти, а ось колеса была вне воды.
• В зависимости от водного объекта, выполняется установка генератора. Это можно выполнить непосредственно на собранной металлической конструкции, либо установить на берегу.
• На вал генератора устанавливается шестерня или шкив, которые должны быть меньшего диаметра, чем установленные на колесе.
• Выполняется соединение шкивов или шестерен, установленных на колесе и валу генератора.

Установка готова к работе.

Такой вариант получения электрической энергии можно использовать туристам и путешественникам для подзарядки мобильных телефонов, планшетов и иного не энергоемкого оборудования.

Микро — ГЭС на ручье

При проживании в сельской местности или имея дачный участок, вблизи с которым протекает ручей, можно решить вопрос с электроснабжением этих объектов, путем монтажа микро – ГЭС, на таком водном объекте. Для электроснабжения подобного объекта, уже будет недостаточно автомобильного генератора, потому как установленная мощность, даже дачного домика значительно больше, чем подобное устройство может произвести. Наиболее верное решение – это приобрести комплект микро – ГЭС мощностью до 10,0 кВт, и выполнить монтаж самостоятельно. Это позволит снизить затраты, а сам процесс монтажа, способен выполнить даже человек с минимальными познаниями в механике и электротехнике.

В комплект подобного оборудования, как правило, входят следующие элементы:

• Гидротурбина.
• Мультипликатор, для увеличения оборотов вала генератора по отношению к обротам турбины.
• Устройство, обеспечивающее саморазгон турбины.
• Комплект трубопроводов.
• Генератор.
• Система управления и автоматики.

В зависимости от расхода воды, который обеспечивает ручей, выбирается тип турбины, это как правило пропеллерная или диагональная конструкция. В соответствии с инструкциями производителя осуществляется монтаж оборудования и подключение потребителей.

Плюсы и минусы

Использования микро – ГЭС, позволяет получить положительный эффект от их использования в экономической и социальной сферах и экологической безопасности территорий, где строятся подобные сооружения. Производство электрической энергии позволяет обеспечить энергетическую независимость и безопасность территории, отдельного предприятия или объекта недвижимости. При строительстве не требуется сооружение больших гидротехнических сооружений, и как следствие, снижение стоимости строительно-монтажных работ. Важным достоинством малой гидроэнергетики является экологическая безопасность подобных установок. На флору и фауну не оказывается каких-либо вредных воздействий, качество воды остается неизменным.

Суммируя плюсы использования микро – ГЭС, к их положительным свойствам можно отнести следующие:

• Экологичность и безопасность установок;
• Энергия воды – это возобновляемый и неисчерпаемый источник энергии;
• Способность установок работать в автономном режиме;
• Вырабатываемая электрическая энергия обладает низкой себестоимостью;
• Продолжительные сроки эксплуатации;
• Техническая надежность установок.

У любого технического объекта, на ряду с положительными свойствами, всегда есть и отрицательные. Для сложных технических сооружений, которыми являются микро – ГЭС, возможно наличие нештатных ситуаций, в результате которых, производство электрической энергии может быть прекращено, в связи с чем, потребители будут обесточены. Сезонность работы станций, также является недостатком подобных установок. Это определяет регионы использования или необходимость устройства специальных устройств и конструкций.

Объединяя минусы использования микро – ГЭС, к их отрицательным свойствам можно отности:

• Васокая стоимость оборудования и выполнения строительно-монтажных работ;
• Выведение из общего пользования значительных площадей (затопление, при строительстве плотин и водохранилищ);
• Ограниченность использования, обусловленная возможностью монтажа установок и климатом региона установки оборудования;
• Наличие потенциальной опасности для живых организмов, обитающих в водоемах.

Использование малых гидроэлектростанций является одним из направлений развития возобновляемых источников энергии и уже сегодня конкурирует с традиционными источниками получения электрической энергии, являясь эффективным направлением развития альтернативной энергетики.