Hidroelektrarna naredi sam: kako zgraditi avtonomno mini hidroelektrarno

Moč vodnega toka je obnovljiv naravni vir, ki omogoča skoraj brezplačno elektriko. Energija, ki jo podarja narava, bo omogočila prihranek pri komunalnih storitvah in rešila težave s polnjenjem naprav.

Če v bližini vašega doma teče potok ali reka, ju je vredno izkoristiti. Lahko bosta oskrbovala parcelo in hišo z elektriko. In če je hidroelektrarna zgrajena v lastni režiji, se ekonomski učinek večkrat poveča.

V predstavljenem članku so podrobno opisane tehnologije izdelave zasebnih hidrotehničnih objektov. Povedali smo, kaj je potrebno za postavitev sistema in njegovo priključitev na porabnike. Pri nas boste izvedeli o vseh možnostih miniaturnih dobaviteljev energije, sestavljenih iz priročnih materialov.

Hidroelektrarne za neindustrijsko rabo

Hidroelektrarne so objekti, ki lahko pretvorijo energijo gibanja vode v elektriko. Alternativni “zeleni” dobavitelji električne energije se za zdaj aktivno uporabljajo le na Zahodu. Na ozemlju naše države ta perspektivna panoga dela le prve plašne korake.

Majhne zasebne hidroelektrarne so lahko jezovi na velikih rekah, ki proizvajajo od deset do nekaj sto megavatov, ali mini HE z največjo močjo 100 kW, kar je povsem dovolj za potrebe zasebne hiše. O slednjih izvemo več podrobnosti.

Girlandna postaja s hidro vijaki

Konstrukcijo sestavlja veriga rotorjev, pritrjenih na upogljivo jekleno vrv, napeto čez reko. Sama vrv služi kot vrtilna gred, katere en konec je pritrjen na nosilni ležaj, drugi pa aktivira gred generatorja.

Vsak hidrorotor "girlande" lahko proizvede približno 2 kW energije, vendar mora biti hitrost vodnega toka za to najmanj 2,5 metra na sekundo, globina vodnega telesa pa ne presega 1,5 m.

Načelo delovanja girlandne hidroelektrarne je preprosto: vodni tlak zavrti hidrovijake, ti pa obračajo vrv in poganjajo generator, da proizvaja energijo.

Girlandne elektrarne so se uspešno uporabljale že sredi prejšnjega stoletja, vendar so vlogo vijakov takrat igrali doma izdelani propelerji in celo pločevinke. Danes pa proizvajalci ponujajo več vrst rotorjev za različne pogoje delovanja.

Opremljeni so z lopaticami različnih velikosti, izdelanimi iz pločevine, in omogočajo največji izkoristek delovanja elektrarne.

Čeprav je ta hidrogenerator v izdelavi dokaj preprost, njegovo obratovanje zahteva vrsto posebnih pogojev, ki jih v resničnem življenju ni vedno mogoče izpolniti. Takšne naprave pregradijo rečno strugo in malo verjetno je, da bodo sosedje ob bregu, da ne omenjamo predstavnikov ekoloških služb, dovolili uporabo energije toka za vaše namene.

Poleg tega lahko napravo pozimi uporabljate le na nezamrzujočih vodah, v razmerah ostrega podnebja pa jo je treba konzervirati ali demontirati. Zato se girlandne elektrarne postavljajo začasno in pretežno na zapuščenih območjih (na primer v bližini letnih pašnikov).

Rotorske elektrarne z močjo od 1 do 15 kW/uro proizvajajo do 9,3 MW na mesec in omogočajo samostojno reševanje problema elektrifikacije v regijah, oddaljenih od centraliziranih omrežij.

Sodobni analog girlandne naprave so potopne ali plavajoče okvirne postaje s prečnimi rotorji. Za razliko od svoje girlandne predhodnice te konstrukcije ne pregradijo celotne reke, temveč uporabijo le del struge, namestiti pa jih je mogoče na ponton/splav ali celo spustiti na dno vodnega telesa.

Vertikalni Darrieusov rotor

Rotor Darrie je turbinska naprava, ki je dobila ime po svojem izumitelju leta 1931. Sistem je sestavljen iz več aerodinamičnih lopatic, pritrjenih na radialne nosilce, in deluje na podlagi tlačne razlike po načelu 'vzgonskega krila', ki se pogosto uporablja v ladjedelništvu in letalstvu.

Čeprav se tovrstne naprave pogosteje uporabljajo za izdelavo vetrnih generatorjev, lahko delujejo tudi z vodo. Toda v tem primeru so potrebni natančni izračuni, da se prilagodita debelina in širina lopatic glede na moč vodnega toka.

Rotor Darrie spominja na 'vetrnico', le da je nameščen pod vodo, pri čemer lahko deluje ne glede na sezonska nihanja hitrosti toka.

Za izgradnjo lokalnih hidroelektrarn se vertikalni rotorji redko uporabljajo. Kljub dobrim izkoristkom in navidezni preprostosti konstrukcije je oprema precej zahtevna za obratovanje.

Pred začetkom delovanja je treba sistem 'zavrteti', vendar pa lahko zagnano elektrarno ustavi le zmrzovanje vodnega telesa. Zato se rotor Darrie uporablja predvsem v industrijskih podjetjih.

Zanimivo rešitev na področju načrtovanja malih hidroelektrarn z vertikalno delujočo turbino je predlagal avstrijski izumitelj Franc Cotlöterer:

Uteženi plus vrtinčnih elektrarn se upravičeno šteje ohranjanje ribjih virov. Delovanje vertikalne turbine ne škodi živim organizmom v reki. Poleg tega se na stenah objektov ne zadržuje mulj zaradi specifičnega gibanja vodnega toka.

Podvodni vijačni propeler

V bistvu je to najpreprostejši zračni vetrnik, le da je nameščen pod vodo. Dimenzije lopatic se izračunajo glede na moč toka, da se zagotovi največja hitrost vrtenja in najmanjši upor. Na primer, če hitrost toka ne presega 2 m/s, mora biti širina lopatice v mejah 2–3 cm.

Podvodni propeler ni težko izdelati sam, vendar je primeren le za globoke in hitre reke – v plitvem vodnem telesu lahko vrteče se lopatice poškodujejo ribiče, kopalce, vodne ptice in živali.

Takšen vetrnik je nameščen »nasproti« toku, vendar njegove lopatice ne delujejo zaradi pritiska vodnega sunka, temveč zaradi nastanka vzgona (po načelu letalskega krila ali ladijskega vijaka).

Vodno kolo z lopaticami

Vodno kolo je eden najpreprostejših tipov hidravličnega motorja, poznan že iz časov Rimskega cesarstva. Učinkovitost njegovega delovanja je močno odvisna od vrste vira, na katerem je nameščeno.

Podlivno kolo se lahko vrti samo zaradi hitrosti toka, medtem ko se prelivno kolo vrti s pomočjo pritiska in teže vode, ki pada od zgoraj na lopatice.

Glede na globino in strugo vodotoka je mogoče namestiti različne vrste koles:

• Podlivna (ali spodnjebojna) – primerna za plitve reke s hitrim tokom.
• Srednjebojna kolesa – so nameščena v strugah z naravnimi kaskadami, tako da tok zadene približno na sredino vrtečega se bobna.
• Polnilna (ali zgornjebojna) – nameščajo se pod jezom, cevjo ali v spodnjem delu naravnega pragu, da padajoča voda nadaljuje pot skozi vrh kolesa.

Toda načelo delovanja je pri vseh različicah enako: voda pride na lopatice in poganja kolo, ki povzroči vrtenje generatorja za mini elektrarno.

Proizvajalci hidroopreme ponujajo že pripravljene turbine, katerih lopatice so posebej prilagojene določeni hitrosti vodnega toka. Toda domači mojstri izdelujejo bobnaste konstrukcije po starih načinih – iz improviziranih materialov.

Pri seznanjanju s koraki gradnje najpreprostejše različice mini HE bo pomagala naslednja fotozbirka:

Morda se bo pomanjkanje optimizacije odrazilo na kazalnikih izkoristka, zato pa bodo stroški domače opreme večkrat nižji od kupljenega analogna. Zato je vodno kolo najbolj priljubljena različica za organizacijo lastne mini HE.

Pogoji za namestitev hidroelektrarne

Kljub mamljivi poceni energije, ki jo proizvaja hidrogenerator, je pomembno upoštevati značilnosti vodnega vira, katerega vire nameravate uporabiti za lastne potrebe.

Saj daleč ni vsak vodotok primeren za obratovanje male hidroelektrarne, še posebej celoletne, zato ne bo odveč imeti v rezervi možnost priključitve na centralizirano magistralo.

Nekaj prednosti in slabosti

Glavne prednosti individualne hidroelektrarne so očitne: poceni oprema, ki proizvaja poceni elektriko, in še ne škoduje naravi (za razliko od jezov, ki preusmerjajo tok reke). Čeprav sistema ne moremo imenovati popolnoma varnega – vendar lahko rotirajoči deli turbin povzročijo poškodbe prebivalcem podvodnega sveta in celo ljudem.

Da bi preprečili nesreče, je treba hidroelektrarno ograditi, in če je sistem popolnoma skrit pod vodo – na obrežju postaviti opozorilni znak.

Prednosti male hidroelektrarne:

1. Za razliko od drugih »brezplačnih« virov energije (sončnih celic, vetrnih generatorjev) lahko hidrosistemi delujejo neodvisno od časa dneva in vremena. Edina stvar, ki jih lahko moti, je zmrzovanje vodnega telesa.
2. Za namestitev hidrogeneratorja ni nujno, da imamo veliko reko – enaka vodna kolesa lahko uspešno uporabimo tudi v majhnih (a hitrih!) potokih.
3. Naprave ne oddajajo škodljivih snovi, ne onesnažujejo vode in delujejo skoraj neslišno.
4. Za montažo male hidroelektrarne moči do 100 kW ni potrebno urejati dovolilne dokumentacije (čeprav je vse odvisno od lokalnih oblasti in vrste naprave).
5. Presežek elektrike je mogoče prodajati sosednjim hišam.

Kar se tiče pomanjkljivosti – resna ovira za produktivno uporabo opreme je lahko nezadostna moč toka. V tem primeru bo treba zgraditi pomožne objekte, kar je povezano z dodatnimi stroški.

Če potencialna energija bližnje reke po približnem izračunu ne zadošča za proizvodnjo električne energije v količini, ki je dovolj za praktično uporabo, je vredno pogledati načine za gradnjo vetrnih generatorjev. Vetrnica bo služila kot učinkovito dopolnilo.

Merjenje moči vodnega toka

Prva stvar, ki jo je treba narediti, preden se odločimo za vrsto in način namestitve elektrarne, je izmeriti hitrost vodnega toka na izbranem viru.

Najpreprostejši način je spustiti na brzico lahek predmet (npr. teniško žogico, kos stiropora ali ribiški plovec) in s štoparico izmeriti čas, v katerem prepliva razdaljo do nekega orientirja. Standardna razdalja za »plavanje« – 10 metrov.

Če je vodno telo precej daleč od hiše, je mogoče zgraditi odvodni kanal ali cevovod, in hkrati poskrbeti za višinske razlike.

Zdaj je treba prehojeno razdaljo v metrih deliti s številom sekund – to bo hitrost toka. Če pa je dobljena vrednost manjša od 1 m/s, bo treba zgraditi umetne objekte, da bi pospešili tok z višinskimi razlikami.

To je resnično mogoče izvesti z razstavljivim jezom ali ozko odtočno cevjo. Toda brez dobrega toka boste morali opustiti idejo o hidroelektrarni.

Izdelava HE na osnovi vodnega kolesa

Seveda je sestaviti 'na kolenu' in postaviti velikansko napravo, namenjeno oskrbi podjetja ali naselja, tudi če je le iz desetih hiš, zamisel iz sfere fantastike. Toda zgraditi z lastnimi rokami mini hidroelektrarno za prihranek elektrike je povsem resnično. Pri tem lahko uporabite tako že pripravljene sestavne dele kot tudi improvizirane materiale.

Zato bomo korak za korakom obravnavali izdelavo najpreprostejše naprave – vodnega kolesa.

Potrebni materiali in orodja

Za izdelavo mini hidroelektrarne z lastnimi rokami morate pripraviti varilni aparat, brusilnik, vrtalnik in komplet pomožnih orodij – kladivo, izvijač, ravnilo.

Iz materialov bodo potrebni:

• Kotniki in pločevina debeline najmanj 5 mm.
• Cevi iz PVC ali pocinkanega jekla za izdelavo lopatic.
• Generator (lahko uporabite že kupljenega ali ga naredite sami, kot v tem primeru).
• Zavorni diski.
• Gred in ležaji.
• Vezana plošča.
• Polistirenska smola za zalivanje rotorja in statorja.
• Bakrena žica premera 15 mm za doma narejen generator.
• Neodimovi magneti.

Upoštevajte, da bo konstrukcija kolesa nenehno v stiku z vodo, zato morate kovinske in lesene elemente izbrati z zaščito pred vlago (ali pa poskrbeti za njihovo impregnacijo in barvanje sami). V idealnem primeru lahko vezano ploščo nadomestite s plastiko, vendar je lesene dele lažje dobiti in jim dati želeno obliko.

Sestavljanje kolesa in izdelava šobe

Osnova za samo kolo sta lahko dva jeklena diska enakega premera (če je mogoče dobiti jekleni boben kabla – odlično, to bo močno pospešilo postopek sestavljanja).

Če pa kovine v improviziranih materialih ni bilo, lahko kroge izrežete tudi iz vodoodporne vezane plošče, čeprav se trdnost in življenjska doba tudi obdelanega lesa ne moreta primerjati z jeklom. Nato morate na enem od diskov izrezati okroglo odprtino za namestitev generatorja.

Po tem se izdelajo lopatice, potrebovali jih boste vsaj 16. V ta namen se pocinkane cevi razrežejo po dolžini na dva ali štiri dele (odvisno od premera). Nato morate mesta reza in samo površino lopatic zbrusiti, da se zmanjšajo izgube energije zaradi trenja.

Lopatice so nameščene pod naklonom približno 40–45 stopinj – to bo pomagalo povečati površino, na katero bo delovala sila toka.

Razdalja med dvema stranskima diskoma mora biti čim bolj približana dolžini lopatic. Za označitev mesta prihodnjih pest je priporočljivo narediti šablono iz vezane plošče, na kateri bo označeno mesto za vsak del in odprtine za pritrditev kolesa k generatorju. Končano oznako lahko pritrdite na zunanjo stran enega od diskov.

Nato se krogi namestijo vzporedno drug na drugega s pomočjo palic s polnim navojem, lopatice pa se privarijo ali pritrdijo s vijaki na ustreznih mestih. Boben se bo vrtel na ležajih, kot opora pa se uporablja okvir iz kotnikov ali cevi majhnega premera.

Na tej stopnji se montaža bobna lahko šteje za končano, preostane le še, da ga opremite s samodelanim generatorjem in šobo, ki usmerja vodni tok.

Šoba je namenjena vodnim virom kaskadnega tipa – takšna namestitev bo omogočila maksimalno izrabo energije toka. Ta pomožni element se izdela z upogibanjem pločevine in naknadnim varjenjem spojev, nato pa se natakne na cev.

Vendar, če na vašem območju teče ravninska reka brez brzic in drugih višinskih ovir, ta del ni potreben.

Pomembno je, da širina izstopne odprtine šobe ustreza širini samega kolesa, sicer bo del toka potekal »v prazno«, ne da bi zadel lopatice.

Zdaj je treba kolo natakniti na os in ga namestiti na oporo iz zvarjenih ali s sorniki povezanih kotnikov. Preostane le še izdelava generatorja (ali namestitev že pripravljenega) in lahko se odpravite k reki.

Generator naredi sam

Za izdelavo domačega generatorja je treba narediti navitje in zalivanje statorja, za kar bodo potrebne tuljave s 125 navoji bakrene žice na vsaki. Po njihovi povezavi se celotna konstrukcija zalije s poliestrsko smolo.

Vsaka faza je sestavljena iz treh zaporedno pritrjenih navitij, zato je lahko vezava izvedena v obliki zvezde ali trikotnika z več zunanjimi priključki.

Zdaj je treba pripraviti vezan leseni predlog, ki po velikosti ustreza zavornemu disku.

Na lesenem obroču se izvede označevanje in naredijo reže za namestitev magnetov (v tem primeru so bili uporabljeni neodimovi magneti debeline 1,3 cm, širine 2,5 cm in dolžine 5 cm). Nato se dobljeni rotor prav tako zalije s smolo, po sušenju – pa se priključi na boben kolesa.

Vodno kolo z rotorjem iz zavornih diskov in generatorjem iz navitij bakrene žice – pobarvano, reprezentativno in pripravljeno za uporabo.

Nazadnje se namesti aluminijast ohišje z ampermetrom, ki pokriva usmernike. Naloga teh elementov je pretvarjanje trifaznega toka v enosmernega.

Po namestitvi kolesa v tok majhne reke s kaskado ali odvodno cevjo, lahko računate na zmogljivost male HE v višini 1,9 A * 12 V pri 110 obratih na minuto.

Da v kolo ne bi zašli listi, pesek in drugi naplavljeni odpadki, je priporočljivo pred napravo namestiti zaščitno mrežo.

Prav tako lahko eksperimentirate z režami med magneti in tuljavami s povečanim številom ovojev za povečanje izkoristka hidroelektrarne.

O vseh vrstah alternativnih virov energije boste izvedeli, če si preberete članek, posvečen uvajanju “zelenih tehnologij” v gospodinjstva.

Zaključki in koristen video na to temo

Videoposnetek #1. Primer delujoče hidroinštalacije z doma izdelanim generatorjem na osnovi trifaznega motorja:

Videoposnetek #2. Mini hidroelektrarna, zgrajena po načelu vodnega kolesa:

Videoposnetek #3. Postaja na osnovi kolesa – zanimiva možnost rešitve problema oskrbe z energijo med počitkom daleč od civilizacije:

Kot vidite, gradnja vodne mini elektrarne z lastnimi rokami ni tako težka. Ker pa se večina izračunov in parametrov za njene sestavne dele določa »na oko«, je treba biti pripravljen na morebitne okvare in s tem povezane stroške.

Če čutite pomanjkanje znanja in izkušenj na tem področju, se je vredno zaupati strokovnjakom, ki bodo opravili vse potrebne izračune, svetovali optimalno opremo za vaš primer in kakovostno izvedli njeno namestitev.

Prosimo, napišite komentarje v spodnjem okvirju. Delite zanimive informacije in koristna priporočila, objavite tematske fotografije. Morda želite povedati, kako ste z lastnimi rokami zgradili delujočo hidroelektrarno na podeželskem posestvu? Z veseljem bomo prebrali vašo zgodbo o postopku izdelave in obratovanja.