Автономна міні-гідроелектростанція (ГЕС) своїми руками

Сила водного потоку – це поновлюваний природний ресурс, використання якого дозволить отримувати практично безкоштовне електрику, заощадити на комунальних послугах або вирішити проблему з підзарядкою техніки. Якщо поруч з вашим будинком протікає струмок або річка, гідроелектростанція своїми руками з підручних матеріалів – реальний вихід з положення. Але спочатку розглянемо, які можуть бути варіанти міні-ГЕС і як вони працюють.

Гідроелектростанції непромислового призначення

Гідроелектростанції – це споруди, здатні перетворити енергію руху води в електрику. Це можуть бути греблі на великих річках, що виробляють від десятка до декількох сотень магаватт або міні-ГЕС з максимальною потужністю в 100 кВт, яких цілком достатньо для потреб приватного будинку. Ось про останніх і дізнаємося детальніше.

Гірляндного станція з гідровінтамі

Конструкція складається з ланцюга роторів, закріплених на гнучкому сталевому тросі, перетягнуті поперек річки. Сам трос виконує роль обертального вала, один кінець якого фіксується на опорному підшипнику, а другий – активує вал генератора.

Кожен гідроротор «гірлянди» здатний виробляти близько 2 кВт енергії, правда, швидкість водного потоку для цього повинна бути не менше 2,5 метрів в секунду, а глибина водойми не перевищувати 1,5 м.


Принцип дії гірляндного ГЕС простий: натиск води розкручує гідровінти, а ті обертають трос і змушують генератор виробляти енергію

Гірляндного станції з успіхом використовувалися ще в середині минулого століття, але роль гвинтів тоді грали саморобні пропелери і навіть консервні банки. Сьогодні ж виробники пропонують кілька видів роторів для різних умов експлуатації. Вони комплектуються лопатями різного розміру, виготовленими з листового металу, і дозволяють отримати максимальний ККД від роботи станції.

Але хоча в виготовленні цей гідрогенератор досить простий, його експлуатація передбачає ряд спеціальних умов, не завжди здійсненних в реальному житті. Такі споруди перегороджують русло річки, і навряд чи сусіди по березі, не кажучи вже про представників екологічних служб, дозволять використовувати енергію потоку для ваших цілей.

Крім того, в зимовий період установку використовувати можна тільки на незамерзаючих водоймах, а в умовах суворого клімату – консервувати або демонтувати. Тому гірляндного станції зводяться тимчасово і переважно в безлюдній місцевості (наприклад, близько літніх пасовищ).


Роторні станції потужністю від 1 до 15 кВт / год виробляють до 9,3 МВт за місяць і дозволяють самостійно вирішити проблему з електрифікацією в регіонах, віддалених від централізованих магістралей

Сучасний аналог гірляндного установки – погружні або напливною рамні станції з поперечними роторами. На відміну від своєї гірляндного попередниці, ці конструкції не перегороджують всю річку, а задіюють тільки частина русла, причому встановити їх можна на понтоні / плоті або зовсім опустити на дно водойми.

Вертикальний ротор Дарині

Ротор Дарині – пристрій турбіни, яке отримало назву на честь свого винахідника в 1931 р Система складається з декількох аеродинамічних лопатей, зафіксованих на радіальних балках, і працює за рахунок перепаду тиску за принципом «підйомного крила», який широко задіяний в кораблебудування і авіації.

Хоча такі установки більше використовуються для створення вітрогенераторів, вони можуть працювати і з водою. Але в цьому випадку потрібні точні розрахунки, щоб підібрати товщину і ширину лопатей відповідно до силою водного потоку.


Ротор Дарині нагадує «вітряк», тільки встановлений під водою, причому працювати він може незалежно від сезонних коливань швидкості потоку

Для створення локальних гідростанцій вертикальні ротори використовується рідко. Незважаючи на непогані показники ККД і уявну простоту конструкції, обладнання досить складне в експлуатації, так як перед початком роботу систему потрібно «розкрутити», зате і зупинити запущену станцію зможе тільки замерзання водойми. Тому використовується ротор Дарині переважно на промислових підприємствах.

Підводний пропеллер- «вітряк»

По суті, це найпростіший повітряний вітряк, тільки встановлюється він під водою. Розміри лопатей, щоб забезпечити максимальну швидкість обертання і мінімум опору, розраховуються в залежності від сили руху потоку. Наприклад, якщо швидкість течії не перевищує 2 м / сек, то ширина лопаті повинна бути в межах 2-3 см.


Підводний пропелер нескладно зробити своїми руками, але він підходить тільки для глибоких і швидких річок – на дрібному водоймі обертові лопаті можуть завдати травми рибалкам, купальщикам, водоплавним птахам і тваринам

Такий вітряк встановлюється «назустріч» потоку, але його лопаті працюють не за рахунок тиску водного напору, а завдяки виникненню підйомної сили (за принципом крила літака або гвинта корабля).

Водяне колесо з лопатями

Водяне колесо – один з найпростіших варіантів гідравлічного двигуна, відомий ще з часів Римської Імперії. Ефективність його роботи багато в чому залежить від типу джерела, на якому його встановили.


Подлівное колесо може обертатися тільки завдяки швидкості потоку, а наливное – за допомогою напору і ваги води, спадаючої зверху на лопаті

Залежно від глибини і русла водотоку можна встановити різні типи коліс:

  • Подлівние (або ніжнебойние) – підійдуть для мілководних річок з швидкою течією.
  • Среднебойние – розташовуються в руслах з природними каскадами так, щоб потік потрапляв приблизно на середину обертового барабана.
  • Наливні (або верхнебойние) – встановлюються під греблею, трубою або в нижній частині природного порога, щоб спадаюча вода продовжила шлях через вершину колеса.

Але принцип роботи у всіх варіантів один і той же: вода потрапляє на лопаті і пускає в хід колесо, яке змушує обертатися генератор для міні-електростанції.

Виробники гидрооборудования пропонують готові турбіни, лопаті яких спеціально адаптовані під певну швидкість водного потоку. Але домашні умільці виготовляють барабанні конструкції по-старому – з підручних матеріалів.


Облаштування власної гідростанції – один із самих бюджетних і екологічних способів забезпечення енергетичними ресурсами дачі, фермерського господарства чи туристичної бази

Можливо, відсутність оптимізації відіб’ється на показниках ККД, зате собівартість саморобного обладнання обійдеться в рази дешевше покупного аналога. Тому водяне колесо найбільш популярний варіант для організації власної міні-ГЕС.

Умови для установки гідроелектростанції

Незважаючи на привабливу дешевизну енергії, що виробляється гідрогенератором, важливо врахувати особливості водного джерела, ресурси якого ви плануєте задіяти для власних потреб. Адже далеко не кожен водотік підійде для експлуатації міні-ГЕС, тим більше цілорічної, тому не завадить мати в резерві можливість підключення до централізованої магістралі.

Кілька «за» і «проти»

Основні плюси індивідуальної гідроелектростанції очевидні: недороге обладнання, яке виробляє дешеву електрику, та ще й природі не шкодить (на відміну від гребель, що перекривають струм річки). Хоча абсолютно безпечною систему назвати не можна – все-таки обертаються елементи турбін можуть завдати травми жителям підводного світу і навіть людям.


Щоб попередити нещасні випадки, гідростанцію потрібно захистити, а якщо система повністю прихована водою – встановити на березі застережливий знак

Переваги міні-ГЕС:

  1. На відміну від інших «безкоштовних» енергоджерел (сонячних батарей, вітрогенераторів), гідросистеми можуть працювати незалежно від часу доби і погоди. Єдине, що може їм завадити – замерзання водойми.
  2. Для установки гідрогенератора необов’язково наявність великої ріки – ті ж водяні колеса з успіхом можна використовувати навіть в дрібних (але швидких!) Струмках.
  3. Установки не виділяють шкідливих речовин, не забруднюють воду і працюють практично безшумно.
  4. Для монтажу міні-ГЕС потужністю до 100 кВт не потрібно оформляти дозвільну документацію (хоча все залежить від місцевої влади і типу установки).
  5. Надлишок електрики можна продавати в сусідні будинки.

Що стосується недоліків – серйозною перешкодою для продуктивної експлуатації обладнання може стати недостатня сила течії. В цьому випадку доведеться зводити допоміжні споруди, що пов’язане з додатковими витратами.

Вимірювання сили водного потоку

Перше, що потрібно зробити, щоб задуматися про вид і спосіб монтажу станції – виміряти швидкість водного потоку на вподобаному джерелі. Найпростіший спосіб – опустити на стромовину будь легкий предмет (наприклад, тенісний м’ячик, шматок пінопласту або рибальський поплавець) і засікти секундоміром час, за яке він пропливе відстань до якого-небудь орієнтиру. Стандартна дистанція для «запливу» – 10 метрів.


Якщо водойма знаходиться далеко від будинку, можна побудувати відвідний канал або трубопровід, і заодно і подбати про перепадах висоти

Тепер потрібно пройдену відстань в метрах розділити на кількість секунд – це і буде швидкість течії. Але якщо отримане значення буде менше 1 м / сек, потрібно звести штучні споруди, щоб прискорити потік перепадами висот. Це реально здійснити за допомогою розбірної греблі або неширокої зливної труби. Але без хорошого течії від ідеї з гідростанцією доведеться відмовитися.

Виготовлення ГЕС на основі водяного колеса

Зрозуміло, зібрати «на коліні» і звести махину, призначену для обслуговування підприємства або населеного пункту навіть з десятка будинків – ідея з області фантастики. Але спорудити своїми руками міні-ГЕС для економії електрики – цілком реально. Причому задіяти можна як готові комплектуючі, так і підручні матеріали.

Тому розглянемо покроково виготовлення найбільш простого споруди – водяного колеса.

Необхідні матеріали та інструменти

Щоб зробити своїми руками міні-ГЕС, потрібно підготувати зварювальний апарат, болгарку, дриль і набір допоміжних інструментів – молоток, викрутку, лінійку.

З матеріалів знадобляться:

  • Куточки і листовий метал товщиною не менше 5 мм.
  • Труби з ПВХ або оцинкованої сталі для виготовлення лопатей.
  • Генератор (можна використовувати готовий покупної або зробити самому, як в даному прикладі).
  • Гальмівні диски.
  • Вал і підшипники.
  • Фанера.
  • Полістиролова смола для заливки ротора і статора.
  • Мідний дріт на 15 мм для саморобного генератора.
  • Неодимові магніти.

Врахуйте, що конструкція колеса буде постійно контактувати з водою, тому металеві та дерев’яні елементи необхідно вибирати з захистом від вологи (або подбає про їх просочення і фарбування самостійно). В ідеалі, фанеру можна замінити пластиком, але дерев’яні деталі простіше дістати і надати їм потрібну форму.

Збірка колеса і виготовлення сопла

Основою для самого колеса можуть стати два сталевих диска однакового діаметра (якщо є можливість дістати сталевий барабан від кабелю – відмінно, це набагато прискорить процес складання). Але якщо металу в підручних матеріалах не знайшлося, можна вирізати кола і з водостійкої фанери, хоча міцність і термін служби навіть обробленого дерева не зрівняється зі сталлю. Потім на одному з дисків потрібно прорізати круглий отвір під установку генератора.

Після цього виготовляються лопаті, а їх знадобиться не менше 16 шт. Для цього оцинковані труби розрізають уздовж на дві або чотири частини (залежить від діаметра). Потім місця різання і саму поверхню лопатей потрібно відшліфувати, щоб зменшити втрати енергії при терті.


Лопаті встановлюються під нахилом приблизно в 40-45 градусів – це допоможе збільшити площу поверхні, на яку буде впливати сила потоку

Відстань між двома бічними дисками має бути максимально наближене до довжини лопатей. Щоб намітити місце для розташування майбутніх маточин, рекомендується зробити шаблон з фанери, на якому буде позначено місце для кожної деталі і отвори для фіксації колеса до генератора. Готову розмітку можна прикріпити на зовнішній стороні одного з дисків.

Потім кола встановлюються паралельно один до одного за допомогою стрижнів з суцільною різьбленням, а лопаті приварюються або фіксуються болтами в потрібних позиціях. Барабан буде обертатися на підшипниках, а в якості опори використовується рама з куточків або труб невеликого діаметра.


На цьому етапі складання барабана можна вважати закінченою, залишилося оснастити його саморобним генератором і соплом, що направляють потік води

Сопло призначене для водних джерел каскадного типу – така установка дозволить використовувати енергію потоку по максимуму. Виготовляється цей допоміжний елемент шляхом вигинання листового металу з наступним зварюванням швів, а після насаджується на трубу. Але якщо у вашій місцевості протікає рівнинна річка без порогів та інших висотних перешкод, в цій деталі немає необхідності.


Важливо, щоб ширина вихідного отвору сопла відповідала ширині самого колеса, інакше частина потоку буде йти «вхолосту», не потрапляючи на лопаті

Тепер колесо потрібно насадити на вісь і встановити на підпірку з зварених або скріплених болтами куточків. Залишилося зробити генератор (або встановити готовий) і можна вирушати до річки.

Генератор своїми руками

Для виготовлення саморобного генератора потрібно зробити обмотку і заливку статора, для чого знадобляться котушки зі 125-ю витками мідного дроту на кожній. Після їх з’єднання вся конструкція заливається поліестерової смолою.


Кожна фаза складається з трьох послідовно прикріплених мотків, тому з’єднання можна зробити у формі зірки або трикутника з декількома зовнішніми висновками

Тепер потрібно підготувати фанерний шаблон, що співпадає за розмірами з гальмівним диском. На дерев’яному кільці виконується розмітка і робляться прорізи для установки магнітів (в даному випадку використовувалися неодимові магніти товщиною 1,3 см, шириною 2,5 см і довжиною 5 см). Потім отриманий ротор також заливається смолою, а після просушування – приєднується до барабана колеса.


Водяне колесо з ротором з гальмівних дисків і генератором з мотків мідного дроту – забарвлене, презентабельне і готове до експлуатації

Останнім монтується алюмінієвий кожух з амперметром, що закриває випрямлячі. Завдання цих елементів – перетворювати трифазний струм в постійний.


Після установки колеса в потік невеликої річки з каскадом або відвідної трубою, можна розраховувати на продуктивність міні-ГЕС в 1,9А * 12В при 110 обертах за хвилину

Щоб в колесо не потрапляли листя, пісок та інше сміття, принесений з потоком, бажано поставити перед пристроєм захисну сітку.

Також можна поекспериментувати з зазорами між магнітами і котушками зі збільшеною кількістю витків для збільшення ККД гідростанції.

Відео-підбірка про експлуатації міні-ГЕС

Приклад працює гідроустановки з саморобним генератором на базі трифазного двигуна:

Міні-ГЕС, сконструйована за принципом водяного колеса:

Станція на основі велосипедного колеса – цікавий варіант вирішення проблеми з енергозабезпеченням відпочинку далеко від цивілізації:

Як бачите, побудувати водяну мініелектростанцію своїми руками не так вже й складно. Але так як більшість розрахунків і параметрів для її комплектуючих визначається «на око», слід бути готовим до можливих поломок і супутніх витрат.

Якщо ви відчуваєте брак знань і досвіду в цій сфері, варто довіритися фахівцям, які виконають всі необхідні розрахунки, порадять оптимальний для вашого випадку обладнання і якісно проведуть його установку.