Elektrownia wodna własnymi rękami: jak zbudować autonomiczną mini-elektrownię wodną

Siła przepływu wody to odnawialny zasób naturalny, umożliwiający uzyskanie praktycznie darmowej energii elektrycznej. Energia darowana przez naturę pozwoli zaoszczędzić na opłatach za media i rozwiązać problem ładowania urządzeń.

Jeśli w pobliżu Państwa domu płynie strumień lub rzeka, warto z nich skorzystać. Mogą one dostarczyć energię elektryczną na działkę i do domu. A jeśli elektrownia wodna zostanie zbudowana własnymi rękami, efekt ekonomiczny wzrasta wielokrotnie.

W niniejszym artykule szczegółowo opisano technologie wytwarzania prywatnych budowli hydrotechnicznych. Opowiedzieliśmy, co będzie potrzebne do wykonania systemu i podłączenia go do odbiorników. U nas dowiedzą się Państwo o wszystkich wariantach miniaturowych dostawców energii, zmontowanych z dostępnych materiałów.

Elektrownie wodne nieprzemysłowego przeznaczenia

Elektrownie wodne to obiekty zdolne przekształcać energię ruchu wody w elektryczność. Alternatywni “zieloni” dostawcy energii elektrycznej są na razie aktywnie wykorzystywani tylko na Zachodzie. Na terenie naszego kraju ta perspektywiczna branża stawia dopiero pierwsze nieśmiałe kroki.

Małymi prywatnymi elektrowniami wodnymi mogą być tamy na dużych rzekach, wytwarzające od kilkudziesięciu do kilkuset megawatów, lub minielektrownie o maksymalnej mocy 100 kW, która w zupełności wystarcza na potrzeby prywatnego domu. O tych ostatnich dowiemy się szczegółowiej.

Stacja girlandowa z hydrośrubami

Konstrukcja składa się z łańcucha wirników zamocowanych na elastycznej stalowej linie przeciągniętej w poprzek rzeki. Sama lina pełni rolę wału obrotowego, którego jeden koniec jest zamocowany na łożysku oporowym, a drugi napędza wał generatora.

Każdy hydrowirnik „girlandy” jest w stanie wytwarzać około 2 kW energii, jednak prędkość przepływu wody musi do tego wynosić co najmniej 2,5 metra na sekundę, a głębokość zbiornika nie przekraczać 1,5 m.

Zasada działania girlandowej elektrowni wodnej jest prosta: ciśnienie wody rozkręca śruby hydrauliczne, które obracają linę i zmuszają generator do wytwarzania energii.

Girlandowe stacje z powodzeniem były używane już w połowie ubiegłego wieku, ale rolę śrub pełniły wtedy samodzielnie wykonane śmigła, a nawet puszki konserwowe. Dzisiaj producenci oferują kilka rodzajów wirników dla różnych warunków eksploatacji.

Są one wyposażone w łopatki różnej wielkości, wykonane z blachy stalowej, i pozwalają uzyskać maksymalną sprawność pracy stacji.

Jednak choć w produkcji ten hydrogenerator jest dość prosty, jego eksploatacja wymaga szeregu specjalnych warunków, nie zawsze wykonalnych w rzeczywistości. Takie konstrukcje blokują koryto rzeki i raczej sąsiedzi z brzegu, nie mówiąc już o przedstawicielach służb ekologicznych, nie pozwolą wykorzystać energii przepływu do własnych celów.

Ponadto w okresie zimowym instalację można stosować tylko na niezamarzających zbiornikach wodnych, a w surowym klimacie – zabezpieczać lub demontować. Dlatego girlandowe stacje są budowane tymczasowo i głównie w miejscach bezludnych (np. w pobliżu letnich pastwisk).

Wirnikowe stacje o mocy od 1 do 15 kW wytwarzają do 9,3 MW miesięcznie i pozwalają samodzielnie rozwiązać problem elektryfikacji w regionach oddalonych od centralnych sieci.

Nowoczesnym odpowiednikiem instalacji girlandowej są podwodne lub pływające stacje ramowe z poprzecznymi wirnikami. W przeciwieństwie do swojej girlandowej poprzedniczki, te konstrukcje nie blokują całej rzeki, a wykorzystują tylko część koryta, a można je zamontować na pontonie/płaskim lub nawet opuścić na dno zbiornika wodnego.

Pionowy rotor Darrieusa

Wirnik Darrieusa to turbina nazwana na cześć swojego wynalazcy w 1931 r. System składa się z kilku aerodynamicznych łopatek zamocowanych na promieniowych belkach i działa dzięki różnicy ciśnień na zasadzie „płatów nośnych”, która jest szeroko stosowana w okrętownictwie i lotnictwie.

Chociaż takie urządzenia są częściej używane do tworzenia generatorów wiatrowych, mogą również pracować z wodą. Ale w tym przypadku wymagane są dokładne obliczenia, aby dobrać grubość i szerokość łopatek odpowiednio do siły przepływu wody.

Wirnik Darrieusa przypomina „wiatrak”, tylko zamontowany pod wodą, a może działać niezależnie od sezonowych wahań prędkości przepływu.

Do tworzenia lokalnych elektrowni wodnych pionowe wirniki są używane rzadko. Pomimo dobrych wskaźników sprawności i pozornej prostoty konstrukcji, sprzęt jest dość skomplikowany w eksploatacji.

Przed rozpoczęciem pracy system trzeba „rozpędzić”, a zatrzymać uruchomioną stację może tylko zamarznięcie zbiornika wodnego. Dlatego wirnik Darrieusa jest używany głównie w zakładach przemysłowych.

Interesujące rozwiązanie w dziedzinie projektowania małych elektrowni wodnych z pionowo pracującą turbiną zaproponował austriacki wynalazca Franz Zotlöterer:

Znaczącym plusem elektrowni wirowych słusznie uważa się ochronę zasobów rybnych. Praca pionowej turbiny nie szkodzi organizmom żywym rzeki. Ponadto na ścianach obiektów nie osadza się muł ze względu na specyficzny ruch przepływu wody.

Podwodna śruba napędowa

W istocie jest to najprostsza wiatrownica, tylko montowana pod wodą. Rozmiary łopat, aby zapewnić maksymalną prędkość obrotową i minimalny opór, są obliczane w zależności od siły przepływu. Na przykład, jeśli prędkość prądu nie przekracza 2 m/s, szerokość łopaty powinna wynosić 2-3 cm.

Podwodną śrubę napędową nietrudno wykonać własnymi rękami, ale nadaje się ona tylko do głębokich i szybkich rzek – w płyciźnie obracające się łopaty mogą zranić wędkarzy, kąpiących się, ptactwo wodne i zwierzęta.

Taki wiatrak montuje się „naprzeciw” prądu, ale jego łopaty działają nie dzięki ciśnieniu wody, a dzięki sile nośnej (na zasadzie skrzydła samolotu lub śruby statku).

Koło wodne z łopatkami

Koło wodne – jeden z najprostszych rodzajów silnika hydraulicznego, znany już od czasów Cesarstwa Rzymskiego. Jego efektywność w dużej mierze zależy od rodzaju źródła, na którym je zainstalowano.

Koło podsiębierne może obracać się tylko dzięki prędkości przepływu, natomiast nasiębierne – dzięki ciśnieniu i ciężarowi wody spadającej z góry na łopaty.

W zależności od głębokości i koryta cieku wodnego można zainstalować różne typy kół:

• Podsiębierne (lub dolne) – nadadzą się do płytkich rzek z szybkim prądem.
• Średnie – umieszczane są w korytach z naturalnymi kaskadami tak, aby przepływ trafiał mniej więcej na środek obracającego się bębna.
• Nasiąkliwe (lub górnobijne) – montuje się je poniżej tamy, rury lub w dolnej części naturalnego progu, aby spadająca woda kontynuowała bieg przez wierzchołek koła.

Ale zasada działania wszystkich wariantów jest taka sama: woda trafia na łopatki i wprawia w ruch koło, które obraca generator minielektrowni.

Producenci sprzętu hydroenergetycznego oferują gotowe turbiny, których łopatki są specjalnie przystosowane do określonej prędkości przepływu wody. Domowi majsterkowicze wykonują jednak konstrukcje bębnowe po staroświecku – z dostępnych materiałów.

Zapoznanie się z krokami budowy najprostszego wariantu małej elektrowni wodnej pomoże poniższy wybór zdjęć:

Być może brak optymalizacji wpłynie na wskaźniki sprawności, ale koszt własny domowego sprzętu będzie wielokrotnie niższy niż zakupionego odpowiednika. Dlatego koło wodne jest najpopularniejszym wariantem do zorganizowania własnej małej elektrowni wodnej.

Warunki instalacji elektrowni wodnej

Pomimo kuszącej taniości energii wytwarzanej przez hydrogenerator, ważne jest, aby uwzględnić specyfikę źródła wodnego, którego zasoby planujesz wykorzystać na własne potrzeby.

Przecież nie każdy ciek wodny nadaje się do eksploatacji małej elektrowni wodnej, zwłaszcza całorocznej, dlatego warto mieć w rezerwie możliwość podłączenia do scentralizowanej sieci.

Kilka «za» i «przeciw»

Główne zalety indywidualnej elektrowni wodnej są oczywiste: niedrogie urządzenie, które wytwarza tanią energię elektryczną, a do tego nie szkodzi przyrodzie (w przeciwieństwie do tam blokujących nurt rzeki). Choć systemu nie można nazwać całkowicie bezpiecznym – obracające się elementy turbin mogą zranić mieszkańców podwodnego świata, a nawet ludzi.

Aby zapobiec wypadkom, elektrownię wodną należy ogrodzić, a jeśli system jest całkowicie ukryty pod wodą – umieścić na brzegu znak ostrzegawczy.

Zalety małej elektrowni wodnej:

1. W przeciwieństwie do innych «darmowych» źródeł energii (paneli słonecznych, generatorów wiatrowych), systemy wodne mogą pracować niezależnie od pory dnia i pogody. Jedyne, co może im przeszkodzić – to zamarzanie zbiornika wodnego.
2. Do instalacji hydrogeneratora nie jest konieczne posiadanie dużej rzeki – te same koła wodne można z powodzeniem stosować nawet w małych (ale bystrych!) strumieniach.
3. Urządzenia nie emitują szkodliwych substancji, nie zanieczyszczają wody i pracują praktycznie bezgłośnie.
4. Do montażu małej elektrowni wodnej o mocy do 100 kW nie trzeba uzyskiwać dokumentacji zezwalającej (choć wszystko zależy od lokalnych władz i typu instalacji).
5. Nadmiar energii elektrycznej można sprzedawać do sąsiednich domów.

Jeśli chodzi o wady – poważną przeszkodą dla produktywnej eksploatacji sprzętu może być niewystarczająca siła nurtu. W takim przypadku trzeba będzie wznieść pomocnicze konstrukcje, co wiąże się z dodatkowymi kosztami.

Jeśli potencjalna energia pobliskiej rzeki po przybliżonym obliczeniu nie wystarczy do wytworzenia ilości energii elektrycznej wystarczającej do praktycznego zastosowania, warto zwrócić uwagę na sposoby budowy generatorów wiatrowych. Wiatrak będzie skutecznym uzupełnieniem.

Pomiar siły przepływu wody

Pierwszą rzeczą, którą należy zrobić, aby zastanowić się nad rodzajem i sposobem montażu stacji – jest zmierzenie prędkości przepływu wody w wybranym źródle.

Najprostszy sposób – wrzucić do nurtu jakiś lekki przedmiot (np. piłeczkę tenisową, kawałek styropianu lub spławik wędkarski) i zmierzyć stoperem czas, w jakim przepłynie dystans do jakiegoś punktu orientacyjnego. Standardowa odległość do «przepłynięcia» – 10 metrów.

Jeśli zbiornik wodny znajduje się dość daleko od domu, można zbudować kanał odprowadzający lub rurociąg, a przy okazji zadbać o różnice wysokości.

Teraz należy podzielić pokonany dystans w metrach przez liczbę sekund – to będzie prędkość nurtu. Jeśli jednak uzyskana wartość będzie mniejsza niż 1 m/s, konieczne będzie zbudowanie sztucznych konstrukcji, aby przyspieszyć przepływ poprzez różnice wysokości.

Jest to realne do wykonania za pomocą składanej tamy lub niezbyt szerokiej rury spustowej. Jednak bez dobrego nurtu z pomysłem na elektrownię wodną trzeba będzie zrezygnować.

Wykonanie MEW na bazie koła wodnego

Oczywiście, złożenie „na kolanie” i wzniesienie machiny przeznaczonej do obsługi przedsiębiorstwa lub miejscowości nawet z kilkunastu domów – to pomysł z dziedziny fantastyki. Jednak zbudowanie własnoręcznie mini-elektrowni wodnej w celu oszczędzania energii elektrycznej – jest jak najbardziej realne. Co więcej, można wykorzystać zarówno gotowe komponenty, jak i materiały z odzysku.

Dlatego krok po kroku rozważymy wykonanie najprostszej konstrukcji – koła wodnego.

Niezbędne materiały i narzędzia

Aby wykonać własnoręcznie mini-elektrownię wodną, należy przygotować spawarkę, szlifierkę kątową, wiertarkę oraz zestaw narzędzi pomocniczych – młotek, śrubokręt, linijkę.

Z materiałów będą potrzebne:

• Kątowniki i blacha stalowa o grubości co najmniej 5 mm.
• Rury z PVC lub stali ocynkowanej do wykonania łopatek.
• Generator (można użyć gotowego kupnego lub wykonać samodzielnie, jak w tym przykładzie).
• Tarcze hamulcowe.
• Wał i łożyska.
• Sklejka.
• Żywica polistyrenowa do zalewania wirnika i stojana.
• Drut miedziany o średnicy 15 mm do własnoręcznie wykonanego generatora.
• Magnesy neodymowe.

Należy pamiętać, że konstrukcja koła będzie stale kontaktować się z wodą, dlatego elementy metalowe i drewniane należy wybierać z zabezpieczeniem przed wilgocią (lub samodzielnie zadbać o ich impregnację i pomalowanie). W idealnym przypadku sklejkę można zastąpić plastikiem, ale drewniane elementy łatwiej zdobyć i nadać im odpowiedni kształt.

Montaż koła i wykonanie dyszy

Podstawą samego koła mogą być dwa stalowe dyski o jednakowej średnicy (jeśli istnieje możliwość zdobycia stalowego bębna po kablu – świetnie, znacznie przyspieszy to proces montażu).

Jeśli jednak metalu w dostępnych materiałach nie znaleziono, można wyciąć koła również z wodoodpornej sklejki, chociaż wytrzymałość i żywotność nawet impregnowanego drewna nie dorówna stali. Następnie na jednym z dysków należy wyciąć okrągły otwór pod montaż generatora.

Następnie wykonuje się łopatki, a będzie ich potrzebnych co najmniej 16 szt. W tym celu rury ocynkowane są przecinane wzdłuż na dwie lub cztery części (w zależności od średnicy). Następnie miejsca cięcia oraz samą powierzchnię łopatek należy wyszlifować, aby zmniejszyć straty energii na skutek tarcia.

Łopatki montuje się pod kątem około 40-45 stopni – pomoże to zwiększyć powierzchnię, na którą będzie oddziaływać siła strumienia.

Odległość między dwoma bocznymi dyskami powinna być jak najbardziej zbliżona do długości łopatek. Aby wyznaczyć miejsce dla przyszłych piast, zaleca się wykonanie szablonu ze sklejki, na którym będzie zaznaczone miejsce dla każdego elementu oraz otwory do mocowania koła do generatora. Gotowy szablon można przymocować na zewnętrznej stronie jednego z dysków.

Następnie kręgi są montowane równolegle do siebie za pomocą prętów z pełnym gwintem, a łopatki są przyspawane lub mocowane śrubami w odpowiednich pozycjach. Bęben będzie się obracał na łożyskach, a jako podpora stosuje się ramę z kątowników lub rur o małej średnicy.

Na tym etapie montaż bębna można uznać za zakończony, pozostaje wyposażyć go w własnoręcznie wykonany generator oraz dyszę kierującą strumień wody.

Dysza przeznaczona jest do źródeł wody typu kaskadowego – takie ustawienie pozwoli maksymalnie wykorzystać energię strumienia. Ten element pomocniczy wykonuje się przez wyginanie blachy, a następnie spawanie szwów, po czym nakłada się go na rurę.

Jeśli jednak w Państwa okolicy płynie równinna rzeka bez progów i innych wysokościowych przeszkód, ten element nie jest potrzebny.

Ważne jest, aby szerokość wylotu dyszy odpowiadała szerokości samego koła, w przeciwnym razie część strumienia będzie przechodzić «bezczynnie», nie trafiając na łopatki.

Teraz koło należy nasadzić na oś i zamontować na podporze z kątowników spawanych lub połączonych śrubami. Pozostaje wykonać generator (lub zamontować gotowy) i można udać się nad rzekę.

Generator własnymi rękami

Do wykonania własnoręcznego generatora należy wykonać uzwojenie i zalanie stojana, do czego potrzebne będą cewki po 125 zwojów drutu miedzianego każda. Po ich połączeniu cała konstrukcja jest zalewana żywicą poliestrową.

Każda faza składa się z trzech połączonych szeregowo cewek, dlatego połączenie można wykonać w formie gwiazdy lub trójkąta z kilkoma wyprowadzeniami zewnętrznymi.

Teraz należy przygotować szablon ze sklejki o wymiarach odpowiadających tarczy hamulcowej.

Na drewnianym pierścieniu wykonuje się oznaczenia i wycina szczeliny do montażu magnesów (w tym przypadku użyto magnesów neodymowych o grubości 1,3 cm, szerokości 2,5 cm i długości 5 cm). Następnie powstały wirnik również zalewa się żywicą, a po wyschnięciu – dołącza się do bębna koła.

Koło wodne z wirnikiem z tarcz hamulcowych i generatorem z cewek drutu miedzianego – pomalowane, reprezentacyjne i gotowe do eksploatacji.

Ostatnim elementem montuje się aluminiową obudowę z amperomierzem, zakrywającą prostowniki. Zadaniem tych elementów jest przekształcanie prądu trójfazowego na stały.

Po zainstalowaniu koła w strumieniu niewielkiej rzeki z kaskadą lub rurą odprowadzającą, można spodziewać się wydajności minielektrowni wodnej na poziomie 1,9 A * 12 V przy 110 obrotach na minutę.

Aby do koła nie dostawały się liście, piasek i inne zanieczyszczenia niesione przez strumień, zaleca się umieszczenie przed urządzeniem siatki ochronnej.

Można także poeksperymentować z odstępami między magnesami i cewkami o zwiększonej liczbie zwojów, aby zwiększyć wydajność elektrowni wodnej.

O wszystkich rodzajach alternatywnych źródeł energii dowie się Państwo, zapoznając się z artykułem poświęconym wdrażaniu w codziennym życiu “zielonych technologii”.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Wideo #1. Przykład działającej instalacji wodnej z własnoręcznie wykonanym generatorem opartym na silniku trójfazowym:

Wideo #2. Mała elektrownia wodna skonstruowana na zasadzie koła wodnego:

Wideo #3. Stacja oparta na kole rowerowym – ciekawa opcja rozwiązania problemu zaopatrzenia w energię podczas wypoczynku z dala od cywilizacji:

Jak Państwo widzą, zbudowanie własnoręcznie małej elektrowni wodnej nie jest takie trudne. Jednak ponieważ większość obliczeń i parametrów dla jej komponentów określa się „na oko”, należy być przygotowanym na ewentualne awarie i związane z tym koszty.

Jeśli czują Państwo brak wiedzy i doświadczenia w tej dziedzinie, warto zaufać specjalistom, którzy wykonają wszystkie niezbędne obliczenia, doradzą optymalne dla Państwa przypadku urządzenie i profesjonalnie przeprowadzą jego instalację.

Proszę pisać komentarze w bloku poniżej. Proszę dzielić się ciekawymi informacjami i przydatnymi zaleceniami, zostawiać tematyczne zdjęcia. Być może chcą Państwo opowiedzieć, jak własnoręcznie zbudowali Państwo działającą elektrownię wodną na działce podmiejskiej? Będziemy zadowoleni, mogąc przeczytać Państwa opowieść o procesie budowy i eksploatacji.