Hidroelektrinė savo rankomis: kaip pastatyti autonominę mini HE

Vandens srovės jėga – tai atsinaujinantis gamtos išteklius, leidžiantis gauti beveik nemokamą elektrą. Gamtos dovanota energija suteiks galimybę sutaupyti komunalinių paslaugų ir išspręsti įrangos įkrovimo problemą.

Jei šalia jūsų namo teka upelis ar upė, jais verta pasinaudoti. Jie galės aprūpinti elektros energija sklypą ir namą. O jei hidroelektrinė pastatyta savo rankomis, ekonominis efektas išauga daug kartų.

Pateiktame straipsnyje išsamiai aprašomos privačių hidrotechninių statinių gamybos technologijos. Mes papasakojome, ko reikės sistemos įrengimui ir jos prijungimui prie vartotojų. Pas mus sužinosite apie visus miniatiūrinių energijos tiekėjų variantus, surinktus iš po ranka esančių medžiagų.

Nepramoninės paskirties hidroelektrinės

Hidroelektrinės – tai statiniai, gebantys vandens judėjimo energiją paversti elektra. Alternatyvūs „žali“ elektros tiekėjai kol kas aktyviai naudojami tik Vakaruose. Mūsų šalyje ši perspektyvi šaka dar tik žengia pirmuosius nedrąsius žingsnius.

Nedidelėmis privačiomis hidroelektrinėmis gali būti didžiųjų upių užtvankos, generuojančios nuo dešimčių iki kelių šimtų megavatų, arba mini HE, kurių didžiausia galia siekia 100 kW, o to visiškai pakanka privataus namo poreikiams. Apie pastarąsias sužinokime išsamiau.

Girliandinė stotis su vandens sraigtais

Konstrukciją sudaro rotorių grandinė, pritvirtinta prie lanksčio plieno troso, pertiesto skersai upės. Pats trosas atlieka sukimosi veleno funkciją, kurio vienas galas tvirtinamas atraminiame guolyje, o kitas – aktyvuoja generatoriaus veleną.

Kiekvienas 'girliandos' hidrorotorius geba pagaminti apie 2 kW energijos, tačiau vandens srauto greitis tam turi būti ne mažesnis kaip 2,5 metro per sekundę, o vandens telkinio gylis neviršyti 1,5 m.

Girliandinės hidroelektrinės veikimo principas paprastas: vandens slėgis suka hidrosraigtus, o šie sukioja trosą ir verčia generatorių gaminti energiją.

Girliandinės stotys buvo sėkmingai naudojamos dar praėjusio amžiaus viduryje, tačiau tada sraigtų vaidmenį atliko savadarbiai propelleriai ir net konservų skardinės. Šiandien gamintojai siūlo keletą rotorių tipų įvairioms eksploatavimo sąlygoms.

Jie komplektuojami su skirtingo dydžio mentėmis, pagamintomis iš lakštinio metalo, ir leidžia gauti maksimalų stoties darbo efektyvumą.

Bet nors šis hidrogeneratorius gamyboje yra gana paprastas, jo eksploatacija reikalauja tam tikrų specialių sąlygų, kurios ne visada įgyvendinamos realiame gyvenime. Tokie statiniai užtvenkia upės vagą, ir vargu ar upės pakrančių kaimynai, jau nekalbant apie aplinkos apsaugos tarnybų atstovus, leis naudoti srauto energiją jūsų tikslams.

Be to, žiemą įrenginį galima naudoti tik neužšąlančiuose vandens telkiniuose, o esant atšiauriam klimatui – konservuoti arba išmontuoti. Todėl girliandinės stotys statomos laikinai ir daugiausia negyvenamose vietovėse (pavyzdžiui, šalia vasaros ganyklų).

Rotorinės stotys, kurių galia nuo 1 iki 15 kWh, per mėnesį pagamina iki 9,3 MW ir leidžia savarankiškai išspręsti elektrifikavimo problemą regionuose, nutolusiuose nuo centralizuotų magistralių.

Šiuolaikinis girliandinio įrenginio analogas – panardinamosios arba plūduriuojančios rėminės stotys su skersiniais rotoriais. Skirtingai nuo savo girliandinės pirmtakės, šios konstrukcijos neužtvenkia visos upės, o naudoja tik dalį vagos, be to, jas galima sumontuoti ant ponto/plausto arba visiškai nuleisti į vandens telkinio dugną.

Vertikalus Darjė rotorius

Darjė rotorius – tai turbinos įtaisas, pavadintas pagal savo išradėją 1931 m. Sistemą sudaro kelios aerodinaminės mentės, pritvirtintos prie radialinių sijų, ir ji veikia dėl slėgio skirtumo pagal „keliamojo sparno“ principą, kuris plačiai naudojamas laivų statyboje ir aviacijoje.

Nors tokie įrenginiai dažniau naudojami vėjo generatoriams kurti, jie gali veikti ir su vandeniu. Tačiau šiuo atveju reikia tikslių skaičiavimų, kad būtų parinktas menčių storis ir plotis pagal vandens srauto stiprumą.

Darjė rotorius primena „vėjo malūną“, tik sumontuotą po vandeniu, be to, jis gali veikti nepriklausomai nuo sezoninių srauto greičio svyravimų.

Vietinėms hidroelektrinėms kurti vertikalūs rotoriai naudojami retai. Nepaisant neblogų našumo rodiklių ir tariamo konstrukcijos paprastumo, įranga yra gana sudėtinga eksploatuoti.

Prieš pradedant darbą sistemą reikia „įsukti“, o užvestą stotį sustabdyti gali tik vandens telkinio užšalimas. Todėl Darjė rotorius daugiausia naudojamas pramonės įmonėse.

Įdomų sprendimą mažųjų hidroelektrinių projektavimo srityje su vertikaliai veikiančia turbina pasiūlė austrų išradėjas Francas Cotliotereris:

Sūkurinių stočių privalumu pagrįstai laikomas žuvų išteklių išsaugojimas. Vertikalios turbinos darbas nekenkia upės gyviems organizmams. Be to, dėl specifinio vandens srauto judėjimo ant statinių sienelių nesikaupia dumbliai.

Povandeninis sraigtinis propeleris

Iš esmės tai paprasčiausias oro vėjaratis, tik jis montuojamas po vandeniu. Menčių dydžiai, siekiant užtikrinti maksimalų sukimosi greitį ir minimalų pasipriešinimą, apskaičiuojami priklausomai nuo srauto judėjimo jėgos. Pavyzdžiui, jei srovės greitis neviršija 2 m/s, mentės plotis turėtų būti nuo 2 iki 3 cm.

Povandeninį propelerį nesunku pasigaminti patiems, tačiau jis tinka tik gilioms ir greitoms upėms – sekliame vandens telkinyje besisukančios mentės gali sužaloti žvejus, maudytojus, vandens paukščius ir gyvūnus.

Toks vėjaratis montuojamas „prieš“ srautą, tačiau jo mentės veikia ne vandens slėgio jėgos dėka, o dėl atsirandančios keliamosios jėgos (pagal lėktuvo sparno ar laivo sraigto principą).

Vandens ratas su mentėmis

Vandens ratas – vienas iš paprasčiausių hidraulinio variklio variantų, žinomas dar nuo Romos Imperijos laikų. Jo darbo efektyvumas labai priklauso nuo šaltinio, ant kurio jis sumontuotas, tipo.

Apatiniu srautu varomas ratas gali suktis tik dėl srauto greičio, o viršutiniu srautu varomas ratas – dėl vandens slėgio ir svorio, krentančio iš viršaus ant menčių.

Priklausomai nuo vandens tėkmės gylio ir vagos, galima sumontuoti įvairių tipų ratus:

• Apatiniu vandeniu varomi (arba žemutiniai) – tinka seklioms upėms su greita srove.
• Vidurinio smūgio – išdėstomi vagose su natūraliais kaskadais taip, kad srautas pataikytų maždaug į besisukančio būgno vidurį.
• Liejamieji (arba viršutinio smūgio) – montuojami po užtvanka, vamzdžiu arba natūralios slenksčio apatinėje dalyje, kad krentantis vanduo toliau eitų per rato viršūnę.

Tačiau visų variantų veikimo principas tas pats: vanduo patenka ant menčių ir paleidžia ratą, kuris verčia suktis mini elektrinės generatorių.

Hidroįrangos gamintojai siūlo paruoštas turbinas, kurių mentės specialiai pritaikytos tam tikram vandens srauto greičiui. Tačiau namų meistrai būgnines konstrukcijas gamina senoviškai – iš turimų medžiagų.

Su paprasčiausio mini HE versijos statybos etapais padės susipažinti ši nuotraukų rinktinė:

Galbūt optimizavimo trūkumas atsilieps naudingumo koeficiento rodikliams, tačiau naminės įrangos savikaina bus daug kartų mažesnė nei pirktinės. Todėl vandens ratas yra populiariausias pasirinkimas norint įsirengti savo mini HE.

Hidroelektrinės įrengimo sąlygos

Nepaisant viliojančio pigumo hidrogeneratoriaus gaminamos energijos, svarbu atsižvelgti į vandens šaltinio, kurio resursus planuojate panaudoti savo reikmėms, ypatumus.

Juk toli gražu ne kiekvienas vandens telkinys tinka mažosios hidroelektrinės eksploatacijai, ypač ištisus metus, todėl neprošal turėti rezerve galimybę prisijungti prie centralizuotos magistralės.

Keletas „už“ ir „prieš“

Pagrindiniai individualios hidroelektrinės privalumai akivaizdūs: nebrangi įranga, kuri gamina pigią elektrą ir dar nepakenkia gamtai (skirtingai nuo užtvankų, kurios užtvenkia upės tėkmę). Nors sistemos negalima pavadinti visiškai saugia – vis dėlto besisukantys turbinų elementai gali sužeisti povandeninio pasaulio gyventojus ir net žmones.

Siekiant išvengti nelaimingų atsitikimų, hidroelektrinę reikia aptverti, o jei sistema visiškai paslėpta vandenyje – ant kranto pastatyti įspėjamąjį ženklą.

Mažosios hidroelektrinės privalumai:

1. Skirtingai nuo kitų „nemokamų“ energijos šaltinių (saulės baterijų, vėjo generatorių), hidrosistemos gali veikti nepriklausomai nuo paros meto ir oro. Vienintelis dalykas, kuris gali jiems sutrukdyti – vandens telkinio užšalimas.
2. Hidrogeneratoriui įrengti nebūtina didelė upė – tuos pačius vandens ratus sėkmingai galima naudoti net mažuose (bet greituose!) upeliuose.
3. Įrenginiai neišskiria kenksmingų medžiagų, neteršia vandens ir veikia beveik tyliai.
4. Montuojant mažąją hidroelektrinę, kurios galia iki 100 kW, nereikia tvarkyti leidimo dokumentų (nors viskas priklauso nuo vietos valdžios ir įrenginio tipo).
5. Elektros perteklių galima parduoti kaimyniniams namams.

Kalbant apie trūkumus – rimta kliūtimi produktyviai eksploatuoti įrangą gali tapti nepakankama srovės jėga. Tokiu atveju teks statyti pagalbinius statinius, o tai susiję su papildomomis išlaidomis.

Jei apytikriai paskaičiavus, šalia esančios upės potencialios energijos nepakanka praktiniam naudojimui reikalingam elektros kiekiui pagaminti, verta atkreipti dėmesį į vėjo generatorių statybos būdus. Vėjo generatorius bus efektyvus papildymas.

Vandens srovės jėgos matavimas

Pirmas dalykas, kurį reikia padaryti, norint apsvarstyti stoties tipą ir įrengimo būdą, – išmatuoti vandens srovės greitį pasirinktame šaltinyje.

Paprasčiausias būdas – nuleisti į srovę bet kokį lengvą daiktą (pavyzdžiui, teniso kamuoliuką, putplasčio gabalėlį ar žvejybinį plūdę) ir chronometru išmatuoti laiką, per kurį jis nuplauks atstumą iki kokio nors orientyro. Standartinis „plaukimo“ atstumas – 10 metrų.

Jei vandens telkinys yra gana toli nuo namo, galima nutiesti nukreipiamąjį kanalą arba vamzdyną, o kartu pasirūpinti ir aukščio skirtumais.

Dabar reikia nuplauktą atstumą metrais padalinti iš sekundžių skaičiaus – tai ir bus srovės greitis. Bet jei gauta vertė bus mažesnė nei 1 m/s, teks pastatyti dirbtinius statinius, kad pagreitintumėte srautą aukščio skirtumais.

Tai realiai galima įgyvendinti naudojant išardomą užtvanką arba siaurą nutekamąjį vamzdį. Tačiau be gero srovės greičio teks atsisakyti idėjos apie hidroelektrinę.

HE gamyba vandens rato pagrindu

Žinoma, surinkti 'ant kelių' ir pastatyti mašiną, skirtą aptarnauti įmonę ar gyvenvietę net iš keliolikos namų – idėja iš fantastikos srities. Tačiau savo rankomis pastatyti mini hidroelektrinę, norint sutaupyti elektros – visiškai realu. Be to, galima naudoti tiek paruoštus komponentus, tiek turimas medžiagas.

Todėl žingsnis po žingsnio apžvelgsime paprasčiausio įrenginio – vandens rato – gamybą.

Reikalingos medžiagos ir įrankiai

Norint savo rankomis pasigaminti mini hidroelektrinę, reikia paruošti suvirinimo aparatą, šlifuoklį, grąžtą ir pagalbinių įrankių rinkinį – plaktuką, atsuktuvą, liniuotę.

Iš medžiagų prireiks:

• Kampuočiai ir lakštinis metalas, kurio storis ne mažesnis kaip 5 mm.
• PVC arba cinkuoto plieno vamzdžiai mentėms gaminti.
• Generatorius (galima naudoti jau paruoštą pirktą arba pasigaminti patiems, kaip šiame pavyzdyje).
• Stabdžių diskai.
• Velias ir guoliai.
• Fanera.
• Polistirolo derva rotoriui ir statoriui užpilti.
• Varinė viela, 15 mm skersmens, savadarbiam generatoriui.
• Neodiminiai magnetai.

Atkreipkite dėmesį, kad rato konstrukcija nuolat liesis su vandeniu, todėl metalinius ir medinius elementus reikia rinktis su apsauga nuo drėgmės (arba pasirūpinti jų impregnavimu ir dažymu patiems). Idealiu atveju fanerą galima pakeisti plastiku, bet medines dalis lengviau įsigyti ir suteikti joms reikiamą formą.

Rato surinkimas ir purkštuko gamyba

Pagrindu pačiam ratui gali būti du vienodo skersmens plieniniai diskai (jei yra galimybė gauti plieninį būgną nuo kabelio – puiku, tai labai pagreitins surinkimo procesą).

Bet jei po ranka nėra metalo, galima išpjauti apskritimus ir iš vandens atsparios faneros, nors net apdorotos medienos tvirtumas ir tarnavimo laikas neprilygsta plienui. Tada viename iš diskų reikia išpjauti apvalią angą generatoriui sumontuoti.

Po to gaminamos mentės, kurių prireiks ne mažiau kaip 16 vnt. Tam cinkuoti vamzdžiai perpjaunami išilgai į dvi ar keturias dalis (priklausomai nuo skersmens). Tada pjovimo vietas ir pačią menčių paviršių reikia nušlifuoti, kad sumažėtų energijos nuostoliai dėl trinties.

Mentės montuojamos maždaug 40–45 laipsnių kampu – tai padidins paviršiaus plotą, kurį veiks srovės jėga.

Atstumas tarp dviejų šoninių diskų turėtų būti kuo artimesnis menčių ilgiui. Norint pažymėti būsimų stebulių vietą, rekomenduojama pasidaryti faneros šabloną, ant kurio būtų pažymėta vieta kiekvienai detalei ir skylės ratui pritvirtinti prie generatoriaus. Paruoštą žymėjimą galima pritvirtinti ant vieno iš diskų išorinės pusės.

Tada apskritimai montuojami lygiagrečiai vienas kitam naudojant strypus su vientisu sriegiu, o mentės privirinamos arba tvirtinamos varžtais reikiamose pozicijose. Būgnas suksis ant guolių, o kaip atrama naudojamas rėmas iš kampinių profilių arba mažo skersmens vamzdžių.

Šiame etape būgno surinkimą galima laikyti baigtu, liko jį aprūpinti savadarbiu generatoriumi ir antgaliu, nukreipiančiu vandens srovę.

Antgalis skirtas kaskadinio tipo vandens šaltiniams – toks įrenginys leis maksimaliai išnaudoti srauto energiją. Šis pagalbinis elementas gaminamas išlenkiant lakštinį metalą, vėliau suvirinant siūles, o po to užmaunamas ant vamzdžio.

Tačiau jei jūsų vietovėje teka lygumų upė be slenksčių ir kitų aukščio kliūčių, šios detalės nereikia.

Svarbu, kad antgalio išėjimo angos plotis atitiktų paties rato plotį, kitaip dalis srauto eis „tuščiąja eiga“, nepatenkdama ant menčių.

Dabar ratą reikia užmauti ant ašies ir sumontuoti ant atramos iš suvirintų arba varžtais sujungtų kampinių profilių. Liko padaryti generatorių (arba sumontuoti jau paruoštą) ir galima keliauti prie upės.

Generatorius savo rankomis

Norint pagaminti savadarbį generatorių, reikia atlikti apviją ir užpildyti statorių, tam prireiks 125 vijų varinės vielos ritės ant kiekvienos. Jas sujungus, visa konstrukcija užliejama poliesterio derva.

Kiekviena fazė susideda iš trijų nuosekliai pritvirtintų ritinių, todėl jungimą galima atlikti žvaigždės arba trikampio pavidalu su keliais išoriniais išvadais.

Dabar reikia paruošti faneros šabloną, savo dydžiu atitinkantį stabdžių diską.

Ant medinio žiedo atliekamas žymėjimas ir daromi plyšiai magnetų montavimui (šiuo atveju naudoti neodimio magnetai, kurių storis 1,3 cm, plotis 2,5 cm ir ilgis 5 cm). Tada gautas rotorius taip pat užliejamas derva, o po išdžiuvimo – prijungiamas prie rato būgno.

Vandens ratas su rotoriumi iš stabdžių diskų ir generatoriumi iš varinės vielos ritinių – nudažytas, reprezentatyvus ir paruoštas naudojimui.

Paskutinis montuojamas aliumininis gaubtas su ampermetru, uždengiantis lygintuvus. Šių elementų užduotis – transformuoti trifazę srovę į nuolatinę.

Sumontavus ratą į mažos upelio su kaskadu arba nukreipimo vamzdžiu srautą, galima tikėtis mini hidroelektrinės našumo – 1,9 A * 12 V esant 110 apsisukimų per minutę.

Kad į ratą nepatektų lapai, smėlis ir kitos srauto atneštos šiukšlės, prieš įrenginį pageidautina įrengti apsauginį tinklelį.

Taip pat galima paeksperimentuoti su tarpais tarp magnetų ir ritinių su didesniu vijų skaičiumi, kad padidėtų hidroelektrinės naudingumo koeficientas.

Apie visus alternatyviosios energijos šaltinius sužinosite, susipažinę su straipsniu, skirtu “žaliųjų technologijų” diegimui buityje.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Vaizdo įrašas #1. Veikiančios hidroinstaliacijos pavyzdys su savadarbiu generatoriumi, pagrįstu trifaziu varikliu:

Vaizdo įrašas #2. Mini hidroelektrinė, sukonstruota pagal vandens rato principą:

Vaizdo įrašas #3. Stotis, pagrįsta dviračio ratu – įdomus energijos tiekimo problemos sprendimo variantas atostogaujant toli nuo civilizacijos:

Kaip matote, pastatyti vandens mini elektrinę savo rankomis nėra taip jau ir sudėtinga. Tačiau kadangi dauguma jos komponentų skaičiavimų ir parametrų nustatomi „iš akies“, reikėtų būti pasiruošusiems galimiems gedimams ir su jais susijusioms išlaidoms.

Jeigu Jūs jaučiate žinių ir patirties stoką šioje srityje, verta pasitikėti specialistais, kurie atliks visus būtinus skaičiavimus, patars optimalią Jūsų atveju įrangą ir kokybiškai ją sumontuos.

Rašykite, prašome, komentarus žemiau esančiame bloke. Dalinkitės įdomia informacija ir naudingomis rekomendacijomis, palikite teminių nuotraukų. Galbūt Jūs norite papasakoti, kaip savo rankomis pastatėte veikiančią hidroelektrinę užmiesčio sklype? Džiaugsimės perskaitę Jūsų pasakojimą apie įrengimo ir eksploatacijos procesą.