Независимый источник электроэнергии в загородном особняке - первая необходимость. Рынок электротоваров предлагает широкий ассортимент генераторов электрического тока различных конструкций: газовые, инверторные, бензиновые, дизельные. Среди них водяные электрогенераторы занимают особое место, благодаря своим преимуществам и экономии в расходовании топлива. Выработка электричества из природных источников - наиболее экологичный и малозатратный способ производства энергетического ресурса.
Область применения и особенности устройства
Различная область применения
Данные гидравлические устройства могут применяться для различных бытовых и хозяйственных потребностей:
- В сельском хозяйстве;
- Городках геологов;
- В речном транспорте;
- На базах отдыха;
- В горнодобывающей промышленности;
- На дачных и загородных участках.
Для преобразования разного рода энергии в электрическую. Устройство прибора простое: двигатель, сам генератор и корпус.
Смотрим видео, область применения генераторных установок и их виды:
В зависимости от типа силовой установки генераторы разделяются на:
Также генераторы бывают водяные и на солнечных батареях. Водяной электрогенератор отличается от дизельного или бензинового большей экономичностью в эксплуатации и абсолютной экологичностью. Если рядом с загородным домом протекает река или ручей, расходная сумма на обслуживание станции равняется нулю.
Принцип работы
Производство энергии посредством вращения конструктивного элемента применялось с давних пор, достаточно вспомнить водяные мельницы. Водяной генератор для производства электрической энергии мало отличается от старинных приспособлений.
Смотрим видео, простейший механизм работы:
Вам нужно подсоединить шланг устройства к источнику воды (ручей, водопроводный кран, бак кабинки для душа), а вращение лопастей колеса под напором воды будет передавать энергию на сам генератор. В свою очередь, генератор будет перерабатывать полученную энергию в ток соответствующей частоты (переменный либо постоянный).
Виды гидрогенераторов
Промышленные изделия различаются по параметрам производимой мощности. Для бытовых нужд используют маломощные гидросистемы (10-100 кВт) с вертикальным положением оси вращения ротора, работающие на основе небольших водотоков. Для нужд промышленности аппараты конструируют с горизонтальным вращательным движением оси.
Водяное колесо
В бытовых целях используют бесплотинный вид мини-ГЭС, который разделяют на 4 вида:
- Водяное колесо;
- Гирлянда ГЭС;
- Ротор Дарье;
- Пропеллер.
Водяное колесо представляет собой вращающийся элемент с лопастями, который устанавливают перпендикулярно движению воды, погружая наполовину или чуть меньше. Посредством водного давления на лопасти создается вращение колеса и преобразование энергии.
Конструкция гирлянды для генератора водяного представляет собой трос с зафиксированными роторами, перекинутый с одного на другой берег реки. Один конец троса прикреплен к генератору, а второй - закреплен подшипником. Погруженные в воду роторы начинают вращаться под напором потока, вызывая вращение троса. В результате генерируется электроэнергия.
Ротор Дарье
Ротор Дарье представляет собой вертикальный вращающийся элемент, который приводится в движение за счет изменения давлений на лопастях сложной конструкции. Именно обтекание потоком сложной поверхности и создает перепад давлений.
Водяной генератор-пропеллер напоминает собой «ветряк», оснащенный ротором, но установленный под водой. Ширина лопастей (2 см) имеет необходимые размеры для создания максимальной скорости вращения при минимальной нагрузке сопротивления. Однако размеры лопастей нужно подбирать в соответствии с течением водного потока, их показатели могут разниться.
В быту получили распространение гидроустановки пропеллерного типа и колеса. Преимущество данных приборов - высокий КПД при минимуме затрат.
Обзор продукции
Производители выпускают мини гидростанции бытового использования для генерирования тока постоянной и переменной частоты в трехфазном и однофазном исполнении. Для выработки электричества необходим небольшой напор воды - до 12 л/сек. Как правило, данные гидроустановки применяются в местах с протеканием небольших рек или в местности с природным/искусственным водопадом, а также с построенной плотиной.
Мини генератор Ct-02 (Китай)
- Мощность - 5 кВт;
- Вырабатываемый ток - 50 Гц;
- Скорость вращения - 30-3000 об/мин;
- Ток - переменный.
Продукцию можно приобрести под заказ, обозначив необходимые параметры. Начальная цена - 30 000 рублей.
Мини генератор для дома xj13 (Китай)
- Мощность - 8,5 кВт;
- Вырабатываемый ток - 50 Гц;
- Скорость вращения - 145-1920 об/мин;
- Ток - переменный.
Данная модель горизонтальной установки имеет свои преимущества, малый вес и небольшие объемы. Аппарат можно легко установить в приусадебном участке. Цена - от 16 000 рублей.
Гидрогенератор LPWG
Гидрогенератор LPWG
- Мощность - 5 кВт;
- Вырабатываемый ток - 50 Гц;
- Скорость вращения - 500 об/мин;
- Ток - переменный.
Данная гидросистема с горизонтальной подачей воды обеспечит током приусадебное хозяйство либо загородный дом. Покупка водяного генератора электрического тока обойдется в 49 596 рублей.
Как сделать гидроэлектростанцию самостоятельно
Создание водяного электрогенератора своими руками - процесс увлекательный. Можно сконструировать на основе обычного велосипедного генератора. Во-первых, следует определить скорость течения водного потока с помощью секундомера. Если скорость будет недостаточная, придется создать перепад высот, например, установив сливную трубу.
Смотрим видео, делаем поэтапно своими руками:
Вам нужно вырезать из алюминиевого листа несколько лопастей шириной 2-4 см. Длина лопастей должна совпадать с диаметром велосипедного колеса (от обода до втулки). Затем лопасти устанавливаются между спицами и фиксируются при помощи плоскогубцев. Колесо погружается в воду на треть. Очень неплохой вариант выработки электроэнергии в походе для освещения палатки и зарядки телефонов.
Выбираем электрогенератор
Мощность
- Для постоянного обеспечения энергией частного загородного дома вполне хватит мощности 20-30 кВт.
- Чтобы точно определить требуемую мощность, нужно сложить показатели потребляемой мощности всех бытовых приборов и добавить лампы освещения.
- Следует учитывать, что к общей сумме мощности нужно добавить еще процентов 20 сверху с учетом пусковых токов.
- Если вы работаете с электроприборами строительного назначения, величина требуемой мощности должна быть в три раза больше (до 100 кВт).
Цены и производители
Рынок товаров обеспечивается разными поставщиками и компаниями-производителями. Ценовой фактор формируется в зависимости от раскрученности бренда. В последнее время хорошо себя зарекомендовали китайские производители. Благоприятное сочетание качества и цены заслуживает внимания.
История гидроэнергетики берет начало от простого водяного колеса, которое нашим предкам пришло в голову установить на порогах реки. Сначала его использовали для мельницы, тем самым облегчив работу жерновов. Позднее люди научились использовать силу воды для самых разных нужд – изготовления бумаги, распиловки бревен, в кузнечном деле и даже для пивоварения. Венцом творения был электрогенератор, который удалось подключить к турбине. Так появились ГЭС, принцип которых используют сегодня и для домашних изобретений, в том числе и в сегодняшней самоделке.
Ее автору удалось собрать ее буквально из старой стиралки, слегка модернизировав и грамотно использовав ресурсы ближайшей речки на его загородном участке. Он утверждает, что живет уже несколько лет без подключения к электрическим сетям, и не платит за электричество ни копейки. Мощности от гидрогенератора хватает чтобы снабдить электричеством не только все электроприборы в доме, но и потянуть работу мастерской с электроинструментами. Как такое возможно? Давайте посмотрим вместе.
Принцип работы гидроэлектрогенератора
В данной домашней разработке используется родной корпус стиральной машины. Двигатель перемонтируется в режим генератора, и помещается обратно на свое посадочное место. Колесо Пелтона применяется как движущая турбина, аккумулирующая потоки воды, и передающая кинетическую энергию генератору. Переменный 3-х фазный ток, получаемый на выходе генератора, пропускается через выпрямитель из трех диодных мостов. Постоянный ток подается на зарядку аккумуляторов через контроллер, а от них на инвертор 12V/220V, снова получая переменную частотность.Материалы, инструменты
Материалы:- Старая стиральная машина с инверторным двигателем;
- Колесо Пелтона;
- Небольшой отрезок тента;
- Фанера;
- Оргстекло или плексиглас;
- Силикон;
- Гидроизоляция для пластика - краска или мастика;
- Саморезы, гайки, шайбы, болты и наждачная бумага.
- Дрель с корончатой фрезой, сверлами и насадкой под саморезы;
- Сабельная пила или электролобзик;
- Ручной инструмент: гаечные ключи, плоскогубцы, малярный нож и пистолет для силикона.
Собираем гидроэлектрогенератор
Подготовительные демонтажные работыДля начала необходимо разобрать стиральную машинку, оставив лишь нужные нам детали.
Машинка вертикального типа, поэтому снимаем торцевую крышку с лицевой стороны и демонтируем электронную панель контроля режимов стирки.
Вытаскиваем внешний барабан и демонтируем насос и лишние шланги подводки воды.
Маховик для стирки нам не нужен, как в прочем и внутренняя стальная емкость для белья.
Все что должно остаться – это внешний пластиковый барабан и двигатель на валу.
Как мы можем убедиться, перемонтированный инверторный двигатель уже выдает электричество при вращении вала.
Теперь необходимо разобрать двигатель, оставив на корпусе только вал с подшипниками.
Изготовление гидротурбины
Герметизировать наш вал поможет резиновая прокладка, вырезанная из старой камеры. Делаем в ней отверстие посередине, и насаживаем плотно на стержне вала.
Небольшое колесо Пелтона будет осуществлять забор воды. Этому изобретению почти полторы сотни лет, а оно все не теряет актуальности и применяется даже на некоторых ГЭС. Его необходимо закрепить на валу так, чтобы оно могло свободно двигаться и не касалось корпуса.
Размечаем под него отверстие в корпусе для подачи воды, и сверлим его корончатой фрезой.
Лобзиком или сабельной пилой делаем сливное отверстие в форме прямоугольника, и закрываем его на саморезы отрезком водонепронецаемого тента. Должно получиться вот так (фото).
Далее нужно изготовить заглушку для бака нашей гидротурбины. Делаем ее из куска влагостойкой фанеры, выпиливая лобзиком окружность, равную внутреннему диаметру барабана. В самой заглушке делаем смотровое отверстие для контроля работы агрегата. Которое затем будет закрыто оргстеклом.
Обмазываем торец фанеры силиконом, и насаживаем ее внутрь. Закрепляем ее с помощью саморезов через корпус турбины.
Вырезаем из прорезиненного материала прокладку для оргстекла, и приклеиваем ее на силикон к фанере.
Засверливаем четыре отверстия по сторонам прямоугольника окошка, и с внутренней стороны помещаем в них прижимные болты. На них и будем закреплять оргстекло, чтобы оно было съемным на случай непредвиденных поломок.
Герметизируем стык нашей заглушки с корпусом силиконом.
Для защиты электрической части агрегата, автор установил дополнительный кожух из пластика на край турбины с помощью саморезов. Сам пластиковый корпус прокрасил краской чтобы защитить пластик от растрескивания.
Настала очередь собрать двигатель, установить его на агрегате. Крепим на посадочные болты статор.
Для получения постоянного тока для зарядки аккумуляторов закрепляем планку из трех диодных мостов, по каждому на фазу.
Накрываем двигатель крышкой ротора, и затыкаем лишние сливные отверстия для шлангов, оставшиеся в корпусе.
Установка и подключение
Наш гидрогенератор практически готов. Остается закрепить его на рамочном каркасе из сваренных уголков, и приспособить с помощью гидрантов подачу воды. Выходную мощность генератора можно регулировать силой напора, или диаметром отверстия сопла крана, подающего воду непосредственно в саму турбину. Направленный слив также обеспечит возврат воды без вреда для реки.Подробно описывать, для чего может понадобиться микро-ГЭС , смысла нет – ответы на этот вопрос очевидны. Коротко скажем лишь, что из общеизвестных альтернативных источников энергии – солнечные генераторы, ветро- и гидроэлектростанции – последние являются потенциально наиболее мощными при меньшей себестоимости. Кроме того, вы не зависите от погодных факторов – ветра или солнца.
Значимым плюсом самодельной микро-ГЭС является также относительная дешевизна и доступность материалов. Покупка заводской ГЭС может обойтись вам в 1000-10000$,
Однако именно мини-ГЭС являются наиболее сложными в проектировании и изготовлении, особенно для неподготовленного человека. Например, энтузиасту Лукмону Ахмедову (Таджикистан) для изготовления собственного варианта электростанции потребовалось около 2 лет. При написании данной статьи мы постарались изложить достаточно подробно и наглядно весь процесс, по шагам. Надеемся, с нашей помощью у вас это займет гораздо меньше времени.
Виды микро ГЭС
Отметим сразу, что в этой статье речь будет идти об изготовлении бесплотинных микро-ГЭС своими руками. Устройство плотины – сложная и дорогостоящая задача, также вам придется потратить немало времени на согласование с властями. С бесплотинными ГЭС все гораздо проще: они экологичнее, а их основной недостаток – меньшая мощность – не критичен, ведь энергия нам нужна для частных, относительно небольших, нужд.
Отдельно отметим, что под «микро-ГЭС» подразумевают агрегат мощностью до 100КВт.
Итак, бесплотинные ГЭС бывают 4 видов: «гирляндная» ГЭС, «водяное колесо», ротор Дарье и «пропеллерная». Также бесплотинные ГЭС часто называют «проточными» или «свободнопроточными».
- Гирляндная ГЭС была разработана советским инженером Блиновым в середине XX века. Она состоит из небольших турбин — гидровингроторов, нанизанных в виде бус на тросе, который переброшен через реку. Один конец троса прикреплен к опорному подшипнику, а второй — вращает вал генератора. Трос в данном агрегате выполняет задачу вала, чье вращение которого передается к валу генератора. К минусам гирляндной ГЭС можно отнести относительную дороговизну, опасность для окружающих (вполне вероятно, такой проект придется согласовывать с властями, соседями) и невысокую выходную мощность.
- Водяное колесо устанавливается перпендикулярно поверхности воды и погружено в воду менее, чем наполовину. Приводить его в действие можно двумя способами: либо течение воды давит на лопасти в нижней части колеса, заставляя его вращаться, либо же поток воды падает на колесо сверху (см. фото ниже). КПД последнего варианта намного выше. При изготовлении турбины этого типа основным вопросом является грамотный выбор формы лопастей, которая позволит наиболее эффективно использовать энергию воды.
- Ротор Дарье представляет собой вертикальный ротор с лопастями специальной конструкции. Благодаря ей поток воды давит на лопасти с разной силой, за счет чего и происходит вращение. Данный эффект можно сравнить с подъемной силой крыла самолета, которая возникает вследствие разности давлений над и под крылом.
- Пропеллер по своей конструкции схож с пропеллером ветрогенератора (отсюда, собственно, и название) или винтом корабля. Однако лопасти подводного пропеллера, как правило, намного уже, что позволяет использовать энергию потока более эффективно. Например, для реки со скорость течения 1-2 м/с достаточно ширины в 2 сантиметра. Подобная конструкция хорошо подходит для быстрых и глубоких рек. Важный момент: для безопасности купальщиков и туристов обязательно установите заграждение и предупреждающий буй. Установка крутится достаточно быстро и может нанести серьезные травмы
На наш взгляд, для изготовления микро-ГЭС своими руками оптимально использовать пропеллерную конструкцию или конструкцию типа «водяное колесо». Отметим, что в агрегатах заводского производства турбины обоих типов имеют достаточно сложную форму (т.н. «турбина Каплана, «турбина Пелтона» и др.), позволяющую получить максимум КПД для различных типов потока. Однако при «домашнем» производстве изготовить такие турбины сложно.
Немного теории о микро ГЭС и базовые расчеты.
Следующим шагом является расчет и измерение скорости потока. Определять ее на глазок весьма рискованно – очень легко ошибиться, поэтому отмерьте вдоль берега 10-20 метров, бросьте в воду поплавок (щепку, небольшой мячик) и отмерьте время, за которое щепка проплывет дистанцию. Делим дистанцию на время – получаем скорость течения. Как показывает практика, если она меньше 1 м/с – устройство микро-ГЭС в данном потоке может быть неоправданным. Если мы планируем получать энергию за счет перепада высот, то мощность можно примерно рассчитать по следующей формуле:
Мощность N=k*9.81*1000*Q*H,
где k — КПД системы (обычно составляет 20%-50%); 9,81 (м/сек2) — ускорение свободного падения; H – перепад высот;
Q — расход воды (м3/сек); 1000 — плотность воды (кг/м3).
Как видно из формулы, мощность прямо пропорционально зависит от скорости. Если река имеет несколько рукавов, ответвлений, то стоит измерить скорость во всех и выбрать поток, имеющий наибольшую скорость и глубину. Учтите, что измерения необходимо делать в безветренную погоду.
Найти ширину и глубину реки в метрах. Упрощенно принимаем, что поток в сечении имеет форму прямоугольника, тогда умножив площадь сечения на его скорость, получаем расход:
Q = a*b*v. Т.к. на самом деле сечение водяного потока имеет меньшую площадь, то полученное значение стоит умножить на 70%-80%.
Если у нас уже есть готовый генератор, то можно оценить возможный рабочий радиус колеса и необходимый коэффициент мультипликации.
Радиус колеса (м) = Скорость потока (м/с) / Частота вращения колеса (Гц). Частоту вращения колеса мы можем оценить, зная рабочую частоту генератора (обычно в «об/мин») и предполагаемый коэффициент редукции.
Практика: строим микро-ГЭС сами
Теперь пришла очередь спроектировать и изготовить турбину. Ниже мы опишем особенности постройки микро-ГЭС типа «водяное колесо». Данную конструкцию выгодно использовать, если у нас есть возможность организовать перепад высот для потока (или такой перепад уже существует, например, это сточная труба из пруда). Как уже было сказано выше, особое внимание следует обратить на форму лопастей. Если использовать колесо с лопастями в виде плашек (см. фото ниже, в данном случае лопасти установлены под углом 45 градусов), то КПД такой установки будет очень невелик.
Лучше использовать лопасти вогнутой формы, которые можно получить, например, из ПВХ или металлической трубы, разрезав ее вдоль на 2 или 4 части. Как показывает практика, лопастей должно быть не меньше 16. Чтобы разрезать трубу максимально прямо, проведите вдоль поверхности маркировочные линии. Также можно прикрепить 2 параллельно расположенных деревянных бруска и использовать их как направляющие. Поверхность лопаток следует отшлифовать, иначе часть энергии воды будет тратиться на трение.
В качестве самого колеса можно использовать пустую катушку из-под кабеля, либо же просто изготовить диски соответствующего диаметра. Расстояние между дисками соответствует длине лопастей. Соединяем диски вместе и вырезаем полукруглые пазы для установки лопастей. Как вариант, лопасти можно приварить. Если конструкция небольшого размера, то для защиты от мусора можно использовать сетку, прикрепленную перед колесом. В случае, когда вода падает на лопасти сверху, но при этом поток достаточно широкий есть смысл изготовить сопло (см. фото ниже), благодаря которому будет использоваться вся энергия потока. На фотографии выше видно, что сточная труба узкая сама по себе, поэтому необходимости в применении сопла нет. В любом случае поток должен падать на водяное колесо сверху, примерно на 10 часов, если представить колесо в виде циферблата часов.
В качестве опорной конструкции можно использовать сварную металлическую раму. Для повышения КПД попробуйте, если есть такая возможность, поварьировать расположение колеса: ближе-дальше, выше-ниже относительно входящего потока.
Теперь нам необходимо смонтировать повышающий редуктор (мультипликатор). Подойдет как шестеренчатый, так и цепной. Какой именно мультипликатор применить, и какой коэффициент редуцирования необходим – зависит от мощности потока, эксплуатационных характеристик колеса и генератора. Рассчитать коэффициент очень просто – рабочее количество оборотов генератора делим на количество оборотов колеса в минуту. Иногда приходится использовать 2 редуктора разных типов. Для передачи вращения от колеса на редуктор или генератор используется труба, карданный вал или другой похожий элемент.
В качестве генератора подбирается любой подходящий двигатель, при этом желательно, чтобы он был синхронным. Для асинхронного придется добавлять конденсаторы, работающие по схеме «звезда» или «треугольник». Характеристики конденсаторов зависят от напряжения сети и параметров двигателя. Основной проблемой при использовании асинхронного двигателя будет поддержание постоянного количества оборотов. Если же оно изменяется – придется менять и конденсаторы, что может быть весьма хлопотным.
Всегда хотел получить электричество из ручья, протекающего по периметру моего дома. Около трех лет назад я установил временную турбину, чтобы проверить, будет ли работоспособным турбинное колесо большего размера.
Демо-версия этого колеса была сделана из старых подставок для абразивных кругов и деревянных паллет в качестве лопастей.
В качестве генератора я использовал старую ленту постоянного тока из приводного двигателя Ametec. Чтобы приготовить все полностью, я использовал мини-мотоцепь и звездочки с 70 и 9 зубцами (для вращения колеса и на двигателе). Стоимость всех предметов вылилась примерно в 30 фунтов стерлингов.
Максимально оно генерировало 25 Вт и проработало где-то в течение года, главным образом из-за ограничений двигателя Ametec и размера колеса, и подтолкнуло меня к созданию турбины большего размера.
В первую очередь мне нужно было запрудить воду ручья, так, чтобы уровень воды был примерно мне по грудь. Не дожидаясь конца лета, я, с помощью водооткачивающего насоса отвел воду, сделал запруду из цемента.
Колеса турбины мне изготовили местные строительные компании из прочного многослойного материала, используемого для создания обшивки и настила в судостроении, толщиной в 13 мм. Из этого же материала я сделал и лопасти. В завершение я покрыл диски и лопасти специальным водоотталкивающим составом, чтобы продлить их жизнь.
Основу для турбины я соорудил из дубовых поленьев. Дуб оказался очень жестким, пришлось повозиться, пока я прикреплял поленья болтами к каменной раме. Пришлось сверлить отверстия, а для этого приходилось привязывать турбину, чтобы уравновесить ее и подогнать все размеры и затянуть болты.
Следующим шагом после установки колеса было решение вопроса с приводом и генератором.
Первоначально я использовал привод производства Minimoto, но затем маленькая цепь из-за интервала между зубьями начала соскальзывать, и я решил приобрести цепи с шагом 3/8 и звездочки у поставщика подшипников. Генератор поставил Windblue Power Permanent Magnet Generator (PMG). Он способен вырабатывать 12 В на 150 об./мин. Его часто используют в качестве переделанного автомобильного генератора. Обычный генератор выдает 12 В лишь при 3000 оборотах. Этот двигатель я заказал в США за 135 фунтов стерлингов, включая расходы на почтовую пересылку.
Колесо крутилось слишком медленно, и мне пришлось делать под запрудой ступенчатый поддон, на котором вода собиралась в узкое жерло и с большей силой лилась на лопасти.
Кроме того я прикрутил стальным тросом сечением в 1 см основные рейки каркаса, а там, где была возможность, укрепил базу с помощью анкерных болтов длиной в 1 фут, чтобы уберечь устройство от поломки, если вдруг плотину прорвет или будет сильный порыв ветра.
На турбине установлены аккумуляторы 4x55AH Brand New. С их помощью я постоянно подзаряжаю ноутбук. Также я купил два военных тяговых свинцовых аккумулятора 2х110Аh Hawker для освещения гаража и дома. Подача напряжения на два разных по типу аккумулятора идет с разных проводов.
Примерно год я эксплуатирую эту систему. Выходная мощность - 50 Вт, на пике выдает до 500 Вт. Пару раз турбина останавливалась из-за спада воды, а также из-за перекрытия основного потока во время наводнений. А так - круглый год работает.
Перевод: Ярослав Николаевич
