Как сделать генератор для гидроэлектростанции. Гидрогенераторы малой мощности для дома
Гидроэлектростанции используют силу воды для получения электрической энергии. Самостоятельно изготовленные станции решают проблему удаленности от централизованных электросетей или помогают сэкономить на электричестве.
Преимущества и недостатки ГЭС
Гидроэлектростанции обладают следующими преимуществами перед другими видами альтернативных источников энергии:
- Не зависят от погоды и времени суток (в отличие от ). Это позволяет вырабатывать большее количество энергии с предсказуемой скоростью.
- Мощность источника (реки или ручья) можно регулировать. Для этого достаточно заузить русло плотиной либо обеспечить перепад высот воды.
- Гидроустановки не издают никакого шума (в отличие от ).
- Для многих типов станций небольшой мощности не требуется никаких разрешений на установку.
К минусам самодельных ГЭС относится невозможность работать в мороз. Кроме того, водная среда является агрессивной, поэтому детали станции должны быть водостойкими и прочными.
При проектировании мини-ГЭС для использования в качестве альтернативного источника энергии для собственного дома решающими должны быть следующие факторы:
- Близость реки к дому. Устанавливать самодельную станцию в удалении от дома не стоит. Чем дальше установка, тем ниже ее эффективность, потому что часть энергии будет потеряна при передаче. Кроме того, так сложнее уберечь вашу ГЭС от кражи или порчи.
- Достаточная скорость течения или возможность его увеличения. Мощность станции увеличивается в геометрической прогрессии при увеличении скорости воды.
Узнать скорость несложно. Бросьте кусочек пенопласта или теннисный шарик в воду и засеките время, за которое он проплывет определенную дистанцию. Затем разделите метры на секунды и вы узнаете скорость. Минимально достаточная скорость воды для самодельной ГЭС - 1 м/с.
Если скорость течения вашей реки или ручья ниже этого значения, то ее усилит маленькая плотина либо сужающаяся труба. Но эти варианты могут вызвать дополнительные трудности. Строительство плотины требует разрешения от властей, а также согласия соседей.
Мини-гидроэлектростанция своими руками
Конструкция ГЭС достаточно сложная, поэтому самостоятельно удастся построить лишь небольшую станцию, которая позволит сэкономить на электричестве или обеспечит энергией скромное хозяйство. Ниже приведены два примера реализации самодельной ГЭС.
Как сделать мини-ГЭС из велосипеда
Этот вариант ГЭС идеален для велопоходов. Он компактный и легкий, но сможет обеспечить энергией небольшой лагерь, разбитый на берегу ручья или реки. Полученного электричества хватит на вечернее освещение и зарядку мобильных устройств.
Для монтажа станции понадобится:
- Переднее колесо от велосипеда.
- Велогенератор, который используется для питания велосипедных фонарей.
- Самодельные лопасти. Их вырезают заранее из листового алюминия. Ширина лопастей должна быть от двух до четырех сантиметров, а длина - от втулки колеса до его обода. Лопастей может быть любое количество, располагать их нужно на одинаковом расстоянии друг от друга.
Чтобы запустить подобную станцию, достаточно погрузить колесо в воду. Глубина погружения определяется экспериментально, примерно от трети до половины колеса.
Для постройки более мощной станции для постоянного использования понадобятся более прочные материалы. Лучше всего подойдут металлические и пластиковые элементы, которые легче защитить от воздействия водной среды. Но годятся и деревянные детали, если пропитать их специальным раствором и покрасить водостойкой краской.
Для станции необходимы следующие элементы:
- Стальной барабан от кабеля (2,2 метра в диаметре). Из него изготавливается ротор-колесо. Для этого барабан разрезается на части и сваривается заново на расстоянии в 30 сантиметров. Из остатков барабана делают лопасти (18 штук). Их приваривают к радиусу под углом в 45 градусов. Для поддержки всей конструкции из уголков или труб изготавливают раму. Колесо вращается на подшипниках.
- На колесо устанавливается цепной редуктор (коэффициент передачи должен равняться четырем). Чтобы легче свести оси привода и генератора, а также снизить вибрацию, вращение передается через кардан от старого автомобиля.
- Для генератора подходит асинхронный двигатель. К нему следует добавить еще один шестеренчатый редуктор с коэффициентом около 40. Тогда для трехфазного генератора с 3000 оборотами в секунду при общем коэффициенте редуцирования 160 количество оборотов снизится до 20 оборотов в минуту.
- Поместите всю электрику в водонепроницаемую емкость.
Описанные исходные материалы легко найти на свалке или у знакомых. За резку стального барабана болгаркой и за сварку можно заплатить специалистам (или же сделать все самостоятельно). В итоге ГЭС мощностью до 5 кВт обойдется в незначительную сумму.
Получить электричество из воды не так и сложно. Труднее выстроить автономную систему электроснабжения на основе самодельной ГЭС, поддерживать станцию в рабочем состоянии и обеспечивать безопасность людей и животных вокруг нее.
Меня всегда привлекало получение бесплатной энергии из природных ресурсов. И как-то у меня зародилась идея сделать простую мини электростанцию, которая бы вырабатывала электричество из проходящего мимо водяного ручья.
Все началось с идеи использовать барабан старой стиральной машины в качестве водяного колеса – миниатюрной самодельной гидроэлектростанции.
К барабану с помощью металлических уголков были прикреплены прямые лопасти из влагостойкой фанеры.
Крутящий момент с водяного колеса передается за счет ремня на велосипедную динамо-машину (генератор постоянного тока). Выработанная электроэнергия поступает на светодиод. Достаточно рукой слегка прокрутить колесо, и светодиод начнет мигать.
Основа всей конструкции – велосипедная рама.
Два подшипника позволяют водяному колесу свободно крутится.
Первые испытания на маленькой речке показали, что водяное колесо на раме установлено слишком высоко, что не дает потоку воды его нормально раскручивать.
После небольших изменений в конструкции рамы колесо стало располагаться ниже и скорость вращения резко возросла. Как результат, начала вращаться динамо-машина и светодиод на 4,5 В загорелся.
Вот так из старого хлама получилась самодельная гидроэлектростанция.
Далее мини ГЭС в сборе была установлена на небольшой ручей.
Вырабатывает она всего несколько вольт, но их достаточно для свечения светодиода.
Это был неплохой эксперимент для начала.
Дальнейшее усовершенствование в проекте
Дальнейшее усовершенствование водяного колеса должны затронуть:- Построить мини-дамбу для увеличения напора воды. При этом полностью речку не планируется перегораживать, чтобы рыба могла уходить во втором потоке.
- Под дамбой установить трубу, по которой вода будет поступать на самодельную турбину. В трубе устроить кожух из транспортерной резиновой ленты. Перекрыв поток воды через трубу можно провести обслуживание механизмов.
- По расчетам, турбина будет выдавать мощность примерно в два раза больше, чем водяное колесо. Кроме того, замена водяного колеса на турбину должна снять проблему замерзания в зимнее время.
- Поток воды будет раскручивать турбину, передавая крутящий момент генератору. Держаться турбина будет на двух подшипниках, изготовленных из массива дерева. При регулярном смазывании они прослужат долго. Упорная шайба будет удерживать механизм от бокового смещения.
- Изготовить металлические лопатки, рассчитав угол, под которым их нужно загнуть (от этого параметра зависит мощность гидроэлектростанции). Лопатки прикрутить нужно будет с использованием резиновых прокладок, чтобы избежать их отрыва.
- Для передачи крутящего момента использовать собранный из труб вал.
- Установить генератор. На генератор поставить шкив меньшего размера, чем установленный на валу. Это позволит повысить обороты, что необходимо для эффективной работы генератора.
Именно на этом месте Мы попытаемся сделать нашу новую гидроэлектростанцию. Ранее на этом пруду уже были предприняты попытки создания самодельной ГЭС из беличьего колеса с ременной передачей на генератор (она кстати показана на фото в конце статьи), который давал ток около 1Ампера, этого было достаточно для питания нескольких лампочек и радиоприемника в нашем маленьком охотничьем домиком. Данная электростанция успешно проработала более 2-х лет, и мы решили создать на месте этой мини плотины более мощный вариант аналогичный вариант гидроэлектростанции.
Для изготовления мини плотинной ГЭС на м понадобится:
Обрезки листового металла и уголки;
- Диски для колеса (использовались от корпуса вышедшего из строя генератора фирмы Onan);
- Генератор (его сделали из двух дисков диаметром 11 дюймов от дисковых тормозов Доджа);
- Ведущий вал и подшипники – вроде бы тоже от Доджа, мы не помним точно, так сняли их своими руками с какой-то другой самоделки;
- медная проволока сечением примерно 15 мм;
- немного фанеры;
- магниты;
- полистироловая смола для заливки ротора и статора.
Процесс изготовления
Лопасти ведущего колеса делаем из разрезанной на 4 части 4-х дюймовой стальной трубы.
Мы сделали шаблон, который помог заложить из отверстия, Боковые поверхности колеса – диски диаметром 12 дюймов.
Делаем шаблон, с помощью которого размечаем отверстия для ступиц (5 штук), а также позицию угол лопастей. В таком колесе, если посмотреть сбоку, вода бьет сверху, примерно в районе 10 часов, проходит через середину колеса и выходит внизу, на 5 часах, так что вода бьет по колесу два раза. Мы пересмотрели большое число фотографий и попытались смоделировать ширину и угол лопастей. На фото сверху – разметка для краев лопастей и отверстия для крепления колеса к генератору. В колесе 16 лопастей.
Шаблон приклеили к одному из дисков – будущей боковой поверхности колеса, оба диска мы зажали вместе. На фото выше – сверление маленьких отверстий для позиционирования лопастей.
Делаем зазор между дисками в 10 дюймов, используя шпильки со сплошной резьбой, и максимально аккуратно выравниваем их перед установкой лопастей.
Процесс сварки колеса показан на фото выше. Очень важно, чтобы лопасти сделаны из оцинкованной стальной трубы. Перед сваркой необходимо зачистить цинк с краев лопастей, так как при сварке гальванизированный металл выделяет токсичный газ, чего мы стараемся избежать.
Готовое колесо нашей будущей гэс, без генератора. На, другой стороне колеса (противоположной генератору) в боковом диске есть отверстие в 4 дюйма диаметром – для удобства прикручивания к генератору, а также для очистки, чтобы засунуть руку и вынуть палки и прочий мусор, который может занести внутрь вода.
Сопло имеет такую же ширину (10 дюймов), что и колесо, и около 1 дюйма высоты с того конца, где выходит вода. Площадь сопла чуть меньше, чем 4-х дюймовая труба, на которую сопло насажено. На фото сверху – мы гнем металлический лист своими руками для сопла.
Насаживаем колесо на ось, наша ГЭС практически готова, осталось только сделать и установить генератор. Вся конструкция подвижная. Мы можем двигать сопло вперед, назад, вверх, вниз. Колесо и генератор могут двигаться вперед и назад.
Изготовление генератора для нашей ГЭС. >
Делаем обмотку статора и подготавливаем для заливки. Обмотка состоит из 9 катушек, каждая катушка состоит из 125 витков медной проволоки сечением 1,5 мм. Каждая фаза состоит из 3-х последовательно соединенных катушек, мы вывели наружу 6 концов, так что можем сделать соединение как звездой, так и треугольником.
А это статор – после заливки. (Для его заливки используем полиэстеровую смолу) Его диаметр 14 дюймов (35.5 см) , толщина 0,5 дюйма 1,3 см.
Делаем шаблон из фанеры – для разметки под магниты.
На фото – шаблон и один из тормозных дисков (будущий ротор).
Расставляем по подготовленному шаблону 12 магнитов размером 2,5 х 5 см, толщиной 1,3 см.
Заливаем ротор полиэстеровой смолой, и когда смола засохнет ротор будет готов к работе.
Вот так выглядит наша почти законченная гидроэлектростанция в сборе с генератором.
Фото с другой стороны. Под алюминиевой крышкой – два мостовых выпрямителя из 3-х фазного переменного тока в постоянный. Шкала амперметра – до 6А. В этом состоянии, когда воздушный зазор между магнитными роторами уменьшен до предела, машина выдает 12,5 вольт при 38 об/мин.
В заднем магнитном роторе, есть 3 настроечных винта для регулирования воздушного зазора, для того, чтобы генератор мог вращаться быстрее по необходимости, в надежде найти оптимум.
На досуге, участие в создании ГЭС принимало 17 человек.
Приступаем к изготовлению крепежных элементов, для этого сначала очищаем с листового металла и уголков всю ржавчину, грунтуем и красим, это конечно не обязательно, но так красивее, да и вид товарный будет.
Наш генератор с водяным колесом готов, осталось только установить его!
Было бы неплохо соорудить экран от брызг для генератора, который вращался бы вместе с колесом, но мы так и не нашли подходящего материала. Поэтому решили сделать это потом, если ГЭС заработает.
Еще фото генератора с водяным колесом. Сопло еще не установлено, оно сзади в кузове и мы скоро его поставим.
На фото – место где мы хотим ее поставить. 4-х дюймовая труба выходит снизу запруды, перепад около 3-х футов. Мы забираем только небольшую часть водяного потока.
Эта наша старая микро-ГЭС, проработавшая 2 года, включая зимы. Ее хватало на 1 Ампер (12 Ватт) или около того. Это беличье колесо, с ременной передачей на движок от компьютерного стримера фирмы Ametek. Натяжение ремня критично для успешной работы, его надо часто настраивать. Мы надеемся, что соорудили нечто лучше этого.
Вот и наша ГЭС на месте, производим ее настройку. Наконец, мы приходим к теоретически предсказанным параметрам: лучший результат получается, когда вода входит на 10 часов колесного диска, и выходит в районе 5 часов.
Заработало! Выход около 2 Ампер (1,9 если быть точным). Увеличить ток не удается. Настройки производить нелегко – каждое передвижение колеса требует соответствующего передвижения сопла, и наоборот. Еще мы можем изменять воздушный зазор и менять соединение со звезды на треугольник. Результат явно лучше у звезды – мощность выше, чем у треугольника при тех же оборотах. В итоге мы остановились на звезде, с зазором 1,25 дюйма (довольно много).
Машинку можно сделать чуть дешевле, если использовать менее мощные магниты и меньший воздушный зазор… или она может выдавать больше тока с теми же магнитами, меньшим зазором и катушками с большим количеством витков. Когда-нибудь мы этим займемся. А пока – колесо выдает 160 об/мин на холостом ходу, 110 об/мин под нагрузкой, производя 1,9 А х 12В.
Удовольствия мы получили море, было очень весело, да и мини-ГЭС неплохо работает. Нам все-таки нужен экран на генератор – в речке полно магнетитового песка! Каждые несколько часов приходится очищать магнитные роторы от песчаных нарастаний. Надо или ставить экран, или приделать пару мощных магнитов на входе в трубу.
По материалам сайта: Otherpower.com
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.В связи с постоянным удорожанием углеводных энергоносителей, специалисты обращают все большее внимание на преимущества, которые дает использование электроэнергии, полученной более экономным способом. Одним из самых экономных и экологически чистых способов получения электроэнергии является гидроэлектростанция для дома, затраты на которую сводятся к первичному строительству и техническому обслуживанию оборудования. Но не каждая местность имеет природные возможности для строительства подобных сооружений, для которых необходим мощный водный поток и большой перепад высот, создаваемых плотиной, в этом случае на помощь энергетикам приходят мини ГЭС.
Принцип работы и мини ГЭС
Принцип работы этого оборудования достаточно прост, что добавляет ему надежности. Водный поток, попадая на лопасти турбины, вращает гидропривод, сопряженный с электрогенератором, который и обеспечивает выработку электроэнергии под управлением контролирующей системы.
Современные мини ГЭС оборудованы системой управления, дающей возможность осуществлять работу в автоматическом режиме с мгновенным переходом на ручное управление в случае возникновения аварийной ситуации. Многоуровневая система защиты позволяет избежать перегрузок оборудования при изменении внешних условий. Конструкция станций позволяет минимизировать проведение строительных работ во время установки необходимого оборудования.
Разновидности мини ГЭС
Мини гидроэлектростанция – это оборудование мощностью от 1 до 3000 кВт, которое включает в себя водозаборное устройство (турбину), генерирующий энергоблок и систему управления оборудованием.
В зависимости от используемых водных ресурсов мини ГЭС делятся на несколько категорий:
- русловые станции, использующие энергию небольших рек с организованными водохранилищами. Применяются в основном на равнинной местности;
- стационарные станции, использующие энергию быстрого течения при эксплуатации горных рек;
- станции, использующие перепады водного потока на промышленных предприятиях;
- мобильные станции, использующие для организации потока армированные рукава.
Согласно ожидаемому напору водного потока проектируется соответствие гидроагрегата и его турбины мощности электрогенерирующего блока для обеспечения необходимой частоты вращения генератора и облегчения создания необходимой частоты тока.
Для различных условий работы мини ГЭС разработаны соответствующие конструкции турбин:
- при большом напоре водяного потока более 60 м применяют радиально-осевые и ковшовые турбины;
- при средней интенсивности потока 25 - 60 м хорошо зарекомендовали себя турбины поворотно-лопастной и радиально-осевой конструкции;
- на низконапорных потоках выгодней использовать поворотно-лопастные и пропеллерные конструкции, помещенные в железобетонные камеры.
Видео домашней гидроэлектростанции сделанной своими руками
Особенности подключения мини ГЭС
Устройство этого оборудования позволяет подключать станции непосредственно к сети электроснабжения, в этом случае используется синхронный генератор. Для создания локальной сети используют асинхронный агрегат, который комплектуется блоком балластной нагрузки, необходимой для рассеивания избыточной мощности во избежание выхода из строя систем подачи электроэнергии и скачкообразных изменений основных параметров сети.
Преимущества и недостатки мини ГЭС
К преимуществам работы подобных систем можно отнести:
- экологическую безопасность оборудования и отсутствие необходимости затопления больших площадей;
- низкую стоимость получаемой электроэнергии, которая в разы дешевле вырабатываемой на ТЭС;
- простоту и надежность применяемого оборудования и возможность его работы в автономном режиме;
- неисчерпаемость используемого природного ресурса
К недостаткам относятся:
- перебои в электроснабжении определенных регионов при выходе оборудования из строя, с случае использования мини ГЭС, как локального источника. Это компенсируется наличием аварийного источника энергоснабжения, подключаемого автоматически;
- слабая производственная и ремонтная база этой отрасли энергообеспечения в нашей стране.