Vodná elektráreň svojpomocne: ako postaviť autonómnu mini-vodnú elektráreň

Sila vodného prúdu je obnoviteľný prírodný zdroj, ktorý umožňuje získať prakticky bezplatnú elektrinu. Energia darovaná prírodou poskytne možnosť ušetriť na komunálnych službách a vyriešiť probém s dobíjaním zariadení.

Ak v blízkosti vášho domu tečie potok alebo rieka, oplatí sa ich využiť. Môžu dodávať elektrinu pre pozemok a dom. A ak je vodná elektráreň postavená vlastnými rukami, ekonomický efekt sa niekoľkonásobne zvyšuje.

V predloženom článku sú podrobne opísané technológie výroby súkromných vodohospodárskych stavieb. Povedali sme vám o tom, čo je potrebné na zriadenie systému a jeho pripojenie k spotrebiteľom. U náás sa dozviete o všetkých možnostiach miniatúrnych dodávateľov energie, poskládaných z dostupných materiálov.

Vodné elektrárne nepriemyselného určenia

Vodné elektrárne sú zariadenia, ktoré dokážu premeniť energiu pohybu vody na elektrinu. Alternatívni „zelení“ dodávatelia elektriny sa zatiaľ aktívne využívajú len na Západe. Na území našej krajiny táto perspektívna oblasť robí len prvé nesmelé kroky.

Malé súkromné vodné elektrárne môžu byť priehrady na veľkých riekach s výkonom od niekoľkých desiatok až po stovky megawattov alebo malé vodné elektrárne s maximálnym výkonom 100 kW, čo úplne postačuje pre potreby rodinného domu. Práve o tých druzích si povieme podrobnejšie.

Girlandová minihydroelektráreň s hydrosrubkami

Konštrukcia pozostáva z reťaze rotorov upevnených na ohybnom oceľovom lane natiahnutom cez rieku. Samotné lano plní úlohu otáčavého hriadeľa, ktorého jeden koniec je upevnený na opornom ložisku a druhý aktivuje hriadeľ generátora.

Každý hydrorotor „girlandy“ dokáže vyrobiť približne 2 kW energie, avšak rýchlosť vodného prúdu musí byť aspoň 2,5 metra za sekundu a hĺbka vodnej nádrže nesmie presiahnuť 1,5 m.

Princíp činnosti girlandovej vodnej elektrárne je jednoduchý: tlak vody roztočí hydroskrutky, tie otáčajú lano a nútia generátor vyrábať energiu.

Girlandové stanice sa úspešne používali už v polovici minulého storočia, ale vtedy úlohu skrutiek hrali domáce vrtule a dokonca konzervové plechovky. Dnes však výrobcovia ponúkajú niekoľko druhov rotorov pre rôzne prevádzkové podmienky.

Sú vybavené lopatkami rôznych veľkostí vyrobenými z plechu a umožňujú dosiahnuť maximálnu účinnosť z prevádzky stanice.

Ale hoci je tento hydrogenerátor výrobou pomerne jednoduchý, jeho prevádzka si vyžaduje množstvo špeciálnych podmienok, ktoré nie sú v reálnom živote vždy uskutočniteľné. Takéto konštrukcie prehradia koryto rieky a susedia na brehu, nehovoriac o zástupcoch ekologických služieb, len ťažko dovolia využívať energiu prúdenia na vaše účely.

Okrem toho, v zimnom období je možné zariadenie používať len na nezamŕzajúcich vodných plochách a v drsných klimatických podmienkach ho treba konzervovať alebo demontovať. Preto sa girlandové stanice stavajú dočasne a hlavne v opustených oblastiach (napr. pri letných pasienkoch).

Rotačné stanice s výkonom od 1 do 15 kW/hod vyrobia až 9,3 MW za mesiac a umožňujú nezávisle vyriešiť problém elektrifikácie v regiónoch vzdialených od centralizovaných sietí.

Moderná analógia girlandového zariadenia – ponorné alebo plávajúce rámové stanice s priečnymi rotormi. Na rozdiel od svojho girlandového predchodcu tieto konštrukcie neprehradia celú rieku, ale využívajú len časť koryta, pričom ich možno nainštalovať na pontóne/plti alebo ich dokonca spustiť na dno vodnej plochy.

Vertikálny rotor Darrieus

Rotor Darrieus je turbínové zariadenie, ktoré dostalo svoj názov podľa svojho vynálezcu v roku 1931. Systém pozostáva z niekoľkých aerodynamických lopatiek upevnených na radiálnych nosníkoch a pracuje na základe tlakového rozdielu podľa princípu „vztlakového krídla“, ktorý je široko využívaný v stavbe lodí a letectve.

Hoci sa takéto zariadenia používajú skôr na výrobu veterných generátorov, môžu fungovať aj s vodou. V tomto prípade sú však potrebné presné výpočty, aby sa vybrala hrúbka a šírka lopatiek v súlade so silou vodného prúdenia.

Rotor Darrieus pripomína „veterný mlyn“, len umiestnený pod vodou, pričom môže pracovať bez ohľadu na sezónne výkyvy rýchlosti prúdenia.

Na vytváranie miestnych vodných elektrární sa vertikálne rotory používajú zriedka. Napriek slušným ukazovateľom účinnosti a zdanlivej jednoduchosti konštrukcie je zariadenie dosť zložité na prevádzku.

Pred začatím práce je potrebné systém „roztočiť“, avšak zastaviť spustenú stanicu môže iba zamrznutie vodnej plochy. Preto sa rotor Darrieus používa najmä v priemyselných podnikoch.

Zaujímavé riešenie v oblasti projektovania malých vodných elektrární s vertikálne pracujúcou turbínou navrhol rakúsky vynálezca Franz Zotlöterer:

Závažnou výhodou vírových staníc je opodstatnene považované zachovanie rybích zdrojov. Prevádzka vertikálnej turbíny nepoškodzuje živé organizmy v rieke. Navyše na stenách konštrukcií sa nezadržiava kal kvôli špecifickému pohybu vodného prúdu.

Podvodná skrutková vrtuľa

V podstate ide o najjednoduchší vzdušný veterník, len je inštalovaný pod vodou. Rozmery lopatiek na zabezpečenie maximálnej rýchlosti otáčania a minimálneho odporu sa vypočítavajú v závislosti od sily pohybu prúdu. Napríklad, ak rýchlosť prúdenia nepresahuje 2 m/s, šírka lopatky by mala byť v rozmedzí 2–3 cm.

Podvodný propeler nie je ťažké vyrobiť svojpomocne, ale je vhodný len pre hlboké a rýchle rieky – v plytkej vode môžu rotujúce lopatky spôsobiť zranenia rybárom, kúpajúcim sa, vodným vtákom a zvieratám.

Takýto veterník sa inštaluje „proti“ prúdu, ale jeho lopatky nepracujú vďaka tlaku vodného prúdu, ale vďaka vzniku vztlakovej sily (na princípe krídla lietadla alebo lodnej skrutky).

Vodné koleso s lopatkami

Vodné koleso je jednou z najjednoduchších variantov hydraulického motora, známeho už z čias Rímskej ríše. Jeho účinnosť do značnej miery závisí od typu zdroja, na ktorom je inštalované.

Podlivné koleso sa môže otáčať len vďaka rýchlosti prúdu, zatiaľ čo nalivné vďaka tlaku a hmotnosti vody padajúcej zhora na lopatky.

V závislosti od hĺbky a koryta vodného toku je možné inštalovať rôzne typy kolies:

• Podlivné (alebo spodné) – sú vhodné pre plytké rieky s rýchlym prúdom.
• Stredné – sú umiestnené v korytách s prírodnými kaskádami tak, aby prúd dopadal približne na stred otáčajúceho sa bubna.
• Nalievacie (alebo vrchnobičné) – inštalujú sa pod priehradou, rúrou alebo v spodnej časti prirodzeného prahu, aby padajúca voda pokračovala v ceste cez vrchol kolesa.

Ale princíp práce je pri všetkých variantoch rovnaký: voda dopadá na lopatky a uvádza do činnosti koleso, ktoré roztočí generátor pre minielektráreň.

Výrobcovia hydrozariadení ponúkajú hotové turbíny, ktorých lopatky sú špeciálne prispôsobené na určitú rýchlosť vodného prúdu. Ale domáci majstri vyrábajú bubnové konštrukcie po starom – z dostupných materiálov.

S krokmi výstavby najjednoduchšieho variantu minielektrárne vám pomôže nasledujúci fotografický výber:

Možno sa nedostatok optimalizácie prejaví na ukazovateľoch účinnosti, zato vlastná cena domáceho zariadenia bude oveľa nižšia ako kupovaného analógu. Preto je vodné koleso najobľúbenejším variantom na zriadenie vlastnej minielektrárne.

Podmienky pre inštaláciu vodnej elektrárne

Napriek lákavej lacnote energie vyrábanej hydrogenerátorom je dôležité zohľadniť vlastnosti vodného zdroja, ktorého zdroje plánujete využiť pre vlastné potreby.

Veď nie každý vodný tok je vhodný na prevádzku mini-vodnej elektrárne, najmä celoročnej, preto sa hodí mať v zálohe možnosť pripojenia k centralizovanej sieti.

Niekoľko „za” a „proti”

Hlavné výhody individuálnej vodnej elektrárne sú zrejmé: lacné zariadenie, ktoré vyrába lacnú elektrinu, a navyše neškodí prírode (na rozdiel od priehrad, ktoré blokujú tok rieky). Hoci systém nemožno označiť za absolútne bezpečný – rotujúce časti turbín môžu spôsobiť zranenia obyvateľom podvodného sveta a dokonca aj ľuďom.

Aby sa predišlo nehodám, vodnú elektráreň je potrebné ohradiť, a ak je systém úplne skrytý vodou – umiestniť na brehu výstražnú značku.

Výhody mini-vodnej elektrárne:

1. Na rozdiel od iných «bezplatných» zdrojov energie (solárnych panelov, veterných generátorov) môžu vodné systémy pracovať nezávisle od dennej doby a počasia. Jediné, čo im môže prekážať – zamrznutie vodnej plochy.
2. Na inštaláciu hydrogenerátora nie je potrebná veľká rieka – tie isté vodné kolesá možno úspešne použiť aj v malých (ale rýchlych!) potokoch.
3. Zariadenia nevypúšťajú škodlivé látky, neznečisťujú vodu a pracujú prakticky bez hluku.
4. Na montáž mini-vodnej elektrárne s výkonom do 100 kW nie je potrebné vybavovať povolenia (hoci všetko závisí od miestnych úradov a typu zariadenia).
5. Prebytok elektriny je možné predávať do susedných domov.

Pokiaľ ide o nevýhody – vážnou prekážkou produktívnej prevádzky zariadenia sa môže stať nedostatočná sila prúdu. V takom prípade bude potrebné postaviť pomocné konštrukcie, čo je spojené s dodatočnými nákladmi.

Ak potenciálna energia blízkej rieky pri približnom výpočte nebude stačiť na výrobu elektriny v objeme dostatočnom na praktické využitie, stojí za to venovať pozornosť spôsobom stavby veterných generátorov. Veterný generátor poslúži ako efektívny doplnok.

Meranie sily vodného prúdu

Prvá vec, ktorú treba urobiť, aby ste sa zamysleli nad typom a spôsobom montáže stanice – zmerať rýchlosť vodného prúdu na vybranom zdroji.

Najjednoduchší spôsob – spustiť na prúd ľahký predmet (napríklad tenisovú loptičku, kus polystyrénu alebo rybársky plavák) a stopkami odmerať čas, za ktorý prepláva vzdialenosť k nejakému orientačnému bodu. Štandardná vzdialenosť na «plávanie» je 10 metrov.

Ak sa vodná plocha nachádza dosť ďaleko od domu, je možné postaviť odvádzací kanál alebo potrubie a zároveň sa postarať o výškové rozdiely.

Teraz je potrebné prejdenú vzdialenosť v metroch vydeliť počtom sekúnd – to bude rýchlosť prúdenia. Ale ak bude získaná hodnota menšia ako 1 m/s, bude potrebné postaviť umelé konštrukcie na urýchlenie toku pomocou výškových rozdielov.

Je to reálne uskutočniť pomocou rozoberateľnej hrádze alebo nie príliš širokej odtokovej rúry. Ale bez dobrého prúdu bude treba od myšlienky vodnej elektrárne upustiť.

Výroba vodnej elektrárne na báze vodného kolesa

Samozrejme, zostaviť „narýchlo“ a postaviť kolos určený na obsluhu podniku alebo obývanej oblasti aj s desiatimi domami – to je nápad z oblasti fantázie. Ale postaviť vlastnými rukami mini-vodnú elektráreň na úsporu elektriny – je celkom reálne. Navyše je možné použiť hotové komponenty aj improvizované materiály.

Preto si krok za krokom pozrieme výrobu najjednoduchšej konštrukcie – vodného kolesa.

Potrebné materiály a nástroje

Na výrobu mini-vodnej elektrárne vlastnými rukami je potrebné pripraviť zváračku, uhlovú brúsku, vŕtačku a sadu pomocných nástrojov – kladivo, skrutkovač, pravítko.

Z materiálov budú potrebné:

• Uholníky a plech s hrúbkou najmenej 5 mm.
• Rúry z PVC alebo pozinkovanej ocele na výrobu lopatiek.
• Generátor (možno použiť hotový kúpený alebo vyrobiť vlastný, ako v tomto príklade).
• Brzdové kotúče.
• Hriadeľ a ložiská.
• Preglejka.
• Polystyrénová živica na zaliatie rotora a statora.
• Medený drôt s priemerom 15 mm pre domáci generátor.
• Neodýmové magnety.

Majte na pamäti, že konštrukcia kolesa bude neustále v kontakte s vodou, preto je potrebné vybrať kovové a drevené prvky s ochranou proti vlhkosti (alebo sa postarať o ich impregnáciu a natretie samostatne). V ideálnom prípade možno preglejku nahradiť plastom, ale drevené diely je ľahšie zohnať a dať im potrebný tvar.

Montáž kolesa a výroba dýzy

Základom samotného kolesa môžu byť dva oceľové kotúče rovnakého priemeru (ak je možné zohnať oceľový bubon z kábla – výborne, to značne urýchli proces montáže).

Ale ak sa nenašiel kov v improvizovaných materiáloch, možno vyrezať kruhy aj z vodovzdornej preglejky, hoci pevnosť a životnosť aj ošetreného dreva sa nevyrovná oceli. Potom na jednom z kotúčov je potrebné vyrezať kruhový otvor na inštaláciu generátora.

Potom sa vyrábajú lopatky, pričom ich bude potrebných najmenej 16 ks. Na to sa pozinkované rúry pozdĺžne rozrežú na dve alebo štyri časti (v závislosti od priemeru). Potom treba miesta rezu a samotný povrch lopatiek vybrúsiť, aby sa znížili straty energie pri trení.

Lopatky sa inštalujú pod uhlom približne 40-45 stupňov – to pomôže zväčšiť plochu povrchu, na ktorú bude pôsobiť sila prúdenia

Vzdialenosť medzi dvoma bočnými kotúčmi by mala byť čo najviac priblížená k dĺžke lopatiek. Na vyznačenie miesta pre umiestnenie budúcich nábojov sa odporúča vyrobiť šablónu z preglejky, na ktorej bude označené miesto pre každú časť a otvory na upevnenie kolesa ku generátoru. Hotové označenie je možné pripevniť na vonkajšiu stranu jedného z kotúčov.

Potom sa kruhy inštalujú paralelne vedľa seba pomocou tyčí s plným závitom, a lopatky sa privaria alebo upevnia skrutkami v požadovaných polohách. Bubon sa bude otáčať na ložiskách a ako podpera sa používa rám z uholníkov alebo rúr malého priemeru.

V tomto štádiu možno montáž bubna považovať za dokončenú, ostáva ho vybaviť domácim generátorom a dýzou, ktorá usmerňuje prúd vody.

Dýza je určená pre vodné zdroje kaskádového typu – takéto zariadenie umožní využiť energiu prúdu na maximum. Tento pomocný prvok sa vyrába ohýbaním plechu s následným zváraním švov, a potom sa nasadí na rúru.

Ak však vo vašej lokalite tečie nížinná rieka bez prahov a iných výškových prekážok, tento diel nie je potrebný.

Je dôležité, aby šírka výstupného otvoru dýzy zodpovedala šírke samotného kolesa, inak časť prúdu pôjde „naprázdno“, nedostanúc sa na lopatky.

Teraz treba koleso nasadiť na os a upevniť na podperu z uholníkov, ktoré sú zvárané alebo spojené skrutkami. Ostáva vyrobiť generátor (alebo osadiť hotový) a možno vyraziť k rieke.

Generátor svojpomocne

Na výrobu domáceho generátora treba urobiť vinutie a zaliatie statora, na čo budú potrebné cievky so 125 závitmi medeného drôtu na každej. Po ich spojení sa celá konštrukcia zaleje polyesterovou živicou.

Každá fáza pozostáva z troch postupne pripevnených zväzkov, preto spojenie možno urobiť v tvare hviezdy alebo trojuholníka s niekoľkými vonkajšími vývodmi.

Teraz treba pripraviť preglejkovú šablónu, ktorá rozmerovo zodpovedá brzdovému kotúču.

Na drevenom krúžku sa vykoná značenie a urobia sa zárezy na inštaláciu magnetov (v tomto prípade boli použité neodýmové magnety s hrúbkou 1,3 cm, šírkou 2,5 cm a dĺžkou 5 cm). Potom sa získaný rotor tiež zaleje živicou a po vysušení – pripojí k bubnu kolesa.

Vodné koleso s rotorom z brzdových kotúčov a generátorom z cievok medeného drôtu – nafarbené, reprezentatívne a pripravené na prevádzku.

Ako posledný sa montuje hliníkový kryt s ampérmetrom, ktorý zakrýva usmerňovače. Úlohou týchto prvkov je meniť trojfázový prúd na jednosmerný.

Po inštalácii kolesa do prúdu malej rieky s kaskádou alebo odvodnou rúrou, možno počítať s výkonom mini-vodnej elektrárne 1,9 A * 12 V pri 110 otáčkach za minútu.

Aby sa do kolesa nedostali lístie, piesok a iné nečistoty unášané prúdom, je vhodné umiestniť pred zariadenie ochrannú sieť.

Tiež je možné experimentovať s medzerami medzi magnetmi a cievkami so zvýšeným počtom závitov na zvýšenie účinnosti vodnej elektrárne.

O všetkých druhoch alternatívnych zdrojov energie sa dozviete po prečítaní článku venovaného zavádzaniu “zelených technológií” do domácnosti.

Závery a užitočné video k téme

Video #1. Príklad fungujúcej hydroinštalácie s domácim generátorom na báze trojfázového motora:

Video #2. Mini vodná elektráreň skonštruovaná na princípe vodného kolesa:

Video #3. Stanica na báze bicyklového kolesa – zaujímavý variant riešenia problému s energetickým zabezpečením na dovolenke ďaleko od civilizácie:

Ako vidíte, postaviť vodnú mini-elektráreň vlastnými rukami nie je až také zložité. Ale keďže väčšina výpočtov a parametrov pre jej komponenty sa určuje «od oka», treba byť pripravený na možné poruchy a súvisiace náklady.

Ak pociťujete nedostatok vedomostí a skúseností v tejto oblasti, mali by ste sa spoľahnúť na odborníkov, ktorí vykonajú všetky potrebné výpočty, odporučia optimálne zariadenie pre váš prípad a kvalitne vykonajú jeho inštaláciu.

Píšte, prosím, komentáre do bloku nižšie. Delte sa o zaujímavé informácie a užitočné odporúčania, zanechávajte tematické fotografie. Možno chcete porozprávať, ako ste vlastnými rukami postavili funkčnú vodnú elektráreň na vidieckom pozemku? Budeme radi, ak si prečítame váš príbeh o procese zariadenia a prevádzky.