Hidroelektrana vlastitim rukama: kako izgraditi autonomnu mini hidroelektranu

Snaga vodotoka obnovljivi je prirodni izvor koji omogućuje gotovo besplatno dobivanje električne energije. Energija koju nam daruje priroda pružit će priliku za uštedu na komunalnim uslugama i riješiti problem punjenja uređaja.

Ako u blizini vašeg doma teče potok ili rijeka, iskoristite ih. Oni mogu opskrbiti električnom energijom parcelu i kuću. Ako ste izgradili hidroelektranu vlastitim rukama, ekonomski učinak se višestruko povećava.

U ovom članku detaljno su opisane tehnologije izrade privatnih hidrotehničkih građevina. Objasnili smo što je potrebno za postavljanje sustava i njegovo povezivanje s potrošačima. Ovdje ćete saznati o svim varijantama minijaturnih izvora energije sastavljenih od dostupnih materijala.

Hidroelektrane neindustrijske namjene

Hidroelektrane su građevine koje mogu pretvoriti energiju kretanja vode u električnu energiju. Alternativni “zeleni” opskrbljivači električnom energijom se zasad aktivno koriste samo na Zapadu. Na području naše zemlje ova perspektivna grana tek čini prve bojažljive korake.

Male privatne hidroelektrane mogu biti brane na velikim rijekama, koje proizvode od deset do nekoliko stotina megavata, ili mini hidroelektrane maksimalne snage 100 kW, što je sasvim dovoljno za potrebe privatne kuće. O potonjima ćemo saznati više.

Girlandna stanica s hidrovičnim vijcima

Konstrukcija se sastoji od lanca rotora pričvršćenih na savitljivo čelično uže, prebačeno poprijeko rijeke. Samo uže služi kao rotacijska osovina, čiji je jedan kraj fiksiran na potpornom ležaju, a drugi aktivira osovinu generatora.

Svaki hidrorotor "girlande" može proizvesti oko 2 kW energije, međutim, brzina vodenog toka za to mora biti najmanje 2,5 metara u sekundi, a dubina vodotoka ne smije prelaziti 1,5 m.

Načelo rada girlandne hidroelektrane je jednostavno: pritisak vode pokreće hidro-vijke, a oni okreću sajlu i tjeraju generator da proizvodi energiju.

Girlandne stanice uspješno su se koristile još sredinom prošlog stoljeća, ali su tada ulogu vijaka imali domaći propeleri, pa čak i limenke. Danas proizvođači nude nekoliko vrsta rotora za različite uvjete rada.

Opremljeni su lopaticama različitih veličina, izrađenim od lima, i omogućuju postizanje maksimalne učinkovitosti rada stanice.

No iako je u izradi ovaj hidrogenerator prilično jednostavan, njegov rad zahtijeva niz posebnih uvjeta koji nisu uvijek izvedivi u stvarnom životu. Takve građevine pregrađuju riječno korito, a malo je vjerojatno da će susjedi s obale, a kamoli predstavnici ekoloških službi, dopustiti korištenje energije toka za vaše potrebe.

Osim toga, zimi se uređaj može koristiti samo na vodama koje ne zaleđuju, a u uvjetima oštre klime – konzervirati ili demontirati. Stoga se girlandne stanice podižu privremeno i uglavnom u nenaseljenim područjima (primjerice, u blizini ljetnih pašnjaka).

Rotorske stanice snage od 1 do 15 kW/h proizvode do 9,3 MW mjesečno i omogućuju samostalno rješavanje problema elektrifikacije u regijama udaljenim od centraliziranih mreža.

Suvremeni analog girlandne instalacije – potopne ili plutajuće okvirne stanice s poprečnim rotorima. Za razliku od svoje girlandne prethodnice, ove konstrukcije ne pregrađuju cijelu rijeku, već koriste samo dio korita, a mogu se postaviti na ponton/splav ili čak spustiti na dno vodene površine.

Vertikalni rotor Darrieus

Rotor Darrieus je turbinski uređaj koji je ime dobio po svom izumitelju 1931. godine. Sustav se sastoji od nekoliko aerodinamičkih lopatica pričvršćenih na radijalne grede, a radi na temelju razlike tlaka po principu 'uzgonskog krila', koji se široko koristi u brodogradnji i zrakoplovstvu.

Iako se takvi uređaji više koriste za izradu vjetrogeneratora, mogu raditi i s vodom. Ali u tom su slučaju potrebni precizni proračuni za odabir debljine i širine lopatica u skladu sa snagom vodenog toka.

Rotor Darrieus podsjeća na 'vjetrenjaču', samo postavljenu pod vodom, a može raditi neovisno o sezonskim oscilacijama brzine toka.

Za izradu lokalnih hidroelektrana vertikalni se rotori rijetko koriste. Unatoč solidnim pokazateljima učinkovitosti i naizgled jednostavnoj konstrukciji, oprema je prilično složena za rad.

Prije početka rada sustav je potrebno 'razvrtjeti', ali zaustaviti pokrenutu stanicu moći će samo zaleđivanje vodene površine. Stoga se rotor Darrieus koristi uglavnom u industrijskim pogonima.

Zanimljivo rješenje u području projektiranja malih hidroelektrana s vertikalno radećom turbinom predložio je austrijski izumitelj Franz Zotlöterer:

Prednost vrtložnih stanica s pravom se smatra očuvanje ribljih resursa. Rad vertikalne turbine ne šteti živim organizmima rijeke. Osim toga, na zidovima građevina ne zadržava se alga zbog specifičnog kretanja toka vode.

Podvodni vijčani propeler

U suštini, to je najjednostavnija zračna vjetrenjača, ali se postavlja pod vodom. Dimenzije lopatica, kako bi se osigurala maksimalna brzina rotacije i minimalni otpor, izračunavaju se ovisno o snazi toka. Na primjer, ako brzina struje ne prelazi 2 m/s, tada širina lopatice treba biti u rasponu od 2-3 cm.

Podvodni propeler nije teško napraviti vlastitim rukama, ali je prikladan samo za duboke i brze rijeke – u plitkim vodama rotirajuće lopatice mogu ozlijediti ribare, kupače, vodene ptice i životinje.

Takav se vjetrenjača postavlja „nasuprot“ toku, ali njegove lopatice rade ne zbog pritiska vodenog tlaka, već zbog pojave uzgonske sile (po principu zrakoplovnog krila ili brodskog vijka).

Vodeno kolo s lopaticama

Vodeno kolo jedan je od najjednostavnijih varijanti hidrauličkog motora, poznat još iz vremena Rimskog Carstva. Učinkovitost njegovog rada uvelike ovisi o vrsti izvora na koji je postavljen.

Podlivno kolo može se okretati samo zahvaljujući brzini toka, a nalivno kolo uz pomoć pritiska i težine vode koja pada odozgo na lopatice.

Ovisno o dubini i koritu vodotoka, mogu se postaviti različite vrste kola:

• Podlivna (ili donjobojna) – prikladna za plitke rijeke s brzim tokom.
• Srednjebojna – postavljaju se u koritima s prirodnim kaskadama tako da tok udara otprilike na sredinu rotirajućeg bubnja.
• Gornjobojna (ili preljevna) – postavljaju se ispod brane, cijevi ili u donjem dijelu prirodnog praga kako bi voda koja pada nastavila put kroz vrh kotača.

Međutim, princip rada je isti za sve varijante: voda dolazi na lopatice i pokreće kotač, koji dovodi do vrtnje generatora za mini-elektranu.

Proizvođači hidroopreme nude gotove turbine čije su lopatice posebno prilagođene određenoj brzini vodotoka. No domaći majstori izrađuju bubnjaste konstrukcije na stari način – od improviziranih materijala.

Sa koracima izgradnje najjednostavnije verzije mini hidroelektrane upoznat će vas sljedeća foto-galerija:

Moguće je da će se nedostatak optimizacije odraziti na pokazateljima učinkovitosti, ali će cijena izrade domaće opreme biti višestruko niža od kupovnog analoga. Stoga je vodeno kolo najpopularnija opcija za organizaciju vlastite mini hidroelektrane.

Uvjeti za postavljanje hidroelektrane

Unatoč primamljivoj jeftinoći energije koju proizvodi hidrogenerator, važno je uzeti u obzir značajke vodenog izvora čije resurse Vi planirate iskoristiti za vlastite potrebe.

Jer nije svaki vodotok prikladan za rad mini-hidroelektrane, pogotovo cjelogodišnje, stoga ne škodi imati u rezervi mogućnost priključka na centraliziranu magistralu.

Nekoliko 'za' i 'protiv'

Glavne prednosti individualne hidroelektrane su očite: jeftina oprema koja proizvodi jeftinu električnu energiju, a ne šteti prirodi (za razliku od brana koje prekidaju tok rijeke). Iako se sustav ne može nazvati potpuno sigurnim – ipak rotirajući elementi turbina mogu ozlijediti stanovnike podvodnog svijeta, pa čak i ljude.

Kako bi se spriječile nesreće, hidroelektranu je potrebno ograditi, a ako je sustav potpuno skriven vodom – postaviti znak upozorenja na obali.

Prednosti mini-hidroelektrane:

1. Za razliku od drugih 'besplatnih' izvora energije (solarnih panela, vjetrogeneratora), hidrosustavi mogu raditi neovisno o dobu dana i vremenu. Jedino što ih može ometati je smrzavanje vodene površine.
2. Za postavljanje hidrogeneratora nije nužna velika rijeka – ista vodena kola mogu se uspješno koristiti čak i u plitkim (ali brzim!) potocima.
3. Instalacije ne ispuštaju štetne tvari, ne zagađuju vodu i rade gotovo bešumno.
4. Za montažu mini-hidroelektrane snage do 100 kW nije potrebno pribavljati dozvolnu dokumentaciju (iako sve ovisi o lokalnim vlastima i vrsti instalacije).
5. Višak električne energije može se prodavati susjednim kućama.

Što se tiče nedostataka – ozbiljna prepreka za produktivan rad opreme može biti nedovoljna snaga toka. U tom slučaju bit će potrebno izgraditi pomoćne građevine, što je povezano s dodatnim troškovima.

Ako potencijalna energija obližnje rijeke prema okvirnom proračunu nije dovoljna za proizvodnju električne energije u količini dovoljnoj za praktičnu primjenu, vrijedi obratiti pažnju na načine izgradnje vjetrogeneratora. Vjetrenjača će poslužiti kao učinkovita dopuna.

Mjerenje snage vodnog toka

Prvo što treba učiniti kako bi se razmislilo o vrsti i načinu montaže stanice jest izmjeriti brzinu vodenog toka na odabranom izvoru.

Najjednostavniji način je spustiti u brzac bilo koji lagani predmet (npr. tenisku lopticu, komad stiropora ili ribarski plovak) i štopericom izmjeriti vrijeme za koje prepliva udaljenost do nekog orijentira. Standardna udaljenost za 'plivanje' – 10 metara.

Ako se vodena površina nalazi podalje od kuće, može se izgraditi odvodni kanal ili cjevovod, a ujedno se pobrinuti i za visinske razlike.

Sada treba prijeđenu udaljenost u metrima podijeliti s brojem sekundi – to će biti brzina toka. No, ako je dobivena vrijednost manja od 1 m/s, bit će potrebno izgraditi umjetne građevine kako bi se ubrzao tok visinskim razlikama.

To je stvarno izvedivo pomoću rastavljive brane ili uske odvodne cijevi. No bez dobrog toka, od ideje o hidroelektrani morat ćete odustati.

Izrada HE na bazi vodenog kola

Naravno, sastaviti "na koljenu" i podići golemu mašinu namijenjenu opsluživanju poduzeća ili naseljenog mjesta čak i od desetak kuća – ideja je iz područja fantastike. No izgraditi vlastitim rukama mini-hidroelektranu za uštedu električne energije – sasvim je izvedivo. Pritom se mogu koristiti i gotovi dijelovi i pri ruci dostupni materijali.

Stoga ćemo korak po korak razmotriti izradu najjednostavnije konstrukcije – vodenog kola.

Potrebni materijali i alati

Da biste vlastitim rukama napravili mini-hidroelektranu, trebate pripremiti aparat za zavarivanje, brusilicu, bušilicu i set pomoćnih alata – čekić, odvijač, ravnalo.

Od materijala bit će potrebno:

• Kutnici i lim debljine najmanje 5 mm.
• Cijevi od PVC-a ili pocinčanog čelika za izradu lopatica.
• Generator (može se koristiti gotov kupljeni ili napraviti sam, kao u ovom primjeru).
• Kočioni diskovi.
• Osovina i ležajevi.
• Šperploča.
• Polistirenska smola za zalijevanje rotora i statora.
• Bakrena žica od 15 mm za samogradni generator.
• Neodimijski magneti.

Uzmite u obzir da će konstrukcija kotača biti u stalnom kontaktu s vodom, stoga metalne i drvene elemente treba odabrati s zaštitom od vlage (ili se pobrinuti za njihovu impregnaciju i bojanje sami). U idealnom slučaju, šperploča se može zamijeniti plastikom, ali drvene dijelove je lakše nabaviti i dati im željeni oblik.

Sastavljanje kola i izrada mlaznice

Osnova za sam kotač mogu biti dva čelična diska istog promjera (ako postoji mogućnost nabaviti čelični bubanj od kabela – odlično, to će uvelike ubrzati proces sastavljanja).

No ako metala u pri ruci dostupnim materijalima nema, moguće je izrezati krugove i od vodootporne šperploče, iako čvrstoća i vijek trajanja čak i obrađenog drva nisu usporedivi s čelikom. Zatim na jednom od diskova treba izrezati okrugli otvor za ugradnju generatora.

Nakon toga izrađuju se lopatice, a trebat će ih najmanje 16. Za to se pocinčane cijevi režu uzdužno na dva ili četiri dijela (ovisno o promjeru). Zatim mjesta rezanja i samu površinu lopatica treba izbrusiti kako bi se smanjili gubici energije uslijed trenja.

Lopatice se postavljaju pod nagibom od otprilike 40-45 stupnjeva – to će pomoći povećati površinu na koju će djelovati sila toka

Udaljenost između dva bočna diska treba biti što bliža duljini lopatica. Kako bi se označilo mjesto za smještaj budućih glavčina, preporučuje se izraditi predložak od šperploče na kojem će biti označeno mjesto za svaki dio i otvori za pričvršćivanje kotača na generator. Gotovu oznaku moguće je pričvrstiti na vanjskoj strani jednog od diskova.

Zatim postavite krugove paralelno jedan prema drugome pomoću šipki s punim navojem, a lopatice zavarite ili pričvrstite vijcima na potrebna mjesta. Bubanj će se okretati na ležajevima, a kao potporanj koristite okvir od kutnika ili cijevi manjeg promjera.

U ovoj fazi montažu bubnja možete smatrati završenom, preostaje ga opremiti vlastitim generatorom i mlaznicom koja usmjerava tok vode.

Mlaznica je namijenjena za vodene izvore kaskadnog tipa – takva instalacija omogućit će vam maksimalno iskorištavanje energije toka. Ovaj pomoćni element izradite savijanjem lima i naknadnim zavarivanjem šavova, a zatim ga navucite na cijev.

Međutim, ako u vašem kraju teče ravničarska rijeka bez brzaka i drugih visinskih prepreka, ovaj dio nije potreban.

Važno je da širina izlaznog otvora mlaznice odgovara širini samog kotača, inače će dio toka prolaziti 'u prazno', ne padajući na lopatice.

Sada navucite kotač na osovinu i postavite ga na potporanj od zavarenih ili vijcima spojenih kutnika. Preostaje napraviti generator (ili instalirati gotov) i možete krenuti prema rijeci.

Generator vlastitim rukama

Za izradu vlastitog generatora napravite namot i zalijevanje statora, za što će vam trebati zavojnice sa 125 zavoja bakrene žice na svakoj. Nakon njihovog spajanja, cijelu konstrukciju zalijte poliesterskom smolom.

Svaka faza sastoji se od tri uzastopno pričvršćena namotaja, stoga spoj možete napraviti u obliku zvijezde ili trokuta s nekoliko vanjskih izvoda.

Sada pripremite šablonu od šperploče koja po veličini odgovara kočionom disku.

Na drvenom prstenu izvedite označavanje i napravite proreze za ugradnju magneta (u ovom slučaju koristili ste neodimijske magnete debljine 1,3 cm, širine 2,5 cm i duljine 5 cm). Zatim dobiveni rotor zalijte smolom, a nakon sušenja – pričvrstite ga na bubanj kotača.

Vodeni kotač s rotorom od kočionih diskova i generatorom od namotaja bakrene žice – obojan, reprezentativan i spreman za rad.

Na kraju montirajte aluminijsko kućište s ampermetrom koje pokriva ispravljače. Zadatak ovih elemenata je pretvoriti trofaznu struju u istosmjernu.

Nakon postavljanja kotača u tok male rijeke s kaskadom ili odvodnom cijevi, možete računati na učinak mini-hidroelektrane od 1,9A * 12V pri 110 okretaja u minuti.

Kako u kotač ne bi dospjeli listovi, pijesak i drugi otpad donesen tokom, postavite zaštitnu mrežu ispred uređaja.

Također možete eksperimentirati s razmacima između magneta i svitaka s povećanim brojem zavoja kako biste povećali učinkovitost hidroelektrane.

O svim vrstama alternativnih izvora energije saznat ćete čitajući članak posvećen uvođenju “zelenih tehnologija” u svakodnevicu.

Zaključci i koristan video na temu

Video #1. Primjer radne hidroinstalacije s vlastoručno izrađenim generatorom na bazi trofaznog motora:

Video #2. Mini hidroelektrana konstruirana po principu vodenog kotača:

Video #3. Stanica na bazi biciklističkog kotača – zanimljiva varijanta rješavanja problema opskrbe energijom na odmoru daleko od civilizacije:

Kao što vidite, izgraditi vodenu minielektranu vlastitim rukama nije tako teško. No, budući da se većina izračuna i parametara za njezine sastavne dijelove određuje 'na oko', treba biti spreman na moguće kvarove i popratne troškove.

Ako osjećate nedostatak znanja i iskustva u ovom području, vrijedi vjerovati stručnjacima koji će izvršiti sve potrebne izračune, preporučiti optimalnu opremu za vaš slučaj i kvalitetno izvesti njezinu instalaciju.

Napišite, molimo, komentare u bloku koji se nalazi ispod. Podijelite zanimljive informacije i korisne preporuke, ostavite tematske fotografije. Možda želite ispričati kako ste vlastitim rukama izgradili funkcionalnu hidroelektranu na svom seoskom imanju? Bit će nam drago pročitati vašu priču o procesu izgradnje i korištenju.