Hidroelektrostacija pašrocīgi: kā uzbūvēt autonomu mini HES

Ūdens plūsmas spēks ir atjaunojams dabas resurss, kas ļauj iegūt praktiski bezmaksas elektrību. Dabas dāvātā enerģija dos iespēju ietaupīt uz komunālajiem pakalpojumiem un atrisināt tehnikas uzlādes problēmu.

Ja blakus jūsu mājai tek strauts vai upe, tos ir vērts izmantot. Tie spēs nodrošināt ar elektrību teritoriju un māju. Un, ja hidroelektrostacija ir uzbūvēta pašu rokām, ekonomiskais efekts daudzkārt pieaug.

Šajā rakstā detalizēti aprakstītas privāto hidrotehnisko būvju izgatavošanas tehnoloģijas. Mēs pastāstījām par to, kas būs nepieciešams sistēmas ierīkošanai un pieslēgšanai patērētājiem. Pie mums jūs uzzināsiet par visiem miniatūro enerģijas piegādātāju variantiem, kas salikti no pieejamiem materiāliem.

Nerūpnieciskas hidroelektrostacijas

Hidroelektrostacijas ir būves, kas spēj pārvērst ūdens kustības enerģiju elektroenerģijā. Alternatīvi “zaļie” elektroenerģijas piegādātāji pagaidām tiek aktīvi izmantoti tikai Rietumos. Mūsu valsts teritorijā šī perspektīvā nozare tikai sper pirmos kautrīgos soļus.

Mazas privātās hidroelektrostacijas var būt dambji uz lielām upēm, kas saražo no desmit līdz vairākiem simtiem megavatu, vai mini HES ar maksimālo jaudu 100 kW, kas ir pilnīgi pietiekami privātmājas vajadzībām. Par pēdējām uzzināsim sīkāk.

Virtenes stacija ar hidroskrūvēm

Konstrukcija sastāv no rotoru ķēdes, kas nostiprināta uz elastīga tērauda troša, kas izstiepts pāri upei. Pats trosis kalpo kā rotācijas vārpsta, kura viens gals tiek fiksēts atbalsta gultnī, bet otrs – aktivizē ģeneratora vārpstu.

Katrs «girlandes» hidrorotors spēj saražot aptuveni 2 kW enerģijas, taču ūdens plūsmas ātrumam tam jābūt vismaz 2,5 metri sekundē, un ūdenstilpes dziļums nedrīkst pārsniegt 1,5 m.

Vītņu HES darbības princips ir vienkāršs: ūdens spiediens griež hidroskrūves, kuras savukārt griež trosi un liek ģeneratoram ražot enerģiju.

Vītņu stacijas veiksmīgi tika izmantotas jau pagājušā gadsimta vidū, taču tolaik skrūvju lomu pildīja paštaisīti propelleri un pat konservu kārbas. Mūsdienās ražotāji piedāvā vairāku veidu rotorus dažādiem darbības apstākļiem.

Tie ir aprīkoti ar dažāda izmēra lāpstiņām, kas izgatavotas no lokšņu metāla, un ļauj sasniegt maksimālo stacijas darba efektivitāti.

Bet, lai arī šis hidrogenerators ir samērā vienkāršs izgatavošanā, tā ekspluatācija paredz vairākus īpašus nosacījumus, kas ne vienmēr ir realizējami reālajā dzīvē. Šādas konstrukcijas aizsprosto upes gultni, un diez vai upes kaimiņi, nemaz nerunājot par vides dienestu pārstāvjiem, atļaus izmantot straumes enerģiju jūsu vajadzībām.

Turklāt ziemas periodā iekārtu var izmantot tikai uz neaizsalstošiem ūdeņiem, bet bargā klimata apstākļos – to konservēt vai demontēt. Tāpēc vītņu stacijas tiek uzceltas īslaicīgi un galvenokārt neapdzīvotās vietās (piemēram, pie vasaras ganībām).

Rotoru stacijas ar jaudu no 1 līdz 15 kW/h saražo līdz 9,3 MW mēnesī un ļauj patstāvīgi atrisināt elektrifikācijas problēmu reģionos, kas atrodas tālu no centralizētām maģistrālēm.

Mūsdienu analogs vītņu iekārtai – iegremdējamas vai peldošas rāmja stacijas ar šķērsvirziena rotoriem. Atšķirībā no savas vītņu priekšgājējas, šīs konstrukcijas neaizsprosto visu upi, bet izmanto tikai daļu no gultnes, turklāt tās var uzstādīt uz pontona/plosta vai pat nolaist ūdenstilpnes dibenā.

Darjē vertikālais rotors

Darijē rotors ir turbīnas ierīce, kas nosaukta sava izgudrotāja vārdā 1931. gadā. Sistēma sastāv no vairākām aerodinamiskām lāpstiņām, kas piestiprinātas pie radiālām sijām, un darbojas, pateicoties spiediena starpībai pēc "pacelšanas spārna" principa, kas plaši tiek izmantots kuģubūvē un aviācijā.

Kaut arī šādas iekārtas vairāk tiek izmantotas vēja ģeneratoru veidošanai, tās var darboties arī ar ūdeni. Tomēr šajā gadījumā ir nepieciešami precīzi aprēķini, lai izvēlētos lāpstiņu biezumu un platumu atbilstoši ūdens plūsmas stiprumam.

Darijē rotors atgādina "vējdzirnavas", tikai uzstādītas zem ūdens, un tas var darboties neatkarīgi no sezonālām plūsmas ātruma svārstībām.

Lokālu hidrostaciju izveidei vertikālie rotori tiek izmantoti reti. Neskatoties uz labiem efektivitātes rādītājiem un šķietamo konstrukcijas vienkāršību, aprīkojums ir diezgan sarežģīts ekspluatācijā.

Pirms darba sākšanas sistēma ir "jāuzgriež", toties palaistu staciju var apturēt tikai ūdenstilpnes aizsalšana. Tāpēc Darijē rotors tiek izmantots galvenokārt rūpniecības uzņēmumos.

Interesantu risinājumu mazo HES projektēšanas jomā ar vertikāli strādājošu turbīnu ierosināja austriešu izgudrotājs Francs Cotlēterers:

Par būtisku ūdensvirpuļu staciju priekšrocību pamatoti tiek uzskatīta zivju resursu saglabāšana. Vertikālās turbīnas darbs nekaitē upes dzīvajiem organismiem. Turklāt uz būvju sienām neuzkavējas dūņas, pateicoties specifiskajai ūdens plūsmas kustībai.

Zemūdens skrūvpropellers

Būtībā tas ir visvienkāršākais gaisa vējdzinējs, tikai tas tiek uzstādīts zem ūdens. Lai nodrošinātu maksimālo griešanās ātrumu un minimālo pretestību, lāpstiņu izmēri tiek aprēķināti atkarībā no plūsmas kustības spēka. Piemēram, ja straumes ātrums nepārsniedz 2 m/s, lāpstiņas platumam jābūt robežās no 2 līdz 3 cm.

Zemūdens propelleri nav grūti pagatavot pašrocīgi, bet tas ir piemērots tikai dziļām un ātrām upēm – seklā ūdenī rotējošās lāpstiņas var savainot makšķerniekus, peldētājus, ūdensputnus un dzīvniekus.

Šāds vējdzinējs tiek uzstādīts «pretēji» plūsmai, bet tā lāpstiņas darbojas nevis ūdens spiediena dēļ, bet gan pateicoties pacelšanas spēka rašanās (pēc lidmašīnas spārna vai kuģa dzenskrūves principa).

Ūdensrats ar lāpstiņām

Ūdens ritenis ir viens no vienkāršākajiem hidrauliskā dzinēja variantiem, pazīstams vēl no Romas impērijas laikiem. Tā darbības efektivitāte lielā mērā ir atkarīga no avota veida, uz kura tas ir uzstādīts.

Apakšplūduma ritenis var griezties tikai pateicoties plūsmas ātrumam, bet augšplūduma ritenis – ar ūdens spiediena un svara palīdzību, kas krīt no augšas uz lāpstiņām.

Atkarībā no ūdensteces dziļuma un gultnes var uzstādīt dažādus riteņu tipus:

• Apakšplūduma (vai apakšsistie) riteņi – piemēroti sekliem straujiem upēm.
• Vidēja plūduma riteņi – tiek novietoti gultnēs ar dabīgiem kaskādēm tā, lai plūsma trāpa aptuveni rotējošā cilindra vidū.
• Uzpildes (jeb augšējā trieciena) – tiek uzstādītas zem aizsprosta, caurules vai dabiskā krāces apakšdaļā, lai krītošais ūdens turpinātu ceļu caur rata virsotni.

Bet darbības princips visiem variantiem ir viens un tas pats: ūdens nokļūst uz lāpstiņām un iedarbina riteni, kas liek griezties mini elektrostacijas ģeneratoram.

Hidroiekārtu ražotāji piedāvā gatavas turbīnas, kuru lāpstiņas ir īpaši pielāgotas noteiktam ūdens plūsmas ātrumam. Bet mājamatnieki izgatavo cilindriskas konstrukcijas pēc vecās metodes – no pieejamajiem materiāliem.

Ar vienkāršākā mini HES varianta būvniecības soļiem iepazīties palīdzēs šāda fotoatlase:

Iespējams, optimizācijas trūkums ietekmēs lietderības koeficienta rādītājus, toties pašdarinātā aprīkojuma pašizmaksa būs vairākas reizes lētāka nekā iegādātais analogs. Tāpēc ūdens ritenis ir vispopulārākais variants, lai izveidotu savu mini HES.

Hidroelektrostacijas uzstādīšanas nosacījumi

Neskatoties uz hidroģeneratora saražotās enerģijas vilinošo lētumu, ir svarīgi ņemt vērā ūdens avota īpatnības, kuru resursus plānojat izmantot savām vajadzībām.

Jo ne katra ūdenstece būs piemērota mini HES ekspluatācijai, vēl jo vairāk – visu gadu, tāpēc nebūs lieki turēt rezervē iespēju pieslēgties centralizētajai maģistrālei.

Daži „par” un „pret”

Individuālās hidroelektrostacijas galvenās priekšrocības ir acīmredzamas: lēts aprīkojums, kas ražo lētu elektrību, turklāt nekaitē dabai (atšķirībā no aizsprostiem, kas bloķē upes tecējumu). Lai gan sistēmu nevar saukt par pilnīgi drošu – tomēr turbīnu rotējošie elementi var radīt traumas zemūdens pasaules iedzīvotājiem un pat cilvēkiem.

Lai novērstu nelaimes gadījumus, hidrostacija ir jānožogo, bet, ja sistēma ir pilnībā paslēpta zem ūdens – jāuzstāda brīdinājuma zīme krastā.

Mini HES priekšrocības:

1. Atšķirībā no citiem «bezmaksas» enerģijas avotiem (saules baterijām, vēja ģeneratoriem), hidrosistēmas var strādāt neatkarīgi no diennakts laika un laikapstākļiem. Vienīgais, kas tām var traucēt – ūdenstilpnes aizsalšana.
2. Hidroģeneratora uzstādīšanai nav obligāti nepieciešama liela upe – tos pašus ūdens riteņus var veiksmīgi izmantot pat seklos (bet ātros!) strautos.
3. Iekārtas neizdala kaitīgas vielas, nepiesārņo ūdeni un darbojas praktiski bez trokšņa.
4. Mini HES ar jaudu līdz 100 kW uzstādīšanai nav jānoformē atļaujas dokumentācija (lai gan viss ir atkarīgs no vietējām varas iestādēm un iekārtas veida).
5. Elektroenerģijas pārpalikumu var pārdot kaimiņu mājām.

Runājot par trūkumiem – nopietns šķērslis produktīvai iekārtu ekspluatācijai var būt nepietiekams straumes spēks. Šādā gadījumā būs jāceļ palīgbūves, kas saistīts ar papildu izmaksām.

Ja tuvumā esošās upes potenciālā enerģija pēc aptuvena aprēķina nebūs pietiekama, lai saražotu elektrību tādā apjomā, kas ir pietiekams praktiskai lietošanai, ir vērts pievērst uzmanību vēja ģeneratoru būvniecības veidiem. Vēja ģenerators kalpos kā efektīvs papildinājums.

Ūdens plūsmas spēka mērīšana

Pirmais, kas jādara, lai apsvērtu stacijas veidu un uzstādīšanas metodi, – izmērīt ūdens plūsmas ātrumu izvēlētajā avotā.

Vienkāršākais veids – nolaist straujākajā vietā jebkuru vieglu priekšmetu (piemēram, tenisa bumbiņu, putuplasta gabalu vai zvejnieka pludiņu) un ar hronometru atzīmēt laiku, kurā tas aizpeld līdz kādam orientierim. Standarta distance «peldējumam» – 10 metri.

Ja ūdenstilpne atrodas nedaudz tālāk no mājas, var izbūvēt novadkanālu vai cauruļvadu, un vienlaikus parūpēties arī par augstuma atšķirībām.

Tagad nobrauktais attālums metros jādala ar sekunžu skaitu – tas būs straumes ātrums. Bet, ja iegūtā vērtība būs mazāka par 1 m/sek, būs jāceļ mākslīgas būves, lai paātrinātu plūsmu ar augstuma atšķirībām.

To var reāli paveikt, izmantojot saliekamo aizsprostu vai samērā šauru notekcauruli. Tomēr bez labas straumes no hidroelektrostacijas idejas nāksies atteikties.

HES izgatavošana uz ūdensrata bāzes

Protams, salikt «uz ātru roku» un uzbūvēt milzu konstrukciju, kas paredzēta uzņēmuma vai pat desmit māju apdzīvotas vietas apkalpošanai – tā ir fantāzija. Taču pašu rokām uzbūvēt mini HES elektrības taupīšanai ir pilnīgi iespējams. Turklāt var izmantot gan gatavus komponentus, gan lēti pieejamus materiālus.

Tāpēc apskatīsim soli pa solim vienkāršākās būves – ūdensrata – izgatavošanu.

Nepieciešamie materiāli un instrumenti

Lai pašu spēkiem izgatavotu mini HES, ir jāsagatavo metināšanas aparāts, slīpmašīna, urbis un palīginstrumentu komplekts – āmurs, skrūvgriezis, lineāls.

No materiāliem būs nepieciešami:

• Leņķi un lokšņu metāls, kura biezums nav mazāks par 5 mm.
• PVC vai cinkota tērauda caurules lāpstiņu izgatavošanai.
• Ģenerators (var izmantot gatavu pirktu vai izgatavot pašam, kā šajā piemērā).
• Bremžu diski.
• Vārpsta un gultņi.
• Saplāksnis.
• Polistirola sveķi rotora un statora aizliešanai.
• Vara stieple 15 mm diametrā pašdarinātam ģeneratoram.
• Neodīma magnēti.

Ņemiet vērā, ka rata konstrukcija pastāvīgi saskarsies ar ūdeni, tāpēc metāla un koka elementi ir jāizvēlas ar mitruma aizsardzību (vai pašiem jāparūpējas par to impregnēšanu un krāsošanu). Ideālā gadījumā saplāksni var aizstāt ar plastmasu, bet koka detaļas ir vieglāk iegūt un piešķirt tām vēlamo formu.

Rata montāža un sprauslas izgatavošana

Par rata pamatu var kalpot divi vienāda diametra tērauda diski (ja ir iespēja iegūt tērauda kabeļa bungu – lieliski, tas ievērojami paātrinās salikšanas procesu).

Bet, ja metāla pa rokai esošajos materiālos nebija, var izgriezt apļus arī no ūdensizturīga saplākšņa, lai gan pat apstrādātas koksnes izturība un kalpošanas laiks nav salīdzināms ar tēraudu. Pēc tam vienā no diskiem jāizgriež apaļš caurums ģeneratora uzstādīšanai.

Pēc tam tiek izgatavotas lāpstiņas, un tās vajadzēs ne mazāk kā 16 gab. Šim nolūkam cinkotas caurules tiek gareniski sagrieztas divās vai četrās daļās (atkarībā no diametra). Pēc tam griezuma vietas un pašu lāpstiņu virsma ir jānopulē, lai samazinātu enerģijas zudumus berzes dēļ.

Lāpstiņas tiek uzstādītas aptuveni 40-45 grādu slīpumā – tas palīdzēs palielināt virsmas laukumu, uz kuru iedarbosies plūsmas spēks.

Attālumam starp diviem sānu diskiem jābūt pēc iespējas tuvākam lāpstiņu garumam. Lai iezīmētu vietu nākotnes rumbu novietojumam, ieteicams izgatavot veidni no saplākšņa, uz kura būs norādīta vieta katrai detaļai un caurumi rata nostiprināšanai pie ģeneratora. Gatavo marķējumu var piestiprināt viena diska ārpusē.

Pēc tam apļi tiek uzstādīti paralēli viens otram ar pilnīgi vītņotu stieņu palīdzību, un lāpstiņas tiek piemetinātas vai nostiprinātas ar skrūvēm vajadzīgajās pozīcijās. Bungas griezīsies uz gultņiem, un kā balsts tiek izmantots rāmis no leņķdzelzs vai maza diametra caurulēm.

Šajā posmā bungu montāžu var uzskatīt par pabeigtu, atlicis to aprīkot ar paštaisītu ģeneratoru un sprauslu, kas virza ūdens plūsmu.

Sprausla ir paredzēta kaskādes tipa ūdens avotiem – šāda iekārta ļaus maksimāli izmantot plūsmas enerģiju. Šis palīgelements tiek izgatavots, izliekot lokšņu metālu un pēc tam metinot šuves, pēc tam tas tiek uzspiests uz caurules.

Tomēr, ja jūsu apvidū plūst līdzenumu upe bez krācēm un citiem augstuma šķēršļiem, šī detaļa nav nepieciešama.

Svarīgi, lai sprauslas izejas atveres platums atbilstu paša rata platumam, pretējā gadījumā daļa plūsmas iet "tukšgaitā", nenonākot uz lāpstiņām.

Tagad ritenis ir jāuzliek uz ass un jāuzstāda uz balsta no sametinātiem vai ar skrūvēm savienotiem leņķdzelzs elementiem. Atliek izgatavot ģeneratoru (vai uzstādīt gatavu) un var doties uz upi.

Ģenerators pašu rokām

Lai izgatavotu paštaisītu ģeneratoru, jāizveido statora tinums un pildījums, kam nepieciešamas spoles ar 125 vara stieples apgriezieniem katrā. Pēc to savienošanas visa konstrukcija tiek aizlieta ar poliestera sveķiem.

Katra fāze sastāv no trim secīgi piestiprinātiem šķeteriem, tāpēc savienojumu var veikt zvaigznes vai trijstūra veidā ar vairākiem ārējiem izvadiem.

Tagad jāsagatavo saplākšņa šablons, kas atbilst izmēriem bremžu diskam.

Uz koka gredzena tiek veikts marķējums un izveidotas spraugas magnētu uzstādīšanai (šajā gadījumā tika izmantoti neodīma magnēti ar biezumu 1,3 cm, platumu 2,5 cm un garumu 5 cm). Pēc tam iegūtais rotors tiek aizliets ar sveķiem, un pēc žāvēšanas – pievienots rata bungai.

Ūdensrats ar rotoru no bremžu diskiem un ģeneratoru no vara stieples šķeteriem – nokrāsots, reprezentabls un gatavs ekspluatācijai.

Pēdējais tiek montēts alumīnija apvalks ar ampērmetru, kas nosedz taisngriežus. Šo elementu uzdevums – pārveidot trīsfāzu strāvu līdzstrāvā.

Pēc riteņa uzstādīšanas nelielas upītes plūsmā ar kaskādi vai novadcauruli, var rēķināties ar mini HES ražīgumu 1,9 A * 12 V pie 110 apgriezieniem minūtē.

Lai ritenī neiekļūtu lapas, smiltis un citi atkritumi, ko atnes plūsma, ieteicams ierīces priekšā novietot aizsargtīklu.

Var arī eksperimentēt ar atstarpēm starp magnētiem un spolēm ar palielinātu apgriezienu skaitu, lai palielinātu hidroelektrostacijas efektivitāti.

Par visiem alternatīvās enerģijas avotu veidiem jūs uzzināsiet, iepazīstoties ar rakstu, kas veltīts “zaļo tehnoloģiju” ieviešanai ikdienā.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Video #1. Piemērs darbojošai hidroinstalācijai ar paštaisītu ģeneratoru uz trīsfāzu motora bāzes:

Video #2. Mini HES, konstruēta pēc ūdens rata principa:

Video #3. Stacija uz velosipēda rata bāzes – interesants variants enerģijas nodrošinājuma problēmas risināšanai atpūtas laikā prom no civilizācijas:

Kā redzat, uzbūvēt ūdens mini elektrostaciju pašu spēkiem nav tik sarežģīti. Bet, tā kā lielākā daļa aprēķinu un parametru tās sastāvdaļām tiek noteikti "ar aci", jābūt gataviem iespējamiem bojājumiem un saistītajiem izdevumiem.

Ja jūs jūtat zināšanu un pieredzes trūkumu šajā jomā, ir vērts uzticēties speciālistiem, kuri veiks visus nepieciešamos aprēķinus, ieteiks jūsu gadījumam optimālo aprīkojumu un kvalitatīvi veiks tā uzstādīšanu.

Lūdzu, rakstiet komentārus zemāk esošajā blokā. Dalieties ar interesantiem faktiem un noderīgiem ieteikumiem, atstājiet tematiskas fotogrāfijas. Iespējams, jūs vēlaties pastāstīt, kā pašu spēkiem uzbūvējāt darbojošos hidroelektrostaciju uz lauku zemes gabala? Mēs ar prieku izlasīsim jūsu stāstu par ierīces izveidi un ekspluatāciju.